數控機床控制系統設計研究

王志偉

摘 要：數控機床控制系統是數控機床正常運行的基本保障，完善、優化數控機床控制系統設計是數控機床操作管理的重要工作內容之一。文中首先對數控機床及其控制系統進行了簡要概述，然后重點從數控機床總體系統設計、硬件系統設計、軟件系統設計以及電氣系統設計等四個方面論述了數控機床控制系統設計問題，以期對當前數控機床控制系統設計、規范操作有所參考。

關鍵詞：數控機床;控制系統;設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.065

1 數控機床及其控制系統概述

當前，數控技術已經在IT、醫療、輕功、機電等行業內得到了廣泛的應用，并發揮出了重要的作用。可以說，數控機床的出現與應用有力地促進了機電制造業的快速發展。數控機床是集計算機、機床、自動控制、電機以及傳感檢測等技術與設施于一體的自動化生產設備，是一種以“數字量”作為指令信息的機床。一般而言，數控機床控制系統主要包括輸入裝置、CNC裝置、主軸控制模塊、可編程控制器、位置檢測裝置以及主軸伺服裝置等部分組成，其中，可編程控制器（PLC）是數控機床控制“核心”，數控機床操作、使用等都與PLC有著密切的關系。數控機床實際操作時，必須要根據工作條件、生產要求編制相應的加工操作程序，然后將這些“程序”存儲于磁盤、穿孔帶等介質中，系統軟件或者是邏輯電路通過讀取存儲于介質中的“程序指令”，輸出相應的操作控制指令信息，從而使數控機床按照程序所規定的指令運行，完成生產任務。當然，數控機床的正常工作、運行，不能僅僅依靠PLC，而是需要輸入裝置、CNC裝置、主軸控制模塊、可編程控制器、位置檢測裝置以及主軸伺服裝置等所有模塊都能夠正常運行，銜接緊密，這樣，數控機床才能夠順利地完成“指令”所規定的所有動作，促進企業生產目標的順利實現。

2 數控機床控制系統優化設計分析

數控機床控制系統是數控機床正常運行的必要保障，機床類型不同、型號不同，控制系統的優化設計也有所不同，但是，在控制原理、傳動系統、編程控制以及結構布局方面并沒有太大的差別，實踐中，數控機床控制系統優化設計應該重點做好以下幾個方面的工作：

2.1 數控機床控制系統的總體優化與設計

本文中，對數控機床控制系統優化設計的主要目標是實現對數控機床的精準化、“實時化”控制，以支持數控機床高精度任務、多任務操作需要。一般而言，數控機床數控系統設計主要是為了實現機床運行狀態監測功能、加工控制功能、系統自檢功能以及加工參數交互功能等，其中，加工控制功能是控制系統設計的最基本的功能要求，目的就是實現對數控機床三維刀具、輸入/輸出裝置以及驅動電機的有效控制。由于絕大多數數控機床加工運行過程中，鉆頭、刀具等都處于高速運行狀態，為了滿足控制系統在極短的時間內做出正確的控制決策，實踐中常常采用“嵌入式系統”作為控制系統功能開發平臺，比如，基于RT-Linux的開發平臺由于保留了Linux的所有的核心功能，具有強大的調度、管理功能，能夠實現對數控機床操作任務的實時、精確管理。

2.2 數控機床控制系統硬件結構設計

當前，數控機床控制系統大多為“全閉環”控制模式，“全閉環”控制系統屬于一種典型的開放式控制結構，硬件結構設計需要重點做好以下三點：

（1）數據采集卡配置，采集卡的主要功能是接收前端檢測數字量、采集模擬信號，然后利用系統內的相關程序對這些信息進行分析、處理，比如，信息收集、A/D轉換、觸發控制等等，都屬于數據采集系統設置內容;

（2）伺服裝置配置設計，可以使用“電致伸縮器”來調整工件與支架之間的偏差，以解決切削環節工件軸徑過大而引發的誤差問題;

（3）數控機床運動控制器配置，實踐中，常采用“上位機”與“下位機”聯合控制方式，以滿足機床加工對精度、軌跡控制較高的要求;

（4）硬件電路設計，數控機床中的硬件電路是控制系統正常工作、運行的動力系統，比如，機床驅動、信號指令傳遞等等都需要借助于硬件電路系統才能夠實現，數控機床硬件電路系統設計關鍵的是需要設計好電源電路、存儲器電路、PC通信電路、音頻錄入電路、音頻輸出電路等。總之，數控機床硬件系統（結構）設計需要遵循模塊化、標準化的原則，在滿足系統總體功能需求的前提下，兼顧控制系統軟件設計需求，以降低控制系統設計的成本、提高控制系統運行的可靠性與穩定性。

2.3 數控機床控制系統軟件系統設計

就數控機床的運行控制、運行原理來看，軟件系統是數控機床能夠平穩運行的“核心模塊”，因為，所有的操作指令都需要通過軟件系統的控制才能夠實現，比如，操作指令的譯碼、驅動電機的控制、刀具運行軌跡的控制以及運行狀態信息顯示等等都需要借助于軟件系統才能夠實現。其中，基于PLC基礎上的數控軟件加工處理流程是數控機床控制系統軟件設計的關鍵，比如，刀具加工、工件定位等都屬于加工數據處理流程范疇。實踐證明，數控機床控制軟件系統設計需要以“功能模塊”為核心，做好“上位機”與“下位機”設計，比如，對于操作精確度要求較高的數控機床控制系統設計，可以將整個軟件系統放在SIMO—TIOND環境下運行，這樣，“下位機”就可以直接接收來自各個“功能單元”的數據、信息，在此基礎上將數控機床運行狀態、各個功能模塊指令執行情況監測出來，為控制系統的正常運行奠定堅實的基礎。

2.4 數控機床電氣控制系統設計

電氣控制系統設計也是數控機床控制系統硬件設計的重要內容。實踐中，在進行數控機床電氣控制系統設計時，常常將PLC程序設計為低級程序與高級程序兩個部分，前者主要是用來處理控制系統中普通信息以及比較程式化的控制，后者則主要使用處理系統中緊急信號，目的是對數控機床出現的一些突發事件做出相應的應急處置反映，科學設置參數，確保數控機床安全、穩定運行。

總之，數控機床具有斷刀、換刀、工件夾緊、刀位檢測、通信檢測以及通信連接等多項功能，要促進這些功能目標的實現，就必須要做好數控機床的控制系統設計，這對提高機床的開動率、生產率以及數控機床的穩定運行具有重要的意義。

參考文獻：

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