淺析數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

摘 要： 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，對于初學(xué)者而言很有必要理清這一系統(tǒng)的每個部分的組成和每一部分的關(guān)鍵點(diǎn)；電源部分要搞清楚每一支路設(shè)備、電壓要求和信號流；主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)要搞清楚控制設(shè)備和對主軸做要求的項(xiàng)目的處理方式；進(jìn)給驅(qū)動控制系統(tǒng)要搞清楚控制設(shè)備（方式）、指令的處理和檢測方式；交流控制線路的各個分支的控制內(nèi)容；PMC控制電路和控制過程。

關(guān)鍵詞： 電源系統(tǒng) 模擬主軸 主軸方向信號 抑制電磁干擾 PMC

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)是比較復(fù)雜的控制過程，理清和深入剖析這一系統(tǒng)的每一個組成單元對我們認(rèn)識、應(yīng)用和維修數(shù)控機(jī)床都有深遠(yuǎn)意義。

一、數(shù)控機(jī)床電源系統(tǒng)（主電路）

1.數(shù)控系統(tǒng)的工作電源

電壓要求：DC 24V或AC 24V。

方法：系統(tǒng)變壓器+開關(guān)電源。

電壓信號變化為AC380V—AC220V—DC24V—CNC裝置。

作用：將數(shù)控系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的直接的電聯(lián)系切斷（電氣隔離），以避免電網(wǎng)電壓波動及線路故障對數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和影響。

開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。

信號變化為AC220V—整流DC300V—高頻信號—開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷—CNC裝置。

2.主軸驅(qū)動裝置的電源供給

（1）模擬主軸

方案：空氣開關(guān)+變頻器+交流電機(jī)。

（2）數(shù)字主軸

方案：伺服變壓器（或開關(guān)電源）+交流伺服驅(qū)動器+交流伺服電機(jī)。

3.進(jìn)給驅(qū)動裝置的電源供給

開環(huán)控制：380/85V的變壓器+空氣開關(guān)+步進(jìn)驅(qū)動器+步進(jìn)電機(jī)。

半閉環(huán)控制：伺服變壓器（或開關(guān)電源）+交流伺服驅(qū)動器+交流伺服電機(jī)。

4.數(shù)控系統(tǒng)PMC的I/O電源：采用開關(guān)電源（DC24V）

數(shù)控機(jī)床PMC的輸入、輸出回路需要24V的直流電源，可以采用一個開關(guān)電源提供，但是這個開關(guān)電源一定要和為數(shù)控系統(tǒng)供電的開關(guān)電源共地；如果為數(shù)控系統(tǒng)供電的開關(guān)電源容量足夠，那么也可以同時作為PMC的I/O電源。

5.刀架電機(jī)電源供給：采用空氣開關(guān)

6.冷卻電機(jī)和潤滑電機(jī)的電源供給：采用空氣開關(guān)

7.機(jī)床照明和電柜風(fēng)扇的電源供給

機(jī)床照明一般采用AC 36V或AC 24V，由于這兩個電壓都不是標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此需采用照明變壓器為照明燈具供電。

二、主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)的組成

主軸驅(qū)動系統(tǒng)一般采用變頻器+主軸電機(jī)的方式，下面是這一系統(tǒng)的組成和信號處理方法。

1.主軸速度信號的處理

主軸運(yùn)行指令（如M03 S1000）—編譯、運(yùn)算和邏輯處理—主軸速度信號（0—+10V或者4—20mA）—變頻器。

2.主軸方向信號的處理

單極性模擬主軸：0—10V，主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向則由PLC控制。

雙極性模擬主軸：-10V—+10V，而主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不由PLC控制，而是由速度信號的正、負(fù)極性決定。

3.主軸速度檢測的處理

主軸控制系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為速度控制系統(tǒng)，目前主軸速度檢測最常用的做法是采用脈沖編碼器作為檢測元件。

4.主軸驅(qū)動器故障監(jiān)控處理

現(xiàn)在使用的變頻器和交流伺服驅(qū)動器一般具有故障自診斷功能并提供有故障監(jiān)控可編程I/O端口，其輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等形式。I/O端口之間實(shí)質(zhì)上是一種開關(guān)關(guān)系，開、關(guān)的狀態(tài)分別對應(yīng)驅(qū)動器正常與否；由于數(shù)控機(jī)床的M、S、T三大輔助功能都是由PLC控制的，故可以將這一開關(guān)量作為數(shù)控系統(tǒng)PLC的一個輸入點(diǎn)，以此監(jiān)控驅(qū)動器是否正常或就緒。自診斷功能實(shí)質(zhì)上反映的是可編程I/O端口開、關(guān)的狀態(tài)。

5.主軸驅(qū)動器制動處理：制動組件

主軸驅(qū)動器一般都內(nèi)置有制動組件，在機(jī)床主軸要求快速制動時，若內(nèi)置的制動單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導(dǎo)致直流部分過壓時，外接制動組件，加快消耗再生電能的速度。

6.接地處理：抑制電磁干擾

數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境中的電磁和噪聲干擾是很嚴(yán)重的，作為精密加工設(shè)備的數(shù)控機(jī)床，其主軸驅(qū)動器必須采取有效的抗干擾措施。

變頻器主要采取正確的接地措施。變頻器的接地處理有兩個方面：一是對變頻器主回路PE端子正確接地，以提高變頻器抑制噪聲干擾的能力并減小變頻器對外界電氣設(shè)備的干擾。二是將變頻器的控制信號線（采用雙絞線或屏蔽線）屏蔽層接地，以排除外界對控制信號傳輸?shù)母蓴_。

三、進(jìn)給驅(qū)動控制系統(tǒng)的組成

常用的進(jìn)給驅(qū)動控制系統(tǒng)的方式為：

開環(huán)控制：380/85V的變壓器+空氣開關(guān)+步進(jìn)驅(qū)動器+步進(jìn)電機(jī)。

半閉環(huán)控制：伺服變壓器（或開關(guān)電源）+交流伺服驅(qū)動器+交流伺服電機(jī)。

1.指令信號的處理過程

進(jìn)給指令（如G01 X100 Z-20 F200）—編譯、運(yùn)算和邏輯處理—指令脈沖信號（0—+10V或者4—20mA）—交流伺服驅(qū)動器—交流伺服電機(jī)。

2.編碼器反饋信號的處理

編碼器輸出信號的反饋方式主要有2種：可以將編碼器輸出信號直接送入數(shù)控系統(tǒng)的編碼器反饋接口；也可以將將編碼器的輸出信號先送至交流伺服驅(qū)動器，再由交流伺服驅(qū)動器反饋至數(shù)控系統(tǒng)的編碼器反饋接口。

四、交流控制電路

交流控制電路主要采用接觸器和繼電器控制的線路，主要有：電源啟動/停止控制（采用接觸器）、變頻器電源控制（可選）、交流伺服驅(qū)動器電源控制（可選）、刀架的正反轉(zhuǎn)控制（對車床而言）、冷卻控制、潤滑控制，電柜風(fēng)扇、照明等。控制方式主要通過交流接觸器的通斷控制。

五、PMC控制電路

1.PMC定義

PMC其實(shí)就是PLC（可編程邏輯控制器），但是因?yàn)闄C(jī)床控制PLC是專門用于控制機(jī)床的，其中有多條專用指令，故而叫做PMC——可編程機(jī)床控制器。

2.數(shù)控機(jī)床PMC的信號處理

3.PMC控制內(nèi)容

主要有：M、S、T功能（主軸速度大小由主軸驅(qū)動系統(tǒng)控制）、操作信號處理、急停控制、坐標(biāo)軸控制、主軸控制、刀架控制、冷卻控制、導(dǎo)軌潤滑等。

以上是我對數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)第一組成部分的一些具體的分析，希望對研究數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的初學(xué)者有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

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