數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)及設(shè)計(jì)方法研究

王曉珺，段新文

（青海師范大學(xué)物理系，青海 西寧 810008）

數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用微電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)以及液壓傳動(dòng)和精密機(jī)械等技術(shù)的最新成果而發(fā)展起來的完全新型的機(jī)械加工設(shè)備[1]。數(shù)控機(jī)床的電氣控制技術(shù)隨著數(shù)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展及生產(chǎn)工藝不斷提出新的要求而得到飛速發(fā)展,已形成單獨(dú)體系,成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的重要部分。研究數(shù)控機(jī)床的電氣控制原理及設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)確保機(jī)床的安全可靠，提高加工精度和生產(chǎn)效率具有重要意義。以下就某立式加工中心的電氣控制技術(shù)及設(shè)計(jì)方法做一探討。

1 加工中心電氣控制系統(tǒng)基本組成

該加工中心主要的電氣控制部分由FANUC 0i–Mate–MC CNC、SVPM 系列數(shù)字交流伺服模塊及βi交流主軸伺服電機(jī)和βis 系列交流進(jìn)給伺服電機(jī)組成。其中，SVPM為主軸伺服模塊、進(jìn)給伺服模塊、電源模塊一體型設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)3個(gè)進(jìn)給軸及一個(gè)串行主軸，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比較高。

2 加工中心電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的電氣系統(tǒng)控制原理復(fù)雜，設(shè)計(jì)工作頭緒繁多。該加工中心基于模塊化思路開展電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即將整個(gè)電氣控制系統(tǒng)分為硬件電路、PLC 程序及參數(shù)設(shè)置三大模塊，再將這三大模塊按控制功能劃分為若干小模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而提高了設(shè)計(jì)工作的品質(zhì)和效率。

2.1 硬件電路

圖1 為該加工中心基于FANUC 0i–Mate–MC CNC 的電氣控制連接框圖[2]。具體的硬件電氣控制設(shè)計(jì)根據(jù)控制功能劃分為幾個(gè)小模塊，如電源電路、交流主傳動(dòng)電路、刀具交換裝置傳動(dòng)電路、交流進(jìn)給傳動(dòng)電路、整流裝置電路、急停監(jiān)控保護(hù)電路、NC/PLC 連接電路、機(jī)床操作板電路、冷卻、潤(rùn)滑、通風(fēng)裝置電路等。

圖1 加工中心電氣控制連接框圖

（1）電源電路

在該電路中根據(jù)各控制裝置的具體要求進(jìn)行了電源設(shè)計(jì)，由伺服變壓器輸出的～220 V 供給伺服驅(qū)動(dòng)模塊及其風(fēng)機(jī)；由控制變壓器輸出的～110 V 供給機(jī)床控制回路的接觸器；～27 V 經(jīng)整流器后輸出的- 24 V 供給電磁閥、Z 軸制動(dòng)器；由控制變壓器輸出的～220 V 分兩路，一路直接供給床身潤(rùn)滑電機(jī)、電氣箱冷氣機(jī)等，另一路經(jīng)開關(guān)電源后輸出- 24V 供給CNC、伺服模塊、直流繼電器等。

（2）交流主傳動(dòng)電路

加工中心對(duì)主軸有較高的控制要求，即在很寬的范圍內(nèi)速度連續(xù)可調(diào)，并在每一種速度下均能提供足夠的切削所需的功率和轉(zhuǎn)矩，還能頻繁的啟動(dòng)、制動(dòng)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停。同時(shí)，為滿足自動(dòng)換刀的要求，還要能實(shí)現(xiàn)刀具的自動(dòng)裝卸。該加工中心主軸可在0~6 000 r/min 范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速，主軸電機(jī)的內(nèi)置編碼器，既檢測(cè)主軸速度，也檢測(cè)主軸位置，主軸控制部分主要完成主軸閉環(huán)速度控制，但準(zhǔn)停時(shí)則完成閉環(huán)位置控制。另外，通過CNC 中內(nèi)置PLC將主軸的各種實(shí)際工作狀態(tài)傳遞給CNC 用以完成對(duì)主軸的各項(xiàng)功能控制。

（3）交流進(jìn)給傳動(dòng)電路

進(jìn)給系統(tǒng)承擔(dān)加工中心各直線坐標(biāo)軸的定位和切削進(jìn)給，其性能直接影響整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和精度指標(biāo)。該加工中心進(jìn)給系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制方式，脈沖編碼器與電機(jī)同軸，兼做位置和速度反饋，X、Y、Z 軸伺服電機(jī)與滾珠絲杠副直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，這樣使伺服系統(tǒng)的各種非線性環(huán)節(jié)，如：絲杠剛度、傳動(dòng)裝置間隙、摩擦阻尼等均置于閉環(huán)之外，因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，X、Y、Z 向支承導(dǎo)軌均采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，剛性高，磨擦力小，定位精度高，軸快速移動(dòng)速度為24 m/min。

（4）急停、監(jiān)控保護(hù)電路

該電路中設(shè)計(jì)了機(jī)床緊急停止、電機(jī)（潤(rùn)滑電機(jī)、刀庫電機(jī)、機(jī)械手電機(jī)、冷卻電機(jī)）過載檢測(cè)、伺服變壓器過熱檢測(cè)，床身潤(rùn)滑站的壓力、油位檢測(cè)等環(huán)節(jié)，并設(shè)計(jì)有機(jī)床運(yùn)行異常警示指示。通過以上一系列電氣保護(hù)措施，確保機(jī)床安全可靠運(yùn)行。

（5）刀具交換裝置傳動(dòng)電路

該加工中心使用臺(tái)灣基輔刀庫，刀具容量為24，刀庫由交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，用接近開關(guān)計(jì)數(shù)，配合使用凸輪機(jī)械手，換刀速度快，定位準(zhǔn)。當(dāng)?shù)稁熘杏写笾睆降牡毒撸ǖ毒咧睆匠^相鄰刀套的中心距）時(shí)，為避免發(fā)生刀具干涉現(xiàn)象，換刀時(shí)需做大徑刀判斷后采用不同的換刀方式，如為大徑刀，使用固定刀套換刀方式，如果是小徑刀，則采用隨機(jī)換刀方式。刀具交換及大徑刀的判別由相應(yīng)的宏程序或PLC 程序處理。

2.2 PLC 程序

PLC 程序是數(shù)控機(jī)床電氣控制的核心部分。數(shù)控機(jī)床的PLC 程序處理時(shí)間為幾十毫秒至上百毫秒，這個(gè)速度處理絕大多數(shù)信息已足夠了，但對(duì)某些要求快速響應(yīng)的信號(hào)，這個(gè)處理速度就不夠了。因此，該加工中心PLC 程序設(shè)計(jì)分為高級(jí)程序和低級(jí)程序兩部分：其中，高級(jí)程序中編入了必須傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)要求快速處理的緊急停止信號(hào)；低級(jí)程序則按控制功能分幾個(gè)模塊編制，如主軸（正反轉(zhuǎn)、定向、變檔、換刀等），三個(gè)直線軸（進(jìn)給、快速、回參考點(diǎn)等），操作面板，各種電動(dòng)機(jī)（潤(rùn)滑、冷卻等）。

圖2 為該加工中心X 軸+向運(yùn)行的部分PLC 控制程序。其中F94.0 為參考點(diǎn)到達(dá)信號(hào)，R8.0 為X 軸選擇信號(hào)，X26.4 接X 軸＋向選擇按鈕。

圖2 X 軸+向運(yùn)行部分PLC 程序

2.3 參數(shù)設(shè)定

參數(shù)是為完成數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床結(jié)構(gòu)及機(jī)床各種功能的匹配而設(shè)置的值[3]。因此，在以上硬件電路及PLC 軟件程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 還應(yīng)根據(jù)該加工中心具體結(jié)構(gòu)、功能的要求，對(duì)機(jī)床的幾類參數(shù)，如系統(tǒng)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)等進(jìn)行合理的設(shè)置，以充分發(fā)揮機(jī)床的性能，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的正常使用。

3 結(jié)束語

機(jī)床的質(zhì)量和生產(chǎn)效率與電氣控制能力及控制系統(tǒng)的形式密切相關(guān)。以上基于模塊化思路設(shè)計(jì)的加工中心，其電氣控制系統(tǒng)性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，同時(shí)最大限度地降低了故障率，從而使該加工中心具有良好的工作性能，加工效率高,完全滿足生產(chǎn)要求。

[1]畢毓杰.機(jī)床數(shù)控技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[2]BEIJING-FANUC 技術(shù)部. BEIJING-FANUC 0i-C/0i Mate-C簡(jiǎn)明聯(lián)機(jī)調(diào)試手冊(cè)[K]. 北京：北京發(fā)那科機(jī)電有限公司，2005.

[3]王 浩.數(shù)控機(jī)床電氣控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.