自動化數控車床電氣控制設計分析

侯小強

（1.山東濱州渤海活塞有限公司，山東濱州 256600；2.山東省發動機活塞摩擦副重點實驗室，山東濱州 256600）

0 引言

近年來我國電氣自動化數控車床相關技術越來越成熟，實現了與網絡技術和計算技術的有效結合，可實現對整個生產過程的動態管理，提前基于生產需求設計相關程序與各項參數，確保維持高效生產狀態。電氣控制系統作為自動數控車床的重要部分，一般可使用壽命遠遠小于機械零部件，為彌補這一缺陷，就必須保證電氣控制系統的高可靠性，減少各類故障的發生，維持最佳生產效率。

1 數控車床電氣控制系統原理

數控車床實現了自動化生產，主要是以計算機為載體，電氣控制系統接收生產程序各項指令，并進行識別解釋。然后完成結果邏輯數據的計算與判斷處理，最后發出速度以及時間控制的操作指令，確保每部分均可以按照設計的生產程序和參數動作。以實際生產需求為基準，提前完成待生產零件尺寸、樣式等參數，通過程序代碼的形式輸入到計算機中，控制車床運行。正常情況下數控車床會嚴格按照設計好的程序代碼執行動作，完成零部件的制造生產，整個過程不僅生產效率高，并且還可以保證零部件精度達標，對于復雜度小、精密度高的零部件批量生產適應性良好，相比普通車床在機械制造行業具有的優勢更為突出[1]。

2 數控車床電氣控制系統特點

2.1 適應性高

數控車床對于不同要求的工件加工制造具有非常高的適應性，并且可以保證工件產品的質量與精度，以及可以保持較高的穩定性與平穩性，能夠進一步推動機械產品加工行業的發展。相比普通機床，數控機床電氣控制系統能夠滿足的工件加工要求更廣泛，更加適應市場發展需求，其主要是以提前設計的程序代碼為依據，控制車床的各部件完成相應動作。相比人工操作，生產精度控制性更強，能夠更加滿足精度高、復雜性小的小尺寸工件加工[2]。

2.2 工藝簡單

數控車床可以解放更多勞動力，雖然對工作人員操作規范性要求更高，但是只需要掌握相應技術要點，了解電氣控制系統運行特點，就可以保證整個工件制造過程的簡易性，加工過程操作更加簡便，以更少的時間得到高質量的產品。即便是遇到部分需要更改設計的工件，也無需對其進行重新加工，只需要更改數控車床的數控程序相關內容，使其更加符合工件加工需求即可，中間節省了大量時間，以及可以保證產品的加工質量。

2.3 競爭力強

數控車床的投用進一步實現了機械制造生產的自動化，推動了整個機械制造加工行業的有效發展，同時基于其高效的生產狀態與高質量的生產產品，使得企業在市場中的競爭力更強。數控車床聯合了計算機技術與網絡技術，進一步提高電氣控制系統的可靠性，可以更靈活地應對各種突發問題，減少故障產生的損失。另外，數控車床對操作人員的技能水平要求較高，通過專業培訓與參與講座、自學等方式，使得企業工作人員的整體技能水平得到有效提升。

3 數控車床電氣控制系統設計內容

3.1 伺服驅動設計

數控車床實現了機械制造生產的自動化，為確保其自身優勢可以充分發揮出來，前提必須要保證電氣控制系統的可靠性，其對數控車床的運行狀態有著直接影響。在針對數控車床等電氣控制系統設計分析時，首先要確定作為重要組成部分伺服系統的重要性。伺服系統即CNC 裝備與車床之間存在的聯動部分，由CNC 發出工件加工的相應控制數據，然后通過伺服系統實現在系統坐標軸的相對運動，以此完成數控程序所有操作要求，實現工件加工制造。現在數控車床中已經有效應用了網絡技術和計算機技術，這樣就可以為伺服系統的設計提供進一步支持。以PLC技術作為基礎，使得數控車床伺服系統具有更高抗干擾性，使得伺服系統計算與伺服系統中各個零件之間的結合效果更加緊密，進一步提高數控車床工件的加工精度以及生產效率。

3.2 主軸設計

數控車床主軸精密度在很大程度上決定了數控車床零部件加工的精密度和質量，主軸功能還決定了數控車床整體工作時效性。要進一步提高零部件加工質量以及擴大加工范圍，獲得更大生產效益，就需要重視主軸設計。綜合多方面因素，全面分析數控車床電氣控制系統設計基本要求，以滿足機械加工制造為目的，編寫符合生產要求的PLC 程序，并設計科學合理的電氣原理圖。以及還需要保證主軸大小、轉速、運行效率和運行位置等參數設計的合理性，嚴格遵守加工要求，實現科學配合。另外，還要保證所選主軸元器件性能與需求相符，提高主軸精準度，為高效、高精度生產提供保障。

4 數控車床電氣控制系統設計要點

4.1 數控車床優化設計

以840D 數控系統作為本次研究對象，其應用的CPU 結構為人機通信CPU、數字控制CPU 以及可編程邏輯控制CPU。其中，人機通信CPU 屬于PUC 單元的CPU，主要作用于電氣控制系統人機界面軟件以及通信部分，涉及到的內容有機床參數設置、用戶文件管理以及加工程序等[3]。并且，PUC 單元自帶硬盤可實現電氣控制系統內加工程序以及參數的存儲與備份。

4.2 電氣控制系統設計

4.2.1 總體設計方案

數控車床包括機械與電氣兩大部分，在針對電氣控制系統進行設計時，需要兩部分均進行全面分析，了解確定數控車床實際情況，保證各項功能得以有效實現。

4.2.2 電氣系統設計

針對數控車床電氣控制系統進行優化設計，需要基于840D數控系統的特點分析，該系統在機床位置控制方面具有非常高的適應性，且系統軟硬件全部符合機床原有控制功能需求。包括10.4 寸液晶顯示器、薄型MCP 操作面板以及全功能CNC 操作鍵盤等。以及PUC 帶有硬盤功能，用戶可通過PUC 獲取中文顯示界面，人機交互效果良好。并且，通過PUC 還可以實現圖形模擬、加工循環以及圖形編程等。

對電氣控制系統進行優化設計，對GS30 型數控車床原有的X 軸、U 軸光柵尺以及Z 軸、W 軸編碼器等全部進行更換，可為數控系統可靠性運行提供可靠支持。同時，將數控車床原系統更改為NCU 單元+611D 驅動+IFT 伺服電機+1PH7 主軸電機，確保各軸功率以及扭矩可以更加符合數控車床實際運行要求[4]。另外，將副主軸開環控制更改為半閉環控制，確保可以實現同步軸功能。

4.2.3 機械部分設計

數控車床機械部分的設計，主要包括控制介質、伺服系統、數控裝置以及機床本體結構等。

4.3 系統設計驗收

數控機床電氣系統的優化設計完成以后，需要對系統實際操作效果進行驗收，即通過相對高精度儀器的運行狀態，檢測判斷系統電氣、機械以及各方面的實際性能。并根據檢測結果進行全面分析，完成電氣控制系統等部分的性能評定。一般可以從切削精度、幾何精度以及定位精度來進行驗收。

以切削精度驗收為例，涉及的影響因素眾多，如定位精度、幾何精度以及加工材料等。實際檢測驗收可選擇方法較多，包括標準綜合性試件加工以及單項加工等。并且加工內容也涉及到斜線加工、直線加工、平面加工以及圓弧加工等多項內容。對于本次研究的GS30 主軸數控車床的切削精度檢驗，可以通過以下6 點來確定電氣控制系統設計是否滿足實際生產需求。

（1）功能檢驗。可以從手動和數控兩個方面的功能性來進行驗收，一般前者可以采取手動或MDI 的方法，驗收確定機床M、S、I 功能性。后者則是需要通過控制系統來操縱數控程序，確認機床各部件運行狀態，判斷其功能效果。

（2）幾何精度。機床功能驗收中，會設置一個允許的偏差范圍，據此就可以進行機床幾何精度的檢測。一般可選擇應用大理石檢驗方箱、磁力表座以及千分表等。

（3）定位精度與重復定位精度。可應用激光干涉儀進行檢驗，即設定50 mm 的間距來檢測確定X 軸、Z 軸、U 軸和W 軸是否存在問題。

（4）試件切削精度。主要是對機床綜合性能與切削精度進行檢驗確定。

（5）24 h 考機運行。對機床運行狀態進行檢驗，主要就是基于電氣控制系統確定各部件動作的穩定性與可靠性。

（6）資料整理歸檔。對數控機床電氣控制系統的操作說明、參數圖、電氣圖、相關說明書以及檢驗報告等進行整理歸檔。在系統設計完畢后，需要按照上述要求，組織進行相應驗收工作，可確定數控車床的各項功能參數。確定電氣控制系統工作具有較高的穩定性和可靠性，可以滿足實際生產需求。

5 結束語

數控車床電氣控制系統對于整個設備運行狀態有著重要影響，更是實現數控車床自動化生產的關鍵，對其進行設計優化，必須保證其具有較高的可靠性與穩定性，以實現各部件可靠動作，完成實際生產作業。