現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車的需求量很大，特別是我國(guó)現(xiàn)階段汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，使得我國(guó)汽車生產(chǎn)企業(yè)中的員王的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，特別在車身裝配焊接這部分工序，員工的手動(dòng)焊接往往不能很好的保證焊接質(zhì)量，降低了汽車的整車性能。所以急需有一套數(shù)控焊接設(shè)備以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)焊接方式。本數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于中國(guó)汽車制造企業(yè)的要求，改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高企業(yè)的生產(chǎn)率，同時(shí)對(duì)提高車身焊接質(zhì)量，提高汽車的整車性能有著重大意義。為我國(guó)汽車產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上參與汽車生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

　　1)首先對(duì)數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，確定總體技術(shù)方案，確定出系統(tǒng)框圖。然后對(duì)各框圖進(jìn)行功能分析。對(duì)系統(tǒng)中3個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)。

　　2)步進(jìn)電機(jī)的選擇，原理是利用力學(xué)公式，計(jì)算出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩、換算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、折算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，要求選擇的步進(jìn)電機(jī)中相應(yīng)的各參數(shù)滿足上述計(jì)算結(jié)果。

　　3)根據(jù)控制對(duì)象確定輸入和輸出接口點(diǎn)數(shù)，且與機(jī)床和CNC的信號(hào)交換的PLC地址類型，選擇適合的PLC且設(shè)計(jì)出與CNC相配套的PLC程序，與CNC配合控制數(shù)控焊接機(jī)工作。

　　4)設(shè)計(jì)出一套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，對(duì)CNC發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行相序分配和功率放大，控制步迸電機(jī)各相繞組的通斷電，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制。

2 總體技術(shù)方案

　　本數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用組裝方法，CNC采用大板結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要選用各種功能模塊，如PLC模塊，MDI模塊，手搖脈沖發(fā)生器模塊，各軸速度位置控制模塊等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)要求自行設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)床中的控制對(duì)像，選用合適的PLC，然后結(jié)合選用的其它設(shè)備的規(guī)格，根據(jù)數(shù)控焊接機(jī)所應(yīng)具有的功能，設(shè)計(jì)出PLC程序。

　　此數(shù)控系統(tǒng)是應(yīng)三軸二聯(lián)動(dòng)數(shù)控焊接機(jī)要求而設(shè)計(jì)的。其應(yīng)具備以下功能：根據(jù)工件上的焊接位置，設(shè)計(jì)出相應(yīng)程序并由手動(dòng)輸入，經(jīng)由位置速度控制器處理，產(chǎn)生出控制脈沖，CNC發(fā)出的信號(hào)脈沖經(jīng)由自行設(shè)計(jì)的環(huán)型脈沖分配器分配，再進(jìn)行功率放大，控制列曲方向和腳方向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)x方向和1，方向的聯(lián)動(dòng)，使得焊接頭在x軸方向和y方向定位。之后再由CNC發(fā)出控制z軸方向的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)信號(hào)，控制Z軸方向步進(jìn)電機(jī)工作。利用上位機(jī)(IPC)控制焊接頭與工件之間的壓力，通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接機(jī)開(kāi)始焊接的控制。此次設(shè)計(jì)方案為：最上層采用工業(yè)PC機(jī)，下層是PLC與三軸速度位置控制器。其中PLC主要用于開(kāi)關(guān)量和少量連續(xù)量的信號(hào)處理及由CNC傳到PLC的信息處理。速度位置控制器對(duì)3個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)行控制，實(shí)現(xiàn)x軸方向和y軸方向的聯(lián)動(dòng)，z軸方向獨(dú)自運(yùn)動(dòng)。最終構(gòu)成3坐標(biāo)位置和速度的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)框圖如圖1。

　　此數(shù)控系統(tǒng)要求具有以下功能：

　　1)要求數(shù)控系統(tǒng)的有多種工作方式。如存儲(chǔ)器編輯，自動(dòng)運(yùn)行方式，手輪／步進(jìn)進(jìn)給，手動(dòng)連續(xù)進(jìn)給，手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入，手動(dòng)返回參考點(diǎn)等功能。

　　2)要求有急停功能。在發(fā)生突發(fā)事件，如各軸向的行程越界，可立即停止程序運(yùn)行；

　　3)對(duì)各種工作方式下應(yīng)有相應(yīng)的指示燈顯示。如自動(dòng)運(yùn)行指示燈、報(bào)警指示燈等。

　　程序載體是用于記錄數(shù)控程序的物理介質(zhì)，通過(guò)輸入接口將載體中的數(shù)控程序輸入數(shù)控系統(tǒng)中。數(shù)控微機(jī)系統(tǒng)用來(lái)接受并處理由程序載體輸入的加工程序，依次將其轉(zhuǎn)換成使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作的脈沖信號(hào)。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，由伺服放大器(包括伺服控制電路和功率放大電路)和伺服電動(dòng)機(jī)等組成。為機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。

　　反饋系統(tǒng)用于檢測(cè)機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。位置參數(shù)，環(huán)境參數(shù)(溫度，振動(dòng)，電源電壓，導(dǎo)軌坐標(biāo)，切削力等)，并將其變成控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能接受的數(shù)字信號(hào)以構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用開(kāi)環(huán)控制?？紤]到此數(shù)控系統(tǒng)控制對(duì)象為焊接機(jī)，故對(duì)其精度要求不高，在此采用半閉環(huán)控制方法。

3 數(shù)控機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)工作要求，現(xiàn)采用以下傳動(dòng)方案：1)縱向采用絲杠傳動(dòng)，結(jié)合主輔導(dǎo)軌使滑臺(tái)在縱向沿導(dǎo)軌移動(dòng)；2)在縱向滑臺(tái)上安裝橫向?qū)к?，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的作用下，使滑臺(tái)在橫向?qū)к壣弦苿?dòng)；3)最后在橫向滑臺(tái)上安裝豎向?qū)к?，并在橫向滑臺(tái)上安裝步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)螺母絲杠帶動(dòng)焊接頭作豎直方向的運(yùn)動(dòng)。均采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)，而絲杠帶動(dòng)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，其機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用及其驅(qū)動(dòng)

　　選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效、轉(zhuǎn)慣量，然后分別計(jì)算出各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)，運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

現(xiàn)設(shè)定數(shù)控焊接機(jī)各絲杠螺距為12 mm，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角β=0.60°。為了便于編程和保證工作時(shí)的精度，要求各方向的步進(jìn)當(dāng)量為0.01mm。

　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和絲杠聯(lián)接有2種方式：直接式和齒輪聯(lián)形式，在步進(jìn)電機(jī)步距角盧，步進(jìn)脈沖當(dāng)量

5及絲杠螺距L確定后，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和絲杠聯(lián)接傳

　　動(dòng)比不一定正好為1：1關(guān)系，這時(shí)應(yīng)采用增加一對(duì)齒輪的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)和絲杠的連接。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性不僅與電動(dòng)機(jī)本身和負(fù)載有關(guān)，而且與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源關(guān)系十分密切。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分。在此對(duì)這兩部進(jìn)行自行設(shè)計(jì)，用來(lái)滿足此套數(shù)控系統(tǒng)中步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要。

　　環(huán)形脈沖分配器用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電運(yùn)行方式，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式處理，控制各相繞組的通電斷電。環(huán)形分配器的功能可用硬件或軟件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別稱為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)行分配器。目前市場(chǎng)上有許多專用的集成電路環(huán)行脈沖分配器出售，集成度高，可靠性好，有的具有可編程功能。

　　軟件環(huán)形脈沖分配器對(duì)于不同種類，相數(shù)和分配方式的步進(jìn)電機(jī)有不同的種類。用軟件環(huán)行分配器只需編制不同的環(huán)行分配程序，將其存入數(shù)控裝置的EPROM中即可。用軟件環(huán)形分配器可以使線路簡(jiǎn)化，成本下降，并可靈活地改變。其設(shè)計(jì)方法有多種，如查表法，比較法，移位寄存器法等。最常用的是查表法。

　　現(xiàn)結(jié)合實(shí)際情況，采用自行設(shè)計(jì)一套硬件環(huán)行分配器，對(duì)此數(shù)控系統(tǒng)中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)施脈沖分配。此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為三相繞組式，現(xiàn)環(huán)形分配器設(shè)計(jì)成為三相六拍正反轉(zhuǎn)式，由JK觸發(fā)器構(gòu)成的硬件環(huán)形分配。

5 PLC在此數(shù)控系統(tǒng)中的作用

　　PLC程序用來(lái)控制機(jī)床的順序動(dòng)作，是一種順序程序。順序程序是指對(duì)機(jī)床及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行邏輯控制。數(shù)控機(jī)床PLC程序完成以下功能。

　　1)編譯功能。編譯接口信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作。

　　對(duì)機(jī)床控制面板的各個(gè)按鍵，旋鈕的輸入信號(hào)進(jìn)行編譯處理，以控制數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)輔助功能指令(M，s，T功能信號(hào))譯碼，對(duì)輔助功能的接口信號(hào)進(jìn)行譯碼處理，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制指令，通過(guò)這些控制指令與其他狀態(tài)經(jīng)邏輯運(yùn)算后，控制機(jī)床的運(yùn)行。

　　2)對(duì)其它外圍設(shè)備的控制，如對(duì)各種指示燈的控制，報(bào)警系統(tǒng)控制等。在此套數(shù)控系統(tǒng)中，PLC輸入信號(hào)有2類來(lái)源。

　?、賮?lái)自控制面板開(kāi)頭量信號(hào)和機(jī)床側(cè)行程開(kāi)關(guān)等發(fā)出的信號(hào)；②來(lái)自CNC側(cè)發(fā)出的(M，S，T)輔助功能控制信號(hào)。

　　PLC輸出信號(hào)也有2種：1)輸出到機(jī)床側(cè)，控制機(jī)床運(yùn)行的指令信號(hào)。如各種指示燈的輸出控制信號(hào)，焊接頭焊接開(kāi)始的控制信號(hào)，控制電路中各繼電器接通和斷開(kāi)等的輸出信號(hào)等等；2)反饋到CNC側(cè)的控制信號(hào)。如行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作的報(bào)警信號(hào)，急停信號(hào)，CNC工作方式選擇信號(hào)等。

　　PLC在此數(shù)控系統(tǒng)中，即要對(duì)機(jī)床側(cè)進(jìn)行輸入輸出控制，同時(shí)又要與CNC進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，所以要求PLC具有特殊的I／O接口電路，故在此選用數(shù)控機(jī)床專用PLC，即PMC(Programmable machine controller)，專門用于控制數(shù)控機(jī)床的

　　PLC，其功能和編程方法及運(yùn)行方式與普通PLC相同。結(jié)合當(dāng)前PMC生產(chǎn)廠家及PMC的性能價(jià)格比，現(xiàn)采用日本FANUC生產(chǎn)的PMC;SA3型PMC，此PMC為內(nèi)裝型，以PMC插板形式安插在大板上，從屬于CNC。此PMC沒(méi)有自己的I／O接口，而是利用CNC的接口與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳輸。

6 結(jié)語(yǔ)

　　數(shù)控系統(tǒng)在現(xiàn)代化先進(jìn)制造技術(shù)中的地位已日趨重要。機(jī)床行業(yè)的計(jì)算機(jī)數(shù)控化已成為制造技術(shù)進(jìn)步的大趨勢(shì)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的結(jié)果，可知企業(yè)完全可以根據(jù)自身特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適合自己的數(shù)控設(shè)備，采用主板結(jié)構(gòu)，選擇各種插卡模塊，通過(guò)市場(chǎng)采購(gòu)專用設(shè)備，如PMC卡、軸位置速度控制卡，MDI卡，步進(jìn)電機(jī)、工業(yè)控制機(jī)等，根據(jù)機(jī)床要求設(shè)置特定功能，通過(guò)自己開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的控制程序。這樣可使企業(yè)的數(shù)控化程度加快，使數(shù)控技術(shù)在我國(guó)得到很好的普及。