基于计算机技术的机床机电一体化数控系统设计

摘要：数控机床能够有效解决精密零件、复杂零件的加工问题，也是较为典型的机电一体化系统数控机床。基于计算机技术的数控机床电气控制系统为数控基础持续发展的结果，在使用PLC数控机床过程中具有多种优势，比如电气控制系统利用工件自动夹紧、机械手自动换刀及断刀检测等能够实现自动化的数控机床。以此，文章就对基于计算机的机床机电一体化数控系统设计进行分析。

关键词：计算机技术;机床机电一体化;数控系统

中图分类号：TG659

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0145-04

机械制造业不仅是我国的基础产业，也是制造业的核心，在世界经济发展过程中发挥着重要作用。数控机床指的是使用数字代码方式的信息，控制刀具根据指定的工作程序、轨迹及运行速度实现自动加工的机床，它具有广泛的适应性，加工对象改变的时候，只需输入程序指令，就能够提高加工性能比，实现复杂型面的精准加工[1]。所以，能够在中小批量、具有较高精准度及改型频繁的工作中使用，并且经济效果良好。伴随现代软件技术、计算机技术及微电子技术的不断发展，数控机床控制系统也越来越多的呈现出多功能化、小型化及完善化，其自诊断功能较为完善，不仅能够提高可靠性，而且能够实现自动编程[2]。未来数控机床类型呈现多样化发展趋势，在切削加工机床中应用机床加工，进而能使多工序集中工艺的范围得到扩大。提高数控机床的自动化程序，还具备多监控系统，以此构成柔性制造单元，方便融人到高度自动化柔性制造系统中[3]。

1 数控机床系统的概述

数控机床主要是通过机械部分、上下位机软件及硬件电路构成的，数控装置属于数控机床本体主要核心部分，数控系统能够将数字控制方式充分展现出来。基于计算机技术的数控机床主要包括两种：第1种，内装PLC为CNC装置，此设计主要目的就是实现数控机床顺序控制;第2种，独立CNC装置的PLC，具有完善的软件及硬件功能，能够有效满足数控机床及其他顺序控制领域。两种对比，第2种更加的通用[4]。

系统开关量的输入输出控制电路与系统中的PLC控制程序之间具有密切关系，系统生产商将标准车床控制梯形图安装在系统中，则实际输入输出电路设计是与标准梯形图结合，连接相应的端子和信号，在设计的时候要注意急停信号链及超程接触信号链，使其成为多元件构成的相关信号，设计外围电路。图l为系统信号的输入输出电路。在对电控柜元件进行布局和安装的过程中，要重视各个元件的安装间距和空间需求。此外，在元件排列过程中分开布置弱电信号及强电信号，强弱电的走势要远离，以此避免干扰。体积较大，重量较重的元件安装的位置要靠近电控柜下部分，从而使重心能够降低[5]。

2 机床机电一体化数控系统的硬件设计

2.1 机械手自动换刀

机械手换刀主要包括两个自由度，其能够使数控机床工作效率得到进一步的提高，其主要原理就是利用电磁阀开关的控制，从而能够伸展机械臂及刀具夹紧功能，以此有效实现机械手收回、伸展、松开及夹紧刀具的动作，实现自动换刀[6]。

2.2 断刀检测

图2为断刀检测结构，其主要核心为一个OC门的光纤传感器，OC门中的三根接人线直接到24V电源中连接，使信号线与24V电阻创建一个电平。刀具在实现加工的过程中会磨损或者断裂，那么为了使加工质量进行保证，就要对刀具的正常进行检测。假如刀具磨损，机床就要实现自动换刀，并且对上位机进行通知。断刀检测是利用光纤传感器实现的[7]。

2.3 硬件控制电路构成

数控机床系统主要包括一个单片机、一个地址锁存器、一个地址译码器、两个存储器、两个接口芯片、功率放大电路、光电电路等构成。使用8031单片机，其主要特点就是具有较高的性能，内部具有八位PROG、128字节的RAM，两个10位定时器，四个八位并行接口，一个全双功能串行口及可扩展外围程序存储器等[8]。图3为单片机的结构。

数控机床根据输入程序指令加工零件，计算机中的指令是通过信号方式所存在，以下就对数控机床电路圖信息流程进行分析：

1）信号收集。此电路信号收集主要指的是BCD拔码盘及计算机键盘。BCD拔码盘和8031中的PA口及PB口相互连接，输入拔码盘中指令相互对应的二进制代码，从而收集信息。在计算机键盘中输入指令助记符，计算机就会以键盘中所输入的字符制作二进制代码信息，之后实现处理、传输等操作[9]。

2）输入信号。在输入信号之后，就能够传输信号。信号传输是利用数据线及地址线实现的，控制线对信号动作进行控制。此电路图利用PI口及PC口相互连接，信号通过低电平方式收集，通过高电平方式传输。因为在某个信息收集之后，那么就会到导通电路，这个时候的PI口相位就会成为高电平，信号就会在PI口传输。

3）处理信号。在单片机中输入指令信号，然后实现信号算法逻辑运算处理，计算机利用Ax实现算术逻辑运算，基于控制器，使处理之后的信号转变成为指令控制计算机，从而对此指令功能进行实现。另外，对外界进行反应，使程序及数据的存储器能够一致[10]。

4）输出信号。在处理信号之后使其输出，信号输出主要包括两方面：信号直接到单片机接口中输入，从而对Z电机及x电机控制做相应动作，以此实现零件加工的目的;信号也能够在地址锁存到允许信号控制中，被输入到相应数据存储器中，方便下次的调用及程序备份[11]。

2.4 MST接口

MST信号的主要特点就是具有较大的信号功率，并且信号控制220V及380V强电开关器件，所以就要严格实现电气隔离措施。图4为强电接口电路。通过8255PB口实现控制信号的输出，先通过光电隔离，通过译码放大之后，利用中间继电器KA实现在此隔离，所以此接口电路的抗干扰能力比较强。8255PB口属于基本输出方式，通过PBO-PB4输出五个信号，利用广电耦合之后送到3-8译码器中，其中PBO-PB2属于译码地址信号，其他为译码器片选信号。SOI-S04指的是和调整电动机相互连接的四种主轴调整信号，T10-T40指的是4种换刀信号。M03-M26指的是八种辅助功能信号，其中的M03主要目的就是将主轴正转启动，M04能够对主轴反转进行控制，M05能够停止主轴。M22-M26指的是用户自用信号，能够对冷却电动机启动/暂停进行控制[12]。

3 机床机电一体化数控系统的模块设计

3.1 主轴单元的设计

主轴单元原本使用的机械式变速系统，将主轴驱动电机更换为变频器控制，进而实现电控无极变速与手动机械变速结合。使用日立SJI00-037变速器实现主轴变速调速，以输入速度指令与运行状态指令，实现相应频率和幅值的交变电流输出，进而对电动机旋转进行控制，利用PLC的输出开关量信号对旋转的方向进行决定。主轴变频器、电动机及控制器连接结构如图5所示。

3.2 驱动装置设置

数控机床执行机构的主要部件是驱动装置，主要包括进给单元、主轴驱动单元和进给电机等。利用点液伺服系统、电气伺服系统，数控装置控制能够有效实现进给和主轴的驱动。当多个进给联动的时候，能够有效实现直线、定位、空间曲线与平面曲线的加工[13]。

3.2.1 进给伺服电机型号

输出扭矩是进给电机负载能力的主要指标，基于连续操作背景下，在转速不断提高的过程中，输出扭矩降低，电机性能越好，那么就会降低减少值。在配置进给轴电机的过程中，为了满足最高切削速度输出扭矩，因此，使用1FT6系列的进给伺服电机。

3.2.2 主轴伺服电机型号

输出功率是主轴电机负载能力主要指标，其额定功率指的是基于恒功率区中运行时候的输出功率，比基本速度N1低的时候，无法满足额定功率的需求，速度越低，那么输出功率就比较小。在数控机床伺服电机与主轴连接过程中，有两种方法可以使主轴低速时候的功率满足需求，第一种方法是采用基本速度较低，而额定功率较高的主轴电机，第二种方法就是采用特种绕组切换式的主轴伺服电机，本文使用IPH7系列作为主轴伺服电机的型号。

使用与840D数控系统相互结合的6IID交流驱动伺服单元替代传统的直流模拟驱动和直流电机，保证各个轴的扭矩与工具，进而避免电机维护。其闭环位置控制系统采用直接安装到工作台的感应同步器及光栅中，使其成为位置检测器件，以此创建成为高精度全闭环位置的控制系统。交流伺服电机为无刷结构，不需要进行维修，体积比较小，能够提高功率与转速。

由于此台设备为改造设备，所以对元件选择的基础要通过与原机床相互结合的方式进行选择，其选择基础为原本机床电机工作参数，主要指的是电机扭矩及工作转速，目前电机要能够和原本机床电机参数基本相同[14]。

4 机床的调试分析

4.1 机械部分的调整

机械部分调整主要指的是机床几何精度及进给传动链，为了使机床的几何精度达到机床验收需求，在机床几何精度调整的过程中需要调整导轨副配合及刮研。其次，为了使机床性能得到有效提高，还要适当调整进给传动部件，从而能够使电气参数调试配合。机械传动部件影响伺服系统性能的主要因素包括间隙、刚度及摩擦等。

4.2 伺服系统调试

在调整机械及参数之后，使轴能够在手轮、JOG及MDI方式中独对轴运行速度得以改善，对轴运行的状态进行观察，有时候个别的轴会出现不正常运行的状况，这时如果要排除硬件故障，就要对其进行优化。优化方法主要包括自动优化及手工优化，以下为轴在试运行过程中的具体步骤与自动优化方法。轴试运行的流程如图6。

轴自动化优化的主要步骤包括：

其一，进入到主菜单中;

其二，stare-up;

其三，drives/servo;

其四，扩展键“>”;

其五，Auto.ctrl setting;

其六，对轴进行选擇，并且对优化位置上下限进行确定;

其七，垂直菜单，start;

其八，按下MCP中的“NC-start键”;

其六，按下Yes确认，对优化结果进行存储[15]。

5 结语

在实现数控机床升级改造的过程中，在设置机床各参数之后，首先要实现坐标轴、机床主轴各部分的功能测试，之后实现机电整机联调和加工精度检测。通过实际加工情况分析，改造基于计算机技术的数控机床功能较为丰富，并且性能可靠，操作较为方便简单，能够提高加工精度和效率，满足广泛加工需求，还能够降低成本。

参考文献

[1]许晓东，雷福祥，王伟，等，基于PLC的数控机床电气控制系统研究[J].农业科技与装备，2016，21（10）：26-28.

[2]洪超，吴萍，一种数控实验教学平台的开发和运用[J].智能制造，2016，15 （ZI）：62-65.

[3]丁国栋.机电一体化数控技术在煤矿机电机械中的应用分析[J].山西能源学院学报，2017，30（01）：31-33.

[4]李增松，邓景泉，王波，等，传统机床控制系统的数控化改造研究[J].呼伦贝尔学院学报，2018，（04）：93-98.

[5]许晓东，雷福祥，王伟，等，基于PLC的数控机床电气控制系统研究[J]农业科技与装备，2016，（10）：26-28+31.

[6]杨保香，基于PLC技术的电气控制系统优化设计探讨[J].自动化与仪器仪表，2017，（9）：3—6.

作者简介：王凯（1978-）男，硕士学位，副教授，主要研究方向：机电一体化技术、液压与气动技术、数控技术。

基金项目：西安航空职业技术学院2018年教学改革项目18XHJGOII《以学生为中心提升课堂教学效果的研究与实践一以西航职院机械CAD/CAMi果程为例》的研究成果。