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如何构建一台数控机床的控制系统?

如何构建一台数控机床的控制系统?

 

我们知道,机床的基本功能是去除多余材料,形成需要的轮廓。普通机床通过人工控制形状,并采用少量的电气驱动。如,普车上工件的旋转由一台马达驱动,而工件形状由人工手摇控制。

 

1 人工与数控的类比

数控机床则是把以上人工控制过程精密化、自动化、柔性化的设备。从控制系统的角度讲,人是最高级的自动控制系统,完整的人包括头脑、四肢、五官、躯干,分别对应电气控制系统中的计算机、驱动电机、传感器、机床本体。

 

人的控制器是大脑,那么机床的控制器可以采用电脑(计算机),计算机比人的计算速度、计算精度强多了。人工执行装置是四肢,机床上就采用伺服电机,不但转动精确,而且功率大。加工过程中,人的眼睛不可以离开工件,还要不断用卡尺测量,数控机床上就采用电子尺测量实际位置,反馈给计算机加以调整。

 

“数控”二字代表了对于进给运动精密化的数字控制,Numerical Control,数字的计算今天都由微机完成,因此,数控的常见缩写是CNC,即Computerized Numerical Control。

 

为了保证数控机床连续高精度全自动加工,除了进给运动和主运动得到控制外,还有很多辅助功能要配套上,比如,自动冷却、润滑、排屑、换刀、上下料等等。

 

2 数控系统组件

由此,数控机床的控制系统(简称数控系统)就需要以下组件:

① 数控程序:零件加工程序,G(准备功能)、F(进给功能)、S(主轴功能)、M(辅助功能)、T(刀具功能)等代码组成。

 

② 输入/输出装置:显示器(LCD)和键盘(MDI)存储卡、USB接口等。

 

③ 一台计算机:处理数控程序中的各种代码,输出运动指令,称为CNC装置

 

④ 伺服驱动装置:给各进给轴电机提供专用电源,使各轴按CNC发出的指令运动,称为伺服放大器

 

⑤ 主轴驱动装置:给主轴电机提供专用电源,使主轴按指令速度旋转,称为主轴放大器

 

⑥ 若干驱动电机:给各坐标轴主轴提供动力,称为伺服电机及主轴电机。

 

⑦ PLC及接口:处理辅助功能,通常内置在CNC装置中,称为PMC,与机床的接口称为I/O单元。

 

⑧ 若干位置传感器:检测机床坐标轴及主轴的实际位置和速度,使CNC装置确认指令已完成,一般有编码器和直线尺两种。

 

这样我们构建的数控机床控制系统如图1所示,完成三类动作的控制:

  • G、F功能 →对应第Ⅰ类动作
  • S功能 →对应第Ⅱ类动作
  • M、T功能 →对应第Ⅲ类动作

如何构建一台数控机床的控制系统?

图1 数控机床控制系统构建示意图

 

以上说的都是系统的硬件,实际上,上述工作是由CNC装置内硬件和软件协调配合,使整个系统有条不紊进行的,运算及控制逻辑等大部分NC功能均由软件处理。

 

3 数控机床工作过程

所以,数控机床的工作过程是这样的:

 

要用数控机床进行加工,首先必须将工件的几何数据和工艺数据按规定的代码和格式编制成数控加工程序;

然后用适当的方法将加工程序输入CNC装置;

接着CNC装置对输入的加工程序进行数据处理,输出各种信息和指令,控制机床各部分按规定有序地动作。这些信息和指令最基本的包括:各坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量、各状态控制的I/O信号等;

接着伺服驱动装置将进给位移量等微弱指令信号转换成机床移动部件的进给运动;

同时,位置反馈系统将机械运动的实际位移信息反馈至数控系统,以保证位置控制的精度。

总之,数控机床的运行是在数控系统的控制下,处于不断地计算、输出、反馈等控制过程中,从而保证刀具和工件之间相对位置的准确性。

 

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(文/汤彩萍)

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