數控機床電氣控制技術及設計方法探析

楊海燕

摘 要：數控機床具有加工精度高、加工質量穩定、生產率高等優點，被廣泛應用在機械生產及零件加工中。數控機床構成復雜，其中電氣控制系統是數控機床的核心，其質量是衡量數控機床優良性能的重要指標。因此，在明確數控機床電氣控制技術的基礎上，做好數控機床電氣控制系統設計，對提升數控機床性能具有重要意義。

關鍵詞：數控機床；電氣控制；技術；設計方法

數控機床融合計算機信息技術、檢測技術、自動控制技術、機械制造技術等，有效地解決了多品種、小批量、精密、復雜零件加工問題，是當前我國機械制造業中常用設備之一，因此，有關數控機床的研究，受到業內人士的廣泛關注，尤其作為數控機床主要構成部分的電氣控制系統，是數控機床設計工作中的重點。

1 數控機床構成及工作原理

1.1數控機床構成

數控機床構成復雜包括伺服系統、檢測傳感部分、電子控制單元、動力源、機械本體等，其中伺服系統控制移動部件做相關運動，對運動速度及精度進行調節，滿足零件加工需求。檢測傳感部分負責檢測回轉工作臺角度位移、工作臺直線位移，并將檢測結果傳輸給計算機加以顯示，或進行反饋控制。電子控制單元（Computerized Numerical ControlMachine，CNC）負責譯碼、運算以及邏輯處理各種數字信息，并將生成的指令信息傳輸給伺服系統，促使機床依據設定的動作進行加工。動力源負責將電能提供給機床，驅使機床運轉。機床本體為各種切削提供可操作的平臺。

1.2數控機床工作原理

數控機床與普通機床不同，工作原理為：根據零件加工要求，使用數控語言，編寫加工順序、參數程序，程序經CNC裝置分析、處理后，將執行指令發送給伺服系統，驅使機床移動部分移動完成加工，流程如圖1所示。

2 數控機床電氣控制系統設計

數控機床的種類較多，依據工藝用途，可將數控機床分為一般數控機床、加工中心、特種數控機床。本文探討的機床為立式銑床，在主軸驅動下，進行工件切削旋轉，用于加工小型磨具、汽車配件、五金產品等。該數控機床電氣控制系統構成復雜，其中主軸電機電氣控制系統、進給軸控制系統、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制模塊、開關及緊急停車系統是電氣控制系統的重要構成部分，是數控機床設計工作的重要內容，應引起設計人員足夠的重視，現對電氣控制系統設計進行探討。

2.1主軸電機電氣控制系統設計

主軸電機電氣控制系統設計工作應在明確控制原理以及工作過程的基礎上進行，認真考慮各設計環節，保證設計質量。

首先，選擇合適配件。對數控機床用途進行分析，認真對比不同類型號主軸電機、變頻器，額定電壓、額定電流、額定功率等參數，選擇最佳的組合，滿足加工工作要求。主軸電機運行的控制過程為：數控系統CNC將使能信號傳輸給主軸驅動器，使主軸電機做好啟動準備，而后等待啟動命令，從CNC鍵盤輸入啟動命令，便可啟動運轉。其次，做好主軸保護。主軸運行時，為防止出現異常，損壞主軸電機，設計時應采取措施保護主軸。一方面，設置過熱溫度閥值，如設為110℃，一旦溫度超過該值，自動向系統傳輸過熱信號，系統接收到信號后報警。另外，變頻器對電機內部電流、功率、轉速等參數進行檢測，并將異常信息傳輸給CNC系統，顯示相關類型的報警。另一方面，當出現干擾嚴重、電壓不穩、突然斷電等不良狀況時，電氣控制系統應能作出響應，將異常造成的影響降到最低，例如，供電突然中斷時，PLC、變頻器、CNC內部電源負責存儲重要的程序及參數，供電恢復后能繼續運行。當因短路導致電流升高時，一旦超過設定的某個數值，漏電開關便動作、斷開，避免重要部件受損傷害操作人員。最后，設定合理參數。為保證主軸電機正常運行，方便操作，設計人員應根據實際操作需求，設置相關參數，并做好運行調試。

2.2進給軸電氣控制設計

進給軸電氣控制系統設計時應明確進給要求，做好伺服驅動器參數設置，合理處理異常情況，保證數控機床加工作業的順利完成。

首先，明確進給要求。進給精度要求為：定位精度、重復定位精度分別設置為±0.001 mm、±0.005 mm。快速方面的要求為：具有良好的跟隨、加減速性能，三軸可順暢聯動。運行時產生的振動較小，具有較好的抗干擾性能。其次，伺服驅動器參數設置。X，Y，Z進給軸的控制，是電氣控制系統設計工作的重點與難點。分析可知，X，Y軸具有相同的要求，設計時使用相同的伺服電機。Z軸為硬性導軌，具有較大阻力，使用的伺服電機參數不同于x，Y軸，使用的驅動器參數也與X，Y軸使用的驅動器有所不同，具體參數如表1所示。

最后，異常處理設計。為防止電源突然中斷，導致進給軸無法正常工作，設計時應進行充分的考慮，保護好機床部件。例如，短路導致電流迅速升高，漏電開關應能夠及時斷開，將電源切斷。如過載導致進給軸溫度快速升高，伺服驅動器應能及時向CNC系統發出過熱信號，CNC發出報警信號提醒操作人員，使其及時糾正不當或錯誤操作。

2.3 PLC控制模塊設計

本研究探討的PLC控制模塊主要負責對換刀系統、照明系統、潤滑系統、冷卻系統等輔助系統的控制。設計時應注重以下內容的認真落實。

（1）外部接線設計。設計時根據子系統需要預留合適數量的輸入端口以及報警輸出。例如，換刀系統有5個報警輸出、5個輸入；照明系統有4個輸出、1個輸入；潤滑系統有2個報警輸出，2個輸入。另外，設置時應留有1/3的余量。其次，潤滑與冷卻系統設計。潤滑及冷卻系統電氣控制系統分為電機控制、PLC控制，其中電機控制流程為：系統做好充分準備，CNC發出相關信號促使潤滑系統運行，進行15 s潤滑后停止。接通壓力開關時25 min后斷開，潤滑冷卻電機運行15 s，并循環工作。（2）設置冷卻液不足、潤滑油不足、電機過載等信號，一旦系統監測到這些信號便報警。PLC控制的過程為：在兩個時間繼電器作用下，控制潤滑冷卻間隙，而后在PLC控制下進行周期性的潤滑操作。（3）照明和信號等系統設計。數控機床運行時，照明系統便自動運行，并且控制柜中的照明只有控制柜開啟時才工作。信號系統指示情況為：機床開機顯示為黃燈；系統報警或緊急停止，顯示為紅燈；系統正常運行時顯示為綠燈。

2.4開關及緊急停車系統設計

開關及緊急停車系統負責數控機床的開啟、停止控制，尤其發生異常后，保證機床及時停止運轉，可避免機床部件損壞，造成操作人員人身傷害，因此，數控機床電氣控制系統設計不能忽略該內容的設計。

本設計的開關及緊急停車系統工作流程為：將系統總開關按下，中間繼電器接通電能，整個系統便開始工作。同時，經由開關電源，給弱電系統供應電能。當按下緊急停止按鈕，中間繼電器失電，切斷進給軸、主軸系統的電能，期間控制信號燈的繼電器閉合得電，紅燈點亮，并發出報警聲，提醒操作人員及時排除故障。待故障完全排除后，可重新將系統啟動。

3 結語

數控機床電氣控制技術專業性，控制系統構成復雜，是數控機床的重要組成部分。為保證數控機床正常運行，做好電氣控制系統設計工作尤為重要。通過研究得出以下結論。

（1）數控機床電氣控制系統設計前，應做好數控機床構成、工作原理研究，做好合理的設計規劃，明確數控機床各構成部分以及電氣控制系統設計目標，把握設計工作的重點與難點。

（2）數控機床電氣控制系統內容復雜，主軸電機、進給軸、PLC模塊、開關及緊急停止系統，都涉及復雜的電氣控制，因此，設計人員應引起足夠的重視，做好這些部分的電氣控制設計工作，選擇合適硬件設備型號，合理設置相關參數，尤其應做好異常處理設計工作，避免數控機床發生異常，損壞相關部件及造成操作人員傷亡。

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