CN109531261A - 一种数控机床控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床控制系统，包括基座(1)和设置在基座上的工件夹持装置和第一刀具夹持装置；工件夹持装置上设有用于夹持工件的工件夹头(5)；第一刀具夹持装置包括第一导轨(2)、第一滑块(4)、第一旋转平台(3)、第一刀具夹头(15)和第一加工头(14)；第一滑块设置在第一导轨上，在滑动驱动电机的作用下能沿第一导轨滑动；第一导轨呈X轴方向设置；第一旋转平台设置在第一滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第一旋转平台上围绕Z向的轴线自旋，第一刀具夹头固定在第一旋转平台上；第一刀具夹头为伸缩式夹头，第一刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构。该数控机床控制系统结构紧凑，集成度高，灵活性好，功能丰富。

Description

一种数控机床控制系统

技术领域

本发明涉及一种数控机床控制系统。

背景技术

现有的数控机床，一般只有一种功能，或切削，或镗孔等，功能较为单一。

另外，公开号为105436963 A的中国专利，公开了一种能换刀具的数控机床，其刀具隐藏在刀具盘中，该种机床虽然能更换刀具，但是无法改变整个机床的工作模式，如将切削功能改为镗孔功能。

因此，有必要设计一种多用途的机床。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种数控机床控制系统，该数控机床控制系统结构紧凑，集成度高，灵活性好，功能丰富。

发明的技术解决方案如下：

一种数控机床控制系统，包括基座和设置在基座上的工件夹持装置和第一刀具夹持装置；

工件夹持装置上设有用于夹持工件的工件夹头；

第一刀具夹持装置包括第一导轨、第一滑块、第一旋转平台、第一刀具夹头和第一加工头；第一刀头优选用于镗孔或打磨；

第一滑块设置在第一导轨上，在滑动驱动电机的作用下能沿第一导轨滑动；第一导轨呈X轴方向设置；

第一旋转平台设置在第一滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第一旋转平台上围绕Z向的轴线自旋，第一刀具夹头固定在第一旋转平台上；第一刀具夹头为伸缩式夹头，第一刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构。也可以锁死第一刀具夹头，这样，第一刀具夹头能安装切削刀具实现切削加工，第一刀具夹头旋转时，可以安装镗孔刀具执行镗孔加工。

基座上还设有第二刀具夹持装置；

第二刀具夹持装置包括第二导轨(8)、第二滑块(9)、第二旋转平台(10)、第二刀具夹头(11)和第二加工头(12)；第二刀头优选用于切削。

第二滑块设置在第一导轨上，在滑动驱动电机的作用下能沿第二导轨滑动；第二导轨呈X轴方向设置；

第二旋转平台设置在第二滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第二旋转平台上围绕Z向的轴线自旋，第二刀具夹头固定在第二旋转平台上；第二刀具夹头为伸缩式夹头，第二刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构；也可以锁死第二刀具夹头，这样，第二刀具夹头能安装切削刀具实现切削加工，第二刀具夹头旋转时，可以安装镗孔刀具执行镗孔加工。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置位于工件夹持装置的两侧。

工件夹持装置上设有升降平台(6)和调向机构(7)，调向机构用于调节工件夹头的朝向；

调向机构设在升降平台上，工件夹头设置在调向机构上。

调向机构为旋转平台，旋转平台的轴向为Z向，旋转平台由电机驱动机构驱动。这样工件能在水平面内调整方向，但无法调整俯仰角。

工件夹持装置上设有用于驱动工件夹头旋转的旋转驱动装置；旋转驱动装置上还设有抱死机构(防止工件夹头旋转)；需要使用车刀时，驱动工件旋转，需要对工件镗孔等加工时，需要工件固定。

调向机构为球头式调向机构；

球头式调向机构包括球形体夹具、球形体、万向节铰链和电机；

球形体夹具安装在升降平台上，球形体安装在球形体夹具内，球形体夹具锁紧后，能固定球形体；工件夹头设置在球形体中，工件夹头的后端通过所述的万向节铰链与电机相连。万向节铰链由多个万向节串联而成，电机通过万向节铰链驱动工件夹头旋转。

球形体上设有多个凸点，用于增加摩擦力，增加稳定性。

工件夹具上设有抱死机构，防止工件夹头旋转；需要使用车刀时，驱动工件旋转，需要对工件镗孔等加工时，需要工件固定。

这种模式能调整工件的俯仰角，灵活性好。而且，这种夹具借鉴了球头型云台的工作原理。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置上均设有用于检测伸缩式夹头伸缩长度的检测机构，基于码盘的检测机构。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置也可以不具有旋转平台。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置上均设有刀具更换机构。

底座上是设有工件尺寸检测机构。

采用MCU作为主控模块，控制工件夹头的升降和旋转，控制刀具的旋转和静止，控制进刀的尺寸和方向；控制数据的采集和上传。

工件夹头、第一刀具夹头和第二刀具夹头上均设有角度传感器和三轴陀螺仪等，用于检测方向数据，方向数据传输到MCU中。

一种数控机床控制方法，包括对刀具的控制和对工件姿态的控制：

(1)对刀具姿态的控制；

基于滑块和导轨机构控制刀具的X向平移；

控制刀具在滑块上的伸缩，控制进刀量；

基于滑块上的旋转平台控制刀具夹具的角度调整；

(2)对工件姿态的控制；

控制工件夹头的升降和方向调整。

数控机床控制方法还包括采用旋转平台控制工件夹头在水平面内的角度调节。

数控机床控制方法还包括采用球头式夹具控制工件夹头俯仰角的调节。

所述的数控机床控制方法采用2组刀具夹持装置实现2套刀具的协同工作。数控机床控制方法采用检测机构检测刀具的进刀量。

采用刀具更换机构。

实现自动更换刀具。

采用工件尺寸检测机构实现刀具的尺寸检测。

有益效果：

本发明的数控机床控制系统，功能丰富，灵活性好；具体如下：

(1)能控制工件夹具是旋转还是静止，能控制刀具静止或旋转，因此，当工件旋转，刀具静止时，能实现切削加工，在工件静止，刀具旋转时，能实现镗孔等操作。

(2)2组刀具能沿着导轨X轴方形平移，必要时刀具的方向能在水平面内调整，而且刀具能伸缩。灵活性好。

(3)刀具夹具能升降，能在XOY平面内旋转，即调整工件的在水平面内的方向；这种旋转与刀具的方向调整相配合，能实现各种复杂形状的加工，参见图4，此时攻击键逆时针旋转45度，刀具在水平面也逆时针旋转45°，刀具本身旋转，工件静止，则可以在工件的端面开孔或镗孔。

(4)采用球头型工件夹具时，能调节工件的俯仰角，且通过万向节铰链驱动工件旋转，灵活性好。

(5)能检测刀具伸缩的尺寸，能检测工件的尺寸。检测精度高。

(6)能更换刀具，灵活性好。

另外，还包括：

(1)充电控制。

飞行器以及移动检测终端在充电平台上时，启动无线充电装置对飞行器及移动检测终端实现无线充电。

温度控制是数据监控平台指启动或关闭空调，并设置空调的温度；

湿度控制，是指据监控平台通过控制喷淋系统保持土壤湿度在预设的范围内；

光照控制，若光照过低(低于某一阈值)，则开启照明或打开窗户(全部打开或部分打开)；否则，若光照高于某一阈值，则关闭照明或关闭窗户；

通过上述控制，使得作物在最适合的环境下生长。

(2)监测加工的相机也采用多子镜头的复合式相机，可以自动切换子镜头以调节焦距，灵活性好。

(3)电流监控和报警。

采用电流检测电路，当电流超过预设值，则通过继电器切断电源，并报警，安全可靠性高。

综上所述，本发明的数控机床控制系统功能丰富，易于实施，灵活性好。

附图说明

图1为数控机床总体结构示意图；

图2为自动更换刀具装置示意图；

图3为工件尺寸检测装置示意图；

图4为刀具和夹头旋转示意图；

图5为球头式夹头结构示意图；

图6为伸缩机构的位移检测装置示意图(针对无旋转平台的伸缩机构)；

图7为伸缩机构的位移检测装置示意图(针对有旋转平台的伸缩机构)；

图8为复合式镜头与相机配合示意图；

图9为显示屏亮度调节电路原理图；

图10为充电电路原理图；

图11为电机电流检测及继电器控制电路图；

图12为放大倍数可调放大器原理图。

标号说明：1-基座，2-第一导轨，3-第一旋转平台，4-第一滑块，5-工件夹头，6-升降平台，7-调相机构，8-第二导轨，9-第二滑块，10-第二旋转平台，11-第二刀具夹头，12-第二刀头，13-工件，14-第一刀头，15-第二刀具夹头，16-左支架，17-右支架，18-刀具安装机构，19-刀具安装孔，20-刀具，21-升降叉，22-支撑板；

31-第一带轮，32-光电发射管安装板，33-光电接收管安装板，34-传送带，35-第二带轮。

41-电机，43-球形体夹具，44-万向节铰链，45-球形体。

51-拉线安装杆，52-拉线，53-定滑轮，54-定滑轮安装块。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1，一种数控机床控制系统，包括基座1和设置在基座上的工件夹持装置和第一刀具夹持装置；

工件夹持装置上设有用于夹持工件的工件夹头5；

第一刀具夹持装置包括第一导轨2、第一滑块4、第一旋转平台3、第一刀具夹头15和第一加工头14；第一刀头优选用于镗孔或打磨；

第一滑块设置在第一导轨2上，在滑动驱动电机的作用下能沿第一导轨2滑动；第一导轨2呈X轴方向设置；

第一旋转平台设置在第一滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第一旋转平台3上围绕Z向的轴线自旋，第一刀具夹头15固定在第一旋转平台上；第一刀具夹头15为伸缩式夹头，第一刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构。也可以锁死第一刀具夹头，这样，第一刀具夹头能安装切削刀具实现切削加工，第一刀具夹头旋转时，可以安装镗孔刀具执行镗孔加工。

基座上还设有第二刀具夹持装置；

第二刀具夹持装置包括第二导轨8、第二滑块9、第二旋转平台10、第二刀具夹头11和第二加工头12；第二刀头优选用于切削。

第二滑块设置在第一导轨2上，在滑动驱动电机的作用下能沿第二导轨8滑动；第二导轨8呈X轴方向设置；

第二旋转平台设置在第二滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第二旋转平台10上围绕Z向的轴线自旋，第二刀具夹头11固定在第二旋转平台10上；第二刀具夹头11为伸缩式夹头，第二刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构；也可以锁死第二刀具夹头11，这样，第二刀具夹头11能安装切削刀具实现切削加工，第二刀具夹头11旋转时，可以安装镗孔刀具执行镗孔加工。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置位于工件夹持装置的两侧。

工件夹持装置上设有升降平台6和调向机构7，调向机构用于调节工件夹头的朝向；

调向机构设在升降平台上，工件夹头设置在调向机构上。

调向机构为旋转平台，旋转平台的轴向为Z轴方向，旋转平台由电机驱动机构驱动。这样工件能在水平面内调整方向，但无法调整俯仰角。

工件夹持装置上设有用于驱动工件夹头旋转的旋转驱动装置；旋转驱动装置上还设有抱死机构(防止工件夹头旋转)；需要使用车刀时，驱动工件旋转，需要对工件镗孔等加工时，需要工件固定。

调向机构为球头式调向机构；

球头式调向机构包括球形体夹具43、球形体45、万向节铰链44和电机41；

球形体夹具安装在升降平台上，球形体安装在球形体夹具内，球形体夹具锁紧后，能固定球形体；工件夹头设置在球形体中，工件夹头的后端通过所述的万向节铰链与电机相连。万向节铰链由多个万向节串联而成，电机通过万向节铰链驱动工件夹头旋转。

球形体上设有多个凸点，用于增加摩擦力，增加稳定性。

工件夹具上设有抱死机构，防止工件夹头旋转)；需要使用车刀时，驱动工件旋转，需要对工件镗孔等加工时，需要工件固定。

这种模式能调整工件的俯仰角，灵活性好。而且，这种夹具借鉴了球头型云台的工作原理。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置上均设有用于检测伸缩式夹头伸缩长度的检测机构，基于码盘的检测机构。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置也可以不具有旋转平台。

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置上均设有刀具更换机构。

底座上是设有工件尺寸检测机构。

采用MCU作为主控模块，控制工件夹头的升降和旋转，控制刀具的旋转和静止，控制进刀的尺寸和方向；控制数据的采集和上传。

工件夹头、第一刀具夹头和第二刀具夹头上均设有角度传感器和三轴陀螺仪等，用于检测方向数据，方向数据传输到MCU中。

一种数控机床控制方法，包括对刀具姿态的控制和对工件姿态的控制：

(1)对刀具姿态的控制；

基于滑块和导轨机构控制刀具的X向平移；

控制刀具在滑块上的伸缩，控制进刀量；

基于滑块上的旋转平台控制刀具夹具的角度调整；

(3)对工件姿态的控制；

控制工件夹头的升降和方向调整。

数控机床控制方法还包括采用旋转平台控制工件夹头在水平面内的角度调节。

数控机床控制方法还包括采用球头式夹具控制工件夹头俯仰角的调节。

所述的数控机床控制方法采用2组刀具夹持装置实现2套刀具的协同工作。

数控机床控制方法采用检测机构检测刀具的进刀量。

采用刀具更换机构。实现自动更换刀具。

采用工件尺寸检测机构实现刀具的尺寸检测。

1.刀具更换机构

如图2，刀具更换机构包括支撑板22、多个刀架和升降叉21，每一个刀架包括左支架16和右支架17，支撑板为平移式支撑板，刀架用于放置刀具，升降叉上升时，能将刀架上的刀具上顶至刀具安装机构处的刀具安装孔上，再通过卡口或电磁机构将刀具安装到位。需要撤除刀具安装机构中的刀具时，先通过卡口或电磁机构解锁刀具，再由升降叉将其撤下放置到刀架上。支撑板左右平移实现刀具的选择。

2.工件尺寸检测机构

如图3，工件尺寸检测机构包括第一带轮31，第二带轮35、传送带34和光电传感装置；

传送带安装在第一带轮和第二带轮上，传送带由步进电机驱动，传送带用于传送工件13，第一带轮或第二带轮上装有码盘；带轮的选择带动码盘的选择，从而输出脉冲，基于脉冲可知传送带传送了多少距离。

光电传感装置包括光电发射管安装板32和光电接收管安装板33，光电发射管安装板32和光电接收管安装板33分别装有光电发射管和光电接收管，光电发射管安装板32和光电接收管安装板33分设在传送带两侧；而且光电发射管和光电接收管相对设置，工件在传送带上移动式，会遮住光路，以刚遮住光路为起始点t0，开始码盘脉冲计数，以光路恢复为终止时间t1，结束码盘脉冲计数，期间的脉冲数换算成距离，即可得到工件的尺寸。

3.用于检测伸缩式夹头伸缩长度的检测机构

如图6,7，检测机构包括定滑轮53、拉线52和拉线安装杆51；拉线的前端安装杆安装在刀具夹头的前端，拉线还缠绕在定滑轮上，定滑轮上设有码盘，定滑轮上设有用于张紧拉线的扭簧。定滑轮固定在滑块上或固定在旋转平台上(或固定在旋转平台上设置的定滑轮安装块)；滑块可以直接设置刀具夹头，也可以通过旋转平台设置刀具夹头。

另外，本系统还包括以下几个部分：

(一)如图9，MCU连接有显示屏，显示屏中设有调节显示屏发光亮度的亮度调节电路；所述的亮度调节电路包括MCU、LED灯串、三极管、电位器Rx和A/D转换器；三极管为NPN型三极管；显示屏的固定架上海设有旋钮开关与电位器Rx同轴相连；

电位器Rx和第一电阻R1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极Vcc，分压支路的另一端接地；电位器Rx和第一电阻R1的连接点接A/D转换器的输入端；A/D转换器的输出端接MCU的数据输入端口；

LED灯串包括多个串接的LED灯；LED灯串的正极接电源正极Vcc；LED灯串的负极接三极管的C极，三极管的E极经第二电阻R2接地；三极管的B极的接MCU的输出端。电源正极Vcc为5V，A/D转换器为8位串行输出型转换器。

(二)如图10，基座上设有锂电池，用于为相机等供电，采用恒流充电电路为锂电池充电。

恒流充电电路包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；

(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；

恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；

(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；

参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；

电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；

电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。

恒流充电电路还包括电压反馈电路；

电压反馈电路包括电阻R3和R4以及二极管D1；

电阻R3和R4串联后接在恒流充电电路的正输出端VOUT+与地之间；电阻R3和R4的连接点接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极接恒压驱动芯片的反馈端FB。

(三)采用相机监控加工过程

相机包括机身77和复合式镜头72；机身内设有CCD传感器76，机身上设有用于镜头对准的光电发射与接收装置75；

复合式镜头上设有转轴73；复合式镜头内集成有4个子镜头71；子镜头沿复合式镜头的周向均匀布置；复合式镜头的后端还设有与所述光电发射与接收装置适配的光反射片74；机身内还设有用于驱动镜头旋转的步进电机。光电发射与接收装置和光反射片可以是多套，优选2套，呈轴线对称，对准效果更好，只有2套光电发射与接收装置和光反射片都对准后，才认为镜头与CCD传感器对准了，这样对准精度更高。

(四)，如图11-12，采用保护电路对用电设备实施保护。

用电设备(驱动电机等)电流检测及继电器控制电路(也称为过流检测及保护电路)的说明如下：

工作原理：通过现场交流电线插入电流互感器(或线圈)中，使电流互感器产生互感电流，现场用电功率越大，互感电流也就越大，现场用电功率越小，互感电流也就越小，因此利用电压比较器，可以输出一个信号波形，主控制器(MCU)通过自带的AD采集就可得到现场的电流大小信息，从而达到检测作用。在电路设计上，通过四个整流二极管将交流互感电流转换成直流电流，输出信号则有两种，一种为模拟量，由VOUT输出，输出到MCU；还有一种为TTL高低电平，直接控制继电器用于切断和接通电机的供电。

电路描述：

电流互感器的输出信号经桥式整流器得到Vin；比较器比较Vin和参考电压Vref，若Vin＞Vref，则比较器输出低电平，控制继电器断开。

另外，Vin经放大器放大后进入MCU的ADC端口(即具有A/D转换功能的端口)；

由于信号可能较为微弱，因此，设计了可调放大倍数的放大器；具体电路连接及工作原理如下：

桥式整流器的输出端Vin为信号端，所述的信号端经电阻R0的接运算放大器LM393的反相输入端，运算放大器LM393的同向输入端经电阻R0接地，运算放大器LM393的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接4选一选择器的4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器LM393的输出端Vout，Vout接MCU的ADC端；

另外MCU的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端A和B；

Vout与Vin的计算公式：

Vout＝Vin*(Rx+R0)/R0；其中，Rx＝R01，R02，R03或R04；基于选通端AB来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同；优选的R04＝5*R03＝25*R02＝100*R01；R01＝5*R0.可以方便地实现量程和精度切换。

Claims (10)

1.一种数控机床控制系统，其特征在于，包括基座(1)和设置在基座上的工件夹持装置和第一刀具夹持装置；

工件夹持装置上设有用于夹持工件的工件夹头(5)；

第一刀具夹持装置包括第一导轨(2)、第一滑块(4)、第一旋转平台(3)、第一刀具夹头(15)和第一加工头(14)；

第一滑块设置在第一导轨上(2)，在滑动驱动电机的作用下能沿第一导轨(2)滑动；第一导轨呈X轴方向设置；

第一旋转平台设置在第一滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第一旋转平台上围绕Z向的轴线自旋，第一刀具夹头固定在第一旋转平台(3)上；第一刀具夹头(15)为伸缩式夹头，第一刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构。

2.根据权利要求1所述的数控机床控制系统，其特征在于，基座上还设有第二刀具夹持装置；

第二刀具夹持装置包括第二导轨(8)、第二滑块(9)、第二旋转平台(10)、第二刀具夹头(11)和第二加工头(12)；

第二滑块设置在第一导轨上，在滑动驱动电机的作用下能沿第二导轨滑动；第二导轨呈X轴方向设置；

第二旋转平台(10)设置在第二滑块上，在驱动机构的驱动下，能在第二旋转平台(10)上围绕Z向的轴线自旋，第二刀具夹头(11)固定在第二旋转平台(10)上；第二刀具夹头(11)为伸缩式夹头，第二刀具夹持装置上设有用于驱动伸缩式夹头旋转的驱动机构；

第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置位于工件夹持装置的两侧。

3.根据权利要求2所述的数控机床控制系统，其特征在于，所述的工件夹持装置上设有升降平台(6)和调向机构(7)，调向机构用于调节工件夹头的朝向；

调向机构设在升降平台上，工件夹头设置在调向机构上。

4.根据权利要求3所述的数控机床控制系统，其特征在于，所述的调向机构为旋转平台，旋转平台的轴向为Z向，旋转平台由电机驱动机构驱动。

5.根据权利要求4所述的数控机床控制系统，其特征在于，所述的工件夹持装置上设有用于驱动工件夹头旋转的旋转驱动装置；旋转驱动装置上还设有抱死机构。

6.根据权利要求3所述的数控机床控制系统，其特征在于，所述的调向机构为球头式调向机构；

球头式调向机构包括球形体夹具(43)、球形体(45)、万向节铰链(44)和电机(41)；

球形体夹具安装在升降平台上，球形体安装在球形体夹具内，球形体夹具锁紧后，能固定球形体；工件夹头设置在球形体中，工件夹头的后端通过所述的万向节铰链与电机相连。

7.根据权利要求2所述的数控机床控制系统，其特征在于，第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置上均设有用于检测伸缩式夹头伸缩长度的检测机构。

8.根据权利要求2所述的数控机床控制系统，其特征在于，第一刀具夹持装置和第二刀具夹持装置上均设有刀具更换机构。

9.根据权利要求1所述的数控机床控制系统，其特征在于，基座上设有工件尺寸检测机构。

10.根据权利要求1-9任一项所述的数控机床控制系统，其特征在于，采用MCU作为主控模块，控制工件夹头的升降和旋转，控制刀具的旋转和静止，控制进刀的尺寸和方向；控制数据的采集和上传。