基于PC的数控机床全闭环控制系统设计

张自谦

摘要 随着科学技术水平的不断提高，现代制造业的发展越来越快速，数控机床得到了普遍运用，并且对数控机床的定位精度与重复定位精度提出了更高的要求。构建一个实时控制、在线检测的数控机床全闭环控制系统，可以有效反馈数控系统的检测信号，实现实时切削加工参数调整，进而提高加工零件精度。本文在分析数控机床全闭环控制系统提出的基础上，阐述全闭环控制系统硬件与软件的设计，进一步强化数控机床的控制系统。

关键词：PC；数控机床；全闭环控制系统；设计

现阶段，提高数控机床加工精度的有效手段就是采用全闭环控制系统。全闭环主要就是在机床运动部件上进行采样点数据的直接讀取，对采样运动部件的位置进行实时检测，进而减小或者消除传动与放大环节的间隙与误差，提高控制精度。为此，在设计数控机床控制系统的时候，一定要在PC基础上，运用全闭环概念，促进数控机床的广泛应用。

1.提出数控机床全闭环控制系统

1.1 传统控制系统的缺陷

数控机床传统控制系统就是半闭环控制系统，通过反馈采样运动部件的速度与位置完成伺服控制，在具体加工过程中，数控机床控制系统中出现的加工数值就是数控机床本身运动精度，无法对零件的适时精度进行反映。尽管加工过程实现了自动化操作，但是加工精度缺乏自适应控制，所以，需要对此进行改进。

1.2 全闭环控制系统

数控机床的自适应控制就是全闭环伺服控制，其事实上就是在实际加工变量实时控制与在线检测的基础上，对切削速度、进给量等加工参数进行有效调整。如此一来，不仅可以降低数控机床状态变化与外界因素对加工过程的影响，还可以对加工过程进行优化，实现了加工产品质量与生产效率的提高，值得在数控机床中推广应用。采用全闭环控制系统的数控机床加工流程为：安装工件-按下启动按钮-定位支架、刀具-开始加工-刀具磨损、振动、轴精度确定及在线检测-检测信号的采集与调整-检测信号的接收与传输-上位机分析与判定，如果上位机判定为合格，才可以继续加工，直到完成；如果上位机判定为不合格，需要返回到刀具磨损、振动、轴精度确定及在线检测环节，重新加工，直到合格为止。

2.数控机床全闭环控制系统设计

2.1 硬件设计

数控机床全闭环控制系统是一种开放式的结构，其主要就是用户在Windows平台上自行研发的，通过插入控制板进行软件程度编写，达成了用户定制的核心功能，能够对数控系统进行有效控制，并且可以实现CNC系统的可靠性与稳定性。数控机床全闭环控制系统硬件主要包括以下三点。

2.1.1 伺服机构

在全闭环控制系统中，数控随动支架的作用就是限位，防止细长轴发生弯曲变形，针对支架自身而言，其不会对细长轴施加额外的力，进而也就无法对刀具施加在细长轴的力进行抵消。为了确保切削加工中，在工件轴径超出误差范围之后，能够借助数控随动支架调整细长轴的横向位置，可以选择电致伸缩器。在数控系统中应用电致伸缩器，可以确保数控随动支架和工件之间存在微小偏差，为工件加工的顺利完成提供了可靠保障。

2.1.2 数据采集卡

数据采集卡的作用主要就是对模拟信号予以数字采样与组合，或对前端检测环节的数字量进行直接接收，同时将这些信息传输到计算机内存上，利用相应的程序对其展开后期的分析与处理。在此过程中主要包括信号采集与调理、A/D转换、PCI接口通信、触发控制。

2.1.3 运动控制器

针对运动控制器而言，主要选用上位机与下位机联合控制的形式，因为此控制系统对加工精度检测与实时轨迹跟踪的要求非常高，为此，将PC机定为上位机，将MCT80004F4型运动控制器定为下位机，在PC机中嵌入运动控制器，并且对相关信息进行分析与处理。为了确保数据传输的快速、稳定、安全，可以借助ISA工业标准总线进行上位机与下位机的连接。MCT80004F4型运动控制器的运行原理如图1所示。

在此系统中，DAC2输出端子主要就是对控制主轴电机转速进行控制，而DO12、DO13主要就是对变频器的输出电压进行控制，也就是对主轴正反转向进行控制。如果DO12处在接通状态，就表示变频器输出的是正电压，为正转；如果DO13处在接通状态，就表示变频器输出的是负电压，为反转。

电致伸缩器主要就是在电场作用下，通过压电晶体产生的电致伸缩效应，也就是说，在外界电场的作用下，电介质利用感应极化作用产生的应变。此系统中，电致伸缩器与驱动器PD-Ⅲ主要就是WTDS-IC型电致伸缩器与PD-Ⅲ型驱动电源。PD-Ⅲ型驱动电源的技术指标主要包括：电压范围在0-300V之间，分辨率为12位D/A，响应频率大于500Hz，电压漂移小于1×10-4V/8h，控制方式为手动控制或者程序控制。

2.2 软件设计

在数控机床全闭环控制系统软件设计中，主要包括两个部分：上位机软件、下位机软件，在此过程中，需要用户对底层下位机程序进行编制。针对PC机而言，其主要就是对非实时控制信息进行分析与处理，而一些实时控制功能是由运动控制器予以实现的。实时控制软件的设计，主要就是采集数据、处理数据、图形模拟、输出指令、控制操作等，为整个系统的正常运行提供可靠保障。

3.结束语

总而言之，随着社会经济的不断发展，数控机床在各个领域中的应用越来越广泛，在科学技术快速进步的形势下，对数控机床的应用标准要求越来越高，为此，提出了实时控制与在线检测的全闭环控制系统，在很大程度上提高了切削精度与加工效率。同时，通过全闭环控制系统的设计，促进数控机床自动化、数字化的全面提升，实现加工精度的全闭环控制，促进数控机床的进一步完善。

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