数控机床电气控制系统设计

2021-09-10宋文涛

科技研究 2021年12期

摘要：作为有着程序控制系统的新型机床，数控机床的核心部位就是其控制系统，后者可以对代码及其它符号规定程序进行有效的处理，且其组成部分又主要有：抗干扰电路、步进电机驱动电路、光电隔离电路、双极H桥放大电路、A/D转换电路、D/A转换电路和X-Y工作台等，它们起到了重要的硬件平台的作用。

关键词：数控车床 X-Y 工作台半闭环控制

1.绪论

数控机床就是采用数控技术来对机床进行控制，而数控技术所指的就是通过数字信息来对机械加工及其运动进行控制的方法。為达到上述目标而采用的软硬件就是数控系统，必须有相应的硬件和软件。

2.控制系统总体方案

2.1 机械系统主要组成部分

（1）床身：包括床身、导轨、主轴箱、冷却电机等主要零件，选用洛阳机床公司的CJK0620数控机床零件。

（2）电机选择：选择交流异步电机和交流伺服电机;

（3）无级变速。通过数字变频器来有效地控制交流电机中的无级变速器。

（4）刀架：选择自动旋转四边形刀架组件;

（5）进给系统：通过步进电机来对纵向及横向进给进行驱动，从而达到半闭环控制与插补操作等的目的。

2.2 控制系统总体方案

（1）CPU采用AT89C51芯片。由于AT89C51的I/O口不能满足输入/输出的要求，采用了具有64K扩展容量的程序存储器27512和8K数据存储器6264。

（2）采用TLP521芯片进行光电隔离，在电气隔离和抗干扰方面起到很好的作用，同时以光为介质间接耦合CPU模块的输入端和输出端。

（3）采用ADC 0809来实现A/D转换过程，将模拟电压输出以控制变频器，转换模拟电压而得到相应的数字形式并且向单片机进行输入以实现处理，然后对三相交流异步电动机进行控制。

（4）键盘和显示控制基于8279芯片。而控制面板则具有手动、返回、定刀、搜索、复位、自动、空操作、删除、换刀以及编辑等一系列的功能，线扫描信号SL0-SL2由来自74LS138解码器的七个信号和反馈线的RL0-RL5组成。

3.机械系统选型

3.1 主传动系统

数控车床主轴有三种可选配置：

（1）数字主轴，可以实现了主轴的精确定位和C轴的功能，选择主轴驱动单元和主轴伺服电机，但是它的成本相对较高，需要配置主轴编码器。

（2）三速或四速电机驱动车床主轴，价格便宜，只能步进。

（3）变频器+交流电动机：变频器已经发展得较为成熟，从而达到主轴转速的电控目标，和第1类方案相比，具有显著的成本优势。

3.2 主轴脉冲发生器的安装

主轴脉冲发生器又称光电编码器，通常有两种安装方式：同轴安装和离轴安装。为了在数控车床上加工螺纹，它与车床主轴同步旋转，以主轴脉冲发生器来用作反馈其位置信号的基本元件，从而对横向/纵向步进电机的运行进行控制。

3.3 自动回转刀架

车床技术水平可通过刀架性能及其所采用的结构形式来体现，对于所有的数控车床而言，其换刀过程应该精准且快速，从而实现刀具的高效率夹持。在车床中，数控车床刀架发挥了不可或缺的作用，因此有以下要求：

（1）夹紧刚度高，适合重载切削;

（2）选择附近最短路径，换位时间短。

（3）换位准确可靠，工作稳定安全。

（4）防水、防碎、密封性能优异;

（5）重复定位精度高。

4.控制系统电路设计

4.1 X-Y 工作台的设计

4.1.1 控制系统设计

因为数控设备通常会采用8位单片机，所以AT89C51单片机应用广泛，与CPU外部中断INT0连接，扩展程序存储器主要用于EPROM。由于CPU本身的资源不能满足需要，因此选用64K扩展能力为27512，需要扩展内存和I/O端口。74LS373输入端口连接到P0端口之上，而输出端口则连接到27512A0端口至A7端口之上。

4.1.2 光电隔离及四倍频电路

光电隔离是通过光电耦合器实现的。它是一种通过光介质传输信号的装置，在安全性方面也起到了很好的作用。

4.2 D/A、A/D 转换电路设计

单片机处理所得相关结果的输出所用形式为数字量，因此必须将数字信号转换成模拟信号来控制和驱动执行机构。在系统控制的外围设备中，被控对象的执行机构用于完成该转换的装置称为数模转换器（DAC），大多不能直接接受数字信号，以进行有效的控制。

4.3 模块电源设计

在控制系统设计中，当D/A、A/D转换时，需要采用了低功耗集成稳压电源。这些电源是直流的，需要调节，通常使用集成调节器来发电。当使用光电隔离技术时，为了对CPU芯片进行控制，则需具有稳定电压的直流电源，使转换电路获得十分精准的参考电压，同时将独立电源提供给隔离电路。

4.4 开关量输入、输出通道设计

光电耦合器是一种通过光介质传输信号的电子设备，对于开关量输出及输入通道而言，需要应用到隔离技术，以避免止外围设备干扰到测控系统，其中用得最多的就是光电隔离技术。该技术主要利用了光电耦合器来达到所需的目标。

结论

目前，在我国经济领域中制造业占比逐步增加，发展及应用新型的数控机床控制系统将会促进生产成本的降低以及产品质量的显著提升。基于这一背景，本文结合目前对于数控车床需求，对控制系统的硬软件进行设计，经过试验发现基本达到了预期目标，可以实现数控车床的基本功能，所设计的数控车床控制系统可以运行。

参考文献

[1]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001.