高可靠性数控机床的设计与实现

韦艳珍

（1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.柳州城市职业学院，广西 柳州 545002）

高可靠性数控机床的设计与实现

韦艳珍1,2

（1.广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004；2.柳州城市职业学院，广西 柳州 545002）

针对数控机床可靠性设计的应用需求，构建一套完整的高可靠性数控机床设计方法和流程，该控制机床机械臂控制系统，适合对固定运动轨迹的机械臂进行控制，其控制过程利用分步式的多处理器协同控制，可靠性高，具有控制精度高、响应速度快的特点。

可靠性；数控；PLC；PID

1 前言

近年来，我国数控系统产业发展迅猛，系统功能多方面取得突破，在国际竞争中低端数控系统市场占有率上升明显,但纵观10年来的发展，高档数控系统市场仍然被日本、欧美等国家控制，在控制精度、速度、加工工艺、数控系统可靠性等方面与国外数控系统相比仍有很大差距。其中，可靠性问题是突出明显，已经成为制约我国高端数控机床发展的关键瓶颈。

数控系统的可靠性是关系到数控系统性能的一个重要指标。目前针对数控系统可靠性的设计研究有很多，然而绝大多数针对数控系统的研究往往是以一些具体的应用目标，或典型的数控系统为研究对象。其所开发设计的数控系统可靠性设计方法和技术往往不具备通用性，也不能够为系统的可靠性设计提供一个完整全面的设计方法和流程。本文针对数控机床可靠性设计的应用需求，构建了一套完整的高可靠性数控机床设计方法和流程。

2 可靠性数控系统设计

高可靠性数控机床设计步骤包括功能分析、功能组合及切分、专用芯片设计、干扰划分、抗干扰设计、布线规划、重新布线以及铺设屏蔽（如图1所示）。本文设计的这种高可靠性数控机床设计方法，涵盖了数控机床可靠性设计的多个环节，能够全面的提高数控机床的可靠性。数控机床的主要组成部分包括CPU模块、位置控制模块、存储模块、PLC模块、接口模块、电源模块、图形显示模块等关键部件。要提高数控机床的可靠性能，在功能设计方面要尽可能多的将多个功能模块融合在一起，将融合到的功能模块描述结果进行切分，形成颗粒度更大的少量几个功能模块单元。合并后的每个功能单元采用专用芯片进行设计，在进行实现时可以先用可编程逻辑器件进行仿真，再用专用芯片完成最终设计。干扰划分为用户针对数控机床各功能模块所实现的功能进行干扰分析及划分，将该数控机床功能模块组成结构中所有可能产生干扰的部分进行划分和提取。布线规划为对各功能模块之间的连线进行布线规划，按照布线规划的详细约束及流程完成布线规划及调整。重新布线功能模块负责完成对各功能模块连线进行重新布线完成布线的具体实施。铺设屏蔽主要包括铺设安装屏蔽外壳，铺设电磁屏蔽网手段实现。

上述所述布线规划具体布线原则和方法分为三步进行：首先对待布线区域的逻辑单元进行分析，将所有的供电线独立出来，采用单独布线的方式完成供电线的布线；其次，分析布线的逻辑单元中的动力线和信号线，将所有的动力线和信号线进行分离，分两个部分进行布线；最后，再对所有的信号线再次进行处理，所有的信号线都按照绞合的方式进行布线。完成信号线的布线之后，对地线进行布线，在布线规划中，地线分为三类信号地、框架地和系统地；其中信号地直接连接 0伏的电压，框架地的布线全部连接在设备的外壳上，系统地通过一个电阻连接在配电盘地线上，其电阻阻值小于 100欧姆，系统地的连接电缆截面大于或等于供电电缆的截面。

图1　高可靠性数控机床设计流程

3 可靠性数控系统的实现

3.1数控机床PLC模块可靠性的实现

PLC具有较强的抗干扰能力和准确的精度，把它应用到数控机床领域有比较明显的优势，它可以大大提高数控机床的操作性和控制性能。下面可以通过 工作环境、数控机床电气改造、控制电路等方面对数控系统PLC的可靠性进行改造与优化。

首先，对 PLC 工作环境进行高要求的控制。数控系统PLC控制部分工作环境温度控制在 0 度到50 度之间，PLC控制器要避免阳光直射，在安装的时候，避免有振动的干扰，尽可能的远离发热物体，保持良好通风条件和散热的空间，环境相对湿度维持在90% 以下，确保PLC 具有良好的绝缘性能。

其次，按照国家电气标准要求，做好数控机床PLC 的接地工作。PLC 控制器的接地分工作接地和安全接地两种。其中，前者主要是PLC控制模块设备本身的外壳的接地连接；后者则是为了确保 PLC 的操作人员的操作安全进行的接地工作。为了保证PLC 能够正常运行，对PLC 设备上极其容易发生触碰的地方以及接地电位连接要严格按要求设计，采用专用接地的方式，采用直径大于6mm导线，小于10 欧姆电阻进行接地线，构建安全、良好的接地系统。

最后，通过软件设计，控制PLC系统的输入模拟量和数字量等信号，设置专门定时器，监控PLC 运行状况，提高输入电路的元器件的可靠性，从而提高PLC 控制系统的工作性能。

3.2基于体系结构的数控系统软件可靠性分配

当前，数控系统高速高精化和智能化已经成为趋势，数控系统的功能越复杂、越强大，软件的设计复杂度也在不断扩大，软件的可靠性就难以得到保证。因此，在设计过程中，我们必须对数控系统各个组成部分进行区别对待。通过引用组件技术方式，对数控系统软件体系进行建模，根据建立的数控系统软件体系结构，在各功能组件间进行可靠性指标调配。具体方法如下：

首先，根据功能特点，认真分析数控系统的硬件与软件的组成结构，重新构建数控系统的体系结构。为了便于可靠性调配，把数控系统软件分即中断型和前后台型两种。中断型数控系统按级别高低不同设置中断程序，数控系统整体由一个大的中断服务程序组成，通过管理每个中断程序完成数控系统整体运行。前后台型数控系统由前台程序和后台程序组成。前台程序具有位置控制、逻辑计算、插补等功能，作为中断程序实现数控系统的实时功能。后台型程序通过循环方式完成系统译码、计算、管理等功能。

其次，通过组件技术，完成数控系统软件体系结构建模。组建具有即插即用、标准化、接口为交互等特点，为软件间进行交换提供标准，能够根据用户需求，利用来自不同厂商的组件搭建自身应用程序，大大减少用户对特定数控系统厂商的依赖性。数控系统软件由彼此独立各个功能模块组成，通过组建方式可以满足数控系统软件各功能间的关联和协作需求。

最后，构建数控系统目标函数，根据实用性要求，对数控系统软件体系结构进行分层，采用AHP 方法各层元素相对权值，通过文化算法求出不同组件的分配值，完成功能组件的可靠度和费用函数的可靠性分配。

3.3基于故障率的数控系统软件可靠性实现

软件是数控车床的主要组成部分，可靠性是软件体系结构的核心。要完成数控车床的软件可靠性设计，必要利用正确的数学算法搜集的软件故障数据，对故障进行分类，以代码的方式表示预处理组件故障和实时处理组件故障，对它们进行进行分析和处理，从而方便预测以后可能发生故障的概率。引进 BP 神经网络算法，构建数控系统软件可靠性预测模型，根据数控车床软件故障的特点，根据预先设计的数控系统软件故障周期，对 BP神经网络进行训练，收集软件故障的分布规律，从而可以找出软件的设计缺陷，为以后的系统优化和更新提供可靠的依据。

4 系统性能分析

本文研究的目的是为数控机床的设计提供一种高可靠性的设计方法，并明确数控这种高可靠性数控机床设计的详细流程，以及每个实现环节中的具体实现方法。本文提出的控制系统相对于传统的控制系统具有以下几个方面优势：

（1）大幅度提高数控机床的可靠性：数控机床可靠性设计流程，涵盖了数控机床可靠性设计的多个环节，能够全面的提高数控机床的可靠性。

（2）提高了数控机床可靠性设计流程的科学性，本设计的数控机床设计方法对数控机床的详细设计和实现流程进行了科学合理的规划，提高了数控机床设计过程中各环节的衔接合理性，进一步提高了数控机床可靠性设计的科学性。

（3）所设计的数控机床可靠性设计方法，宜于操作和实现，尤其是专门设计的布线规划既容易实现，也能够得到较好的可靠性设计效果。

5 总结

可靠性是数控机床固有的特性，它意味着数控系统设计的目标能够满足用户的要求。数控机床的可靠性涉及硬件和软件方面的领域，本文所提出的方案更多的偏重数控系统软件方面。为提高数控系统软件可靠性，文本对PLC模块的进行详细的设计，对软件故障分析技术进行了初步的探讨，尽可能完善软件可靠性设计方法。由于篇幅有限，论文未能对软件可靠性分配、数控系统软件故障定位、核心模块软件故障预测等方面进行深入的研究，无法为软件缺陷、系统潜伏故障的排除提供更为精确的方法和依据。今后，将根据数控机床运行过程中出现的干扰和故障进行及时的分析，在满足用户需求、降低成本同时，还能保证系统的可靠性水平。

[1] 冯玉英.提高数控机床PLC 可靠性的方法[J].质量与安全, 2015,(11):58-59.

[2] 杨志波,林浒,陶耀东.数控装置可靠性预计方法的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011,(1):1-4.

[3] 刘恒.一种高可靠性数控机床设计方法:中国,CN103745045A[P]. 2014-04-23.

[4] 谷岩.数控系统软件可靠性设计与故障分析技术[D].长春:吉林大学,2014.

Design and implementation of high reliability numerical control machine tool

Aiming at the application requirement of reliability design of NC machine tools, a complete set of high reliability numerical control machine tool design method and process is constructed. The control system is suitable for the control of robot arm.

Reliability; numerical control; PLC; PID

TP27

A

1008-1151(2015)09-0079-02

2015-08-12

广西高等教育教学改革工程项目“高职高专数控车床编程与操作分层次教学的研究”（2013JGA397）；广西教育厅课题“高校机电类专业数控实训平台研制”（KY2015LX642）。

韦艳珍（1971－），女，广西柳州人，广西大学在读硕士，从事自动控制领域研究。