浅谈数控机床系统的总体设计原则

浅谈数控机床系统的总体设计原则

摘要：数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展，它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。在机床的实际设计和生产过程中，为了提高数控机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就显得尤为重要。本文就控技术系统的总体设计原则进行论述。

关键词：数控机床系统设计

一、数控机床机电一体化技术简介

数控机床机电一体化技术的基本概念是指将机械学、电子学、信息处理和控制及专用软件等当代各种新技术进行综合集成的一种群体技术。机电一体化系统主要有五个组成部分：动力、机构、执行器、计算机和传感器，组成一个功能完善的柔性自动化系统，其中计算机、传感器和计算机软件是机电一体化技术的重要组成要素。机电一体化系统具有结构简单、功能多、效率高、精度高、能耗低的特点，与传统的机械产品比较，机电一体化产品至少有以下三个优点：

1、原有的机构产品中增加信息处理装置及相应软件，来替代原有产品的部分机械控制机构，不仅提高了自动化程度，而且能大大提高产品质量，同时也降低了生产成本，提高经济效益。

2以机电一体化技术为主的新型产品，与原机械产品相比，不仅结构简单，而且功能更加丰富，精度也得到提高。

3、将电子技术、传感器技术、控制技术与机械技术各自的优势结合起来，形成综合性优势，可开发出具有多种功能、智能化的高新技术产品。

二、数控机床总体设计原则概述

一个较完善的机电一体化系统，包括以下几个要素：机械本体、能源部分、测试传感部分、驱动装置、控制及信息处理单元，各要素之间通过接口相联系。下面我们进行具体论述：

1、机械部分：机械部分设计与分析将根据机械设计原理提出几种机械设计方案，并对这些方案进行比较选择，阐明设计方案选择的理由以及所采用方案的特点；同时，就设计过程阐述，本人对有关设计进行表述：

本设计是一个主要用于教学实验用的数控铣床系统，是要对零件进行铣削加工的。我们要论证教学实验用的数控铣床系统的总体方案，就需要对该系统有一个整体的了解。要进行总体方案论证，先要熟悉设计参数，我们才能以此为依据

进行取舍。下面就是我这次设计的参数：实验用的数控铣床系统，其工作参数如下：机床尺寸（宽×长×高）：760×1475×1400（㎜×㎜×㎜）；最大加工范围（X×Y×Z）：400×300×150（㎜×㎜×㎜）；主轴电机功率：60（W）；主轴转速：3000（r/min）平；工作台尺寸160×160（㎜×㎜）；空间加工范围170×160（㎜×㎜）；工作台最大承重s50（㎏）；工作速度：0～5（m/min）快速移动速度8m/min；数控机床的结构形式有很多，通过对其主要的结构形式的分析，大体上最常见的可分为如下两类：

首先是工件沿X坐标方向移动的类型，这类机床主要采用的是龙门式结构，其工作的原理为：工作台沿X方向移动。而Y坐标则为打印头在由双立柱及横梁构成的龙门上的运动，既可用于二、三坐标作平面铣削，又可以扩展为四坐标机床用于切割管件和型材，还能构成五坐标机床加工空间曲面。这类机床的规格尺寸较大。另外工件沿X坐标方向移动式结构还有两种悬臂式的结构，一者是为工作台沿X坐标方向移动，另一者为工件及夹具同时沿X坐标方向移动，其规格尺寸都比龙门式的要小。

其次是工件沿X、Y二坐标方向移动的类型这类机床多为单纯用于切割的二、三坐标机床，其切割头悬臂伸出，在水平面内并无移动；而工件则可以沿X、Y两个方向运动，这类机床的结构比较简单，规格尺寸也较小，最大2000x1500（mm×mm）。工件沿二坐标方向移动的类型又可分为十字工作台式和工件与夹具移动式两种；前者工件与工作台连动，规格更小些；后者规格尺寸稍大，工作台固定不动，而工件则由夹具夹持着移动，大多是与自动冲裁技术结合在一起成为可完成切割铣削，冲裁等多种加工功能的多功能机床。

2、电气控制系统方案：要实现对机电一体化的数控机床的有效控制，这样的电气控制系统有多种方案可以选择。其中最主要的是采用：采用单片机的控制系统；采用集成DSP芯片的控制板与PC机相联系的控制系统；采用PLC与PC 机相联系的控制系统。各控制系统方案的特点与比较：

采用单片机的控制系统所谓的单片机即是一块集成了CPU、RAM＼ROM （EPROM或EEPROM）、定时/计数器、时钟、多种功能的串行和并行I/O口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的单片机还集成有A/D、D/A，如Intel公司的8098系列。概括起来说，单片机具有如下特点：可靠性好：芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令，常数，表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道都在一个芯片内部，故可靠性高。易于扩展：片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。控制功能强：为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有丰富的条件分支、I/O口的逻辑操作以及位处理指令。

而采用PC与PLC相联系的控制系统可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），则是以微处理器为核心的工业控制装置。它是计算机家族中的一员，是为了工业控制应用而设计的，主要用于代替继电器实现逻辑控制。这种控制装置将传统的继电器控制系统与计算机技术结合

在一起，具有高可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，而且随着技术的发展，它的功能早已大大超出了逻辑控制的范围，因此近年来在工业自动控制，机电一体化，改造传统产业方面得到广泛地应用。虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU，存储器，输入输出设备（I/O）和其他的可选部件组成。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务。自整定，预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统I/O使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。

参考文献：

[1]黄娟一种数控机床电气设计技巧《现代制造工程》2010 第11期

[2]李铁军张淑敏PLC在数控机床电气控制方面的应用《机械工程师》2005 第9期