現(xiàn)代社會對汽車的需求量很大，特別是我國現(xiàn)階段汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，使得我國汽車生產(chǎn)企業(yè)中的員王的勞動強度很大，特別在車身裝配焊接這部分工序，員工的手動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)的手動焊接方式。本數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計是基于中國汽車制造企業(yè)的要求，改善工人勞動強度，提高企業(yè)的生產(chǎn)率，同時對提高車身焊接質(zhì)量，提高汽車的整車性能有著重大意義。為我國汽車產(chǎn)品在國際市場上參與汽車生產(chǎn)強國產(chǎn)品競爭打下了良好的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計的主要內(nèi)容

　　1)首先對數(shù)控系統(tǒng)功能進行分析，確定總體技術(shù)方案，確定出系統(tǒng)框圖。然后對各框圖進行功能分析。對系統(tǒng)中3個模塊進行詳細的分析設(shè)計。

　　2)步進電機的選擇，原理是利用力學公式，計算出步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩、換算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩、步進電動機轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)動慣量、折算步進電動機轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動慣量等，要求選擇的步進電機中相應(yīng)的各參數(shù)滿足上述計算結(jié)果。

　　3)根據(jù)控制對象確定輸入和輸出接口點數(shù)，且與機床和CNC的信號交換的PLC地址類型，選擇適合的PLC且設(shè)計出與CNC相配套的PLC程序，與CNC配合控制數(shù)控焊接機工作。

　　4)設(shè)計出一套步進電機驅(qū)動設(shè)備，對CNC發(fā)出的脈沖信號進行相序分配和功率放大，控制步迸電機各相繞組的通斷電，實現(xiàn)步進電機的控制。

2 總體技術(shù)方案

　　本數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計采用組裝方法，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。步進電機驅(qū)動器可根據(jù)要求自行設(shè)計。根據(jù)機床中的控制對像，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)控焊接機所應(yīng)具有的功能，設(shè)計出PLC程序。

　　此數(shù)控系統(tǒng)是應(yīng)三軸二聯(lián)動數(shù)控焊接機要求而設(shè)計的。其應(yīng)具備以下功能：根據(jù)工件上的焊接位置，設(shè)計出相應(yīng)程序并由手動輸入，經(jīng)由位置速度控制器處理，產(chǎn)生出控制脈沖，CNC發(fā)出的信號脈沖經(jīng)由自行設(shè)計的環(huán)型脈沖分配器分配，再進行功率放大，控制列曲方向和腳方向步進電動機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)x方向和1，方向的聯(lián)動，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軸方向的步進電動機運動信號，控制Z軸方向步進電機工作。利用上位機(IPC)控制焊接頭與工件之間的壓力，通過壓力傳感器實現(xiàn)反饋，實現(xiàn)對焊接機開始焊接的控制。此次設(shè)計方案為：最上層采用工業(yè)PC機，下層是PLC與三軸速度位置控制器。其中PLC主要用于開關(guān)量和少量連續(xù)量的信號處理及由CNC傳到PLC的信息處理。速度位置控制器對3個步進電動機實行控制，實現(xiàn)x軸方向和y軸方向的聯(lián)動，z軸方向獨自運動。最終構(gòu)成3坐標位置和速度的自動控制系統(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。如存儲器編輯，自動運行方式，手輪／步進進給，手動連續(xù)進給，手動數(shù)據(jù)輸入，手動返回參考點等功能。

　　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，可立即停止程序運行；

　　3)對各種工作方式下應(yīng)有相應(yīng)的指示燈顯示。如自動運行指示燈、報警指示燈等。

　　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)控微機系統(tǒng)用來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)動系統(tǒng)動作的脈沖信號。伺服驅(qū)動系統(tǒng)是整個數(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)和伺服電動機等組成。為機床的進給運動提供動力。

　　反饋系統(tǒng)用于檢測機床的各個運動參數(shù)。位置參數(shù)，環(huán)境參數(shù)(溫度，振動，電源電壓，導軌坐標，切削力等)，并將其變成控制計算機系統(tǒng)能接受的數(shù)字信號以構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用開環(huán)控制。考慮到此數(shù)控系統(tǒng)控制對象為焊接機，故對其精度要求不高，在此采用半閉環(huán)控制方法。

3 數(shù)控機械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)工作要求，現(xiàn)采用以下傳動方案：1)縱向采用絲杠傳動，結(jié)合主輔導軌使滑臺在縱向沿導軌移動；2)在縱向滑臺上安裝橫向?qū)к墸诓竭M電動機的作用下，使滑臺在橫向?qū)к壣弦苿樱?)最后在橫向滑臺上安裝豎向?qū)к墸⒃跈M向滑臺上安裝步進電機。通過螺母絲杠帶動焊接頭作豎直方向的運動。均采用步進電動機作為動力源，帶動絲杠傳動，而絲杠帶動滑臺在導軌上移動，其機械傳動系統(tǒng)圖見圖2。

4 步進電動機的選用及其驅(qū)動

　　選用步進電動機時，首先應(yīng)根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效、轉(zhuǎn)慣量，然后分別計算出各種工況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動，運行矩頻特性選擇合適的步進電動機。

現(xiàn)設(shè)定數(shù)控焊接機各絲杠螺距為12 mm，采用步進電動機步距角β=0.60°。為了便于編程和保證工作時的精度，要求各方向的步進當量為0.01mm。

　　步進電動機和絲杠聯(lián)接有2種方式：直接式和齒輪聯(lián)形式，在步進電機步距角盧，步進脈沖當量

5及絲杠螺距L確定后，步進電動機和絲杠聯(lián)接傳

　　動比不一定正好為1：1關(guān)系，這時應(yīng)采用增加一對齒輪的方式來實現(xiàn)電機和絲杠的連接。步進電動機的運行特性不僅與電動機本身和負載有關(guān)，而且與配套使用的驅(qū)動電源關(guān)系十分密切。步進電動機的驅(qū)動電源包括環(huán)形分配器和功率放大器兩部分。在此對這兩部進行自行設(shè)計，用來滿足此套數(shù)控系統(tǒng)中步進電動機的驅(qū)動需要。

　　環(huán)形脈沖分配器用于控制步進電動機各相繞組的通電運行方式，其作用是將數(shù)控裝置送來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實現(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)形脈沖分配器對于不同種類，相數(shù)和分配方式的步進電機有不同的種類。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化，成本下降，并可靈活地改變。其設(shè)計方法有多種，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)合實際情況，采用自行設(shè)計一套硬件環(huán)行分配器，對此數(shù)控系統(tǒng)中的步進電動機實施脈沖分配。此步進電動機為三相繞組式，現(xiàn)環(huán)形分配器設(shè)計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程序用來控制機床的順序動作，是一種順序程序。順序程序是指對機床及相關(guān)設(shè)備進行邏輯控制。數(shù)控機床PLC程序完成以下功能。

　　1)編譯功能。編譯接口信號，控制機床的動作。

　　對機床控制面板的各個按鍵，旋鈕的輸入信號進行編譯處理，以控制數(shù)控系統(tǒng)運行狀態(tài)。對輔助功能指令(M，s，T功能信號)譯碼，對輔助功能的接口信號進行譯碼處理，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制指令，通過這些控制指令與其他狀態(tài)經(jīng)邏輯運算后，控制機床的運行。

　　2)對其它外圍設(shè)備的控制，如對各種指示燈的控制，報警系統(tǒng)控制等。在此套數(shù)控系統(tǒng)中，PLC輸入信號有2類來源。

　　①來自控制面板開頭量信號和機床側(cè)行程開關(guān)等發(fā)出的信號；②來自CNC側(cè)發(fā)出的(M，S，T)輔助功能控制信號。

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

　　PLC在此數(shù)控系統(tǒng)中，即要對機床側(cè)進行輸入輸出控制，同時又要與CNC進行數(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)控機床專用PLC，即PMC(Programmable machine controller)，專門用于控制數(shù)控機床的

　　PLC，其功能和編程方法及運行方式與普通PLC相同。結(jié)合當前PMC生產(chǎn)廠家及PMC的性能價格比，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沒有自己的I／O接口，而是利用CNC的接口與外界進行數(shù)據(jù)交換傳輸。

6 結(jié)語

　　數(shù)控系統(tǒng)在現(xiàn)代化先進制造技術(shù)中的地位已日趨重要。機床行業(yè)的計算機數(shù)控化已成為制造技術(shù)進步的大趨勢。根據(jù)本設(shè)計的結(jié)果，可知企業(yè)完全可以根據(jù)自身特點，開發(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，通過市場采購專用設(shè)備，如PMC卡、軸位置速度控制卡，MDI卡，步進電機、工業(yè)控制機等，根據(jù)機床要求設(shè)置特定功能，通過自己開發(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)在我國得到很好的普及。