數控機床電氣控制技術及設計方法研究

摘 要：數控機床作為綜合應用計算機、微電子、自動檢測、自動控制、精密機械、液壓傳動等技術的最新成果，屬完全新型的機械加工設備。隨著計算機技術與數控技術的深入發展及生產工藝的更新換代，數控機床電氣控制技術呈現出快速發展的勢頭，同時也成為數控機床設計的關鍵部分。文章結合某加工中心的實際情況，著重探討數控機床電氣控制技術及設計方法。

關鍵詞：數控機床；電氣控制技術；設計方法

1 數控機床電氣控制系統

隨著計算機技術與數控技術的深入發展及生產工藝的更新換代，數控機床電氣控制技術逐步形成獨立的體系，同時也成為數控機床設計的關鍵部分。若想實現數控機床的安全可靠性及生產效率與加工精度的提高，必須加強對數控機床電氣控制原理及設計方法的研究。本文結合某立式加工中心的實際情況，著重介紹數控機床電氣控制技術及設計方法。該立式加工中心的電氣控制系統主要由βis系列交流進給伺服電機組、βi交流主軸伺服電機、SVPM及FANUC Oi-Mate-MC CNC系列數字交流伺服模塊組成，其中SVPM屬進給伺服模塊、主軸伺服模塊、電源模塊一體型設計，由此對串行主軸及進給軸進行驅動，進而體現出性價比高、結構緊湊等優點。

2 數控機床電氣控制系統的設計

數控機床電氣控制系統具有控制原理復雜的特點，因此數控機床電氣控制系統的設計表現出顯著的復雜性。該立式加工中心的電氣控制系統設計主要采用模塊化的思路，即把電氣控制系統劃分成參數設置、PLC程序、硬件電路三大模塊→再從控制功能角度把此三大模塊劃分成若干小模塊，由此實現設計工作效率與品質的提高。主要從硬件電路、PLC程序、參數設置三方面淺析數控機床電氣控制系統的設計。

2.1 硬件電路

該立式加工中心的電氣控制主要以FANUC Oi-Mate-MC CNC為基礎。硬件電氣控制設計從控制功能角度具體劃分成若干小模塊，例如交流主傳動電路、交流進給傳動電路、刀具交換裝置轉動電路、急停監控保護電路、整流裝置電路、機床操作板電路、電源電路、NC/PLC連接電路及潤滑、冷卻、通風裝置電路等。著重從下列方面淺析硬件電路的設計問題。

2.1.1 電源電路。電源電路要求根據所有控制裝置的相關要求完成電源設計，即伺服驅動模塊與模塊風機由源自伺服變壓器的220V實現供給；控制回路的接觸器由源自控制變壓器的110V實現供給；Z軸制動器與電磁閥由27V經整流器整流后輸出的-24V實現供給；控制變壓器輸出的220V具體分成兩路，其中數控機床的電氣箱冷氣機與床身潤滑電機由某電路直接實現供給，伺服模塊、CNC、直流繼電器由剩余電路經開關電源后輸出的-24V實現供給。

2.1.2 交流主傳動電路。該立式加工中心對主軸的控制要求具體包括：較寬范圍內相關速度必須具有連續可調性；不管采取何種速度，均可提供足夠的轉矩與功率，由此滿足切削所需；啟動、制動、正傳、反轉、準停均可反復實現；刀具的自動裝卸能夠有效實現，以滿足換刀自動化。0～6000r/min范圍內，該立式加工中心的主軸均可實現無級調速，此外主軸電機的內置編碼器可實現對主軸速度、主軸位置進行檢測，同時主軸閉環速度主要由主軸控制部分實現控制，但準停期間要求實現閉環位置控制。與此同時，經CNC內置的PLC可把主軸的實際工作狀態傳輸至CNC，由此實現對主軸的各項功能進行控制。

2.1.3 交流進給傳動電路。進給系統的整體性能對整機的精度指標與運行狀態起著直接性的影響，同時進給系統主要完成該立式加工中心直線坐標軸的定位與切削供給。該立式加工中心進給系統主要采用半閉環控制方式，其中電機與脈沖編碼器同軸，同時對速度與位置進行反饋；X/Y/Z軸滾珠絲杠與伺服電機采取副直聯驅動，由此使伺服系統的各種非線性環節均外置閉環，例如，傳動裝置間隙、絲杠剛度、摩擦阻尼等，進而實現數控機床電機控制系統穩定性的提高，此外X/Y/Z方向支承導軌全部采用直線滾動導軌，其中直線滾動導軌具有摩擦力小、剛性高、定位精度高、軸移動速度（24m/min）快等優點。

2.1.4 急停與監控保護電路。急停與監控保護電路要求對電機過載檢測（刀庫電機、潤滑電機、冷卻電機、機械手電機）、數控機床緊急停止、機床潤滑站的油位與壓力檢測、伺服變壓器過熱檢測等環節及機床運行的異常警示指示進行設計。實踐證實，上述電氣控制保護措施的有效落實對提高數控機床運行安全可靠性意義重大。

2.2 PLC程序

PLC程序往往被看作數控機床電氣控制的關鍵性部分，其中數控機床的PLC程序可達到幾十毫秒～幾百毫秒的處理時間，此速度完成能夠滿足絕大多數信息處理的要求，但就某些對響應速度要求較高的信號而言，此處理速度亦存有某些局限性。鑒于此，該立式加工中心把PLC程序設計劃分成低級程序與高級程序兩大部分，其中從控制功能角度把低級程序劃分成若干模塊進行編制，例如三大直線軸（如快速、進給、回參考點等）、主軸（如變檔、正反轉、換刀、定向等）、各種電動機（如冷卻、潤滑等）及操作面板。該立式加工中心采用X軸+向運行的部分PLC控制程序，具體見圖1。

備注：F94.0-參考點到達信號；R8.0-X軸選擇信號；X26.4-X軸+向選擇按鈕

圖1 X軸+向運行的部分PLC控制程序

2.3 參數設置

參數是指以完成機床各種功能及數控系統與機床結構的匹配所設置的各種數值，所以必須以上述硬件電路設計及PLC程序設計為基礎，同時以該立式加工中心各項功能與結構的具體要求為依據，對數控機床的各項參數（如驅動參數、系統參數等）進行設置，由此實現數控機床整體性能的最大化發揮及數控機床的正常使用。

3 結束語

綜上所述，數控機床的生產效率及整體質量與電氣控制系統的形式與整體控制能力間關系密切。本文結合某立式加工中心的實際情況，詳細闡述了數控機床電氣控制系統的設計。實踐證實，上述模塊化設計思路對實現電氣控制系統運行可靠性的提高、故障率的降低、加工效率的提高及整體工作性能的改善意義重大，因此本文所述設計方法能夠滿足實際生產的要求，值得類似加工中心借鑒。

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