電氣控制系統研究價值及數控機床電氣控制系統優化設計

王麗君

摘 要： 數控機床在解決精密或者復雜零件的過程中具有重要的作用，機電一體化系統數控機床數據具有典型性。以PLC為基礎的數控機床電氣控制系統屬于數控機床發展的主要結果。PLC數控機床在使用過程中具備多種優點，比如電氣控制系統利用工件斷刀檢測、自動夾緊及機械手自動換刀等，能夠有效實現數控機床自動化。基于此，本文就對電氣控制系統研究價值進行分析，并且完成數控機床電氣控制系統的優化設計。

關鍵詞： 電氣控制系統; 研究價值; 數控機床; 優化

中圖分類號： TP273

文獻標志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0102-03

Abstract： The CNC machine tool plays an important role in the process of solving precision or complex parts. The data have a typical basic point integrated CNC machine tool. The PLC-based electrical control system of CNC machine tools is the main result of the development of CNC machine tools. The PLC numerical control machine tool has many advantages in the use process， for example， the electrical control system can be used to detect the broken knife， to automatically clamp and change hand tools of the robot， etc. It can effectively realize the automation of the numerical control machine tool. Based on this， this article analyzes the research value of the electrical control system and realizes the optimal design of the electrical control system of the numerical control machine tool.

Key words： Electrical control system; Research value; Numerical control machine tool; Optimization

0?引言

煤礦機械在生產過程中進行完善與數控機床電氣控制系統發展具有密切的聯系，傳統機床設計過程中都是通過繼電器控制，其設備獨立性較低，在煤礦機械數控機床生產設備中出現控制及機械故障的可能性較大。在科學技術不斷發展的過程中，PLC設計也逐漸引入到數控機床電氣控制系統中，從而有效提高了數控機床的系統配置，在日常生產過程中利用平面定位實現微孔加工鉆床。數控機床電氣系統革新使用模塊化基礎進行設計，不管是機械生產，還是電氣控制都有了進一步的提高，有效實現了高精度閉環狀態的控制，也提高了加工的效率，以此為數控機床電氣控制系統中的PLC設計使用打下了良好的基礎。

1?電氣控制系統的研究價值

廠用電源、發電機、變壓器等一系列的電氣系統控制都能夠根據電氣控制、單元機組的特點融入到電氣自動化控制系統范疇，其和熱工控制量進行對比，電氣控制系統在運行過程中和控制要求具有一定的差別。電氣特點為：其一，電氣控制系統對熱機控制設備控制信息性收集數量較少，并且操作頻率較低;其二，對電機設備保護自動裝置可靠性較高，具有較高的抗干擾能力。在今后發展過程中，電氣控制系統會朝著信息化、分布式、開放化的方向發展。開放化系統結構包括外部設備提供接口，從而使系統能夠成功連接到外部網絡中。分布式結構能夠保證網絡中各個智能模塊工作網絡是相互獨立的，從而能夠有效分離系統危險[1]。 信息化能夠實現系統信息的綜合處理能力，根據網絡技術有效實現網絡自動化及管控的相互結合。在產品價格方面具備一定的競爭能力，并且還要不斷開拓更加科學的發展道路。基于電機技術和計算機技術的電氣自動化控制系統被廣泛應用到眾多行業中，并且在生產過程中具有重要的作用。互聯網與以太網技術能夠有效促進電氣自動化的主要變革，這主要是因為多方面需求，網絡和多媒體技術在電氣自動化領域具有重要的發展前景。

以此表示，電氣控制系統對行業領域發展的自動化水平具有明顯的提高，尤其是在運行管理中。電氣控制系統能夠使企業成本得到降低，并且提高設備可靠性。所以，電氣化自動控制系統被廣泛應用到多行業中，對于電氣控制系統進行研究也具有重要的價值意義[2]。

2?數控機床電氣控制系統的總體設計方案

數控機床電氣控制的總體優化方案，使用ARM作為控制系統，使用PLC為電氣輔助系統控制的中心，使用DSP作為伺服驅動核心及運動控制器，如圖1所示。

本文所設計的電氣控制系統要求能夠實現以下控制及運動：其一，實現主軸電機的啟動、變速、停止、調速，并且要求主軸平穩轉速;其二，實現自動對刀、液壓泵、潤滑電機、冷卻泵電機的控制;其三，實現機床運行狀態過程中信號燈的控制;其四，實現系統緊急停止和工作臺的限位保護[3]。

3?數控機床電氣控制系統的供配電設計

3.1?380 V電源供配電的設計

380 V交流電源主要是對伺服電機、冷卻油泵電機、主軸電機、刀庫電機等進行供電，圖2為交流380 V供電的電源圖，通過圖2可以看出來，引入機床三相五線交流電源相線通過漏電開關進行接入。漏電開關屬于機床電源總體開關，其具有線路及對地保護的作用。使用熔斷器進行熱保護，分為兩路電源。一路通過變壓器變壓之后轉變成為220 V，其屬于伺服系統電管;一路為刀庫電機、油泵電機、刀臂電機及主軸電機供電[4]。

3.2?直流電源供配電設計

使用兩個24 V的開關電源，其中一個開關電源為運動控制器提供工作電壓，也就是為各個模塊芯片提供電壓。其中一個為IO、PLC、DSP等模塊共用，其他的信號電壓不能夠和此開關共同使用。電源開關24 V轉接端子使用線碼進行標識，另外開關電源為模塊IO信號提供電源電壓，包括IO板和DSP板，外部信號與中間繼電器共同使用。

3.3?計算電氣負荷

在設計電氣控制系統的過程中，計算電氣負荷尤為重要，如果選擇過大，就會導致出現浪費，并且不容易對設備進行保護。如果選擇過小，就無法使電能滿足對設備的要求，并且容易將設備燒壞。所以就要精準計算電氣負荷，對電氣負荷進行合理的選擇。本文使用超過三臺數控機床用電設備，并且用電功率基本相同，所以可以使用系數法實現計算。需要系數法是以用電設備功率對電氣負荷進行計算的方法，首先要全面調查運行系統，方法要根據相應的規則實現用電設備的分組，尋找各個組的設備功率和計算負荷關系并且提供一定的參數。之后使用參數區推測待建系統計算負荷，需要系數法適用的設備臺數比較多，并且功率相差較小進行計算[5]，計算式為式（1）。

其中Pc、Qc和Sc 指的是用電設備組的總體計算有功、無功及視在功率。

4?數控機床電氣控制系統的軟件設計

基于PLC的數控機床電氣控制系統屬于全閉環系統，主要包括變頻器、電動機和光柵尺，電氣控制系統的主要優勢就是具有較高的控制精度。

4.1?電氣控制系統的構成

電子控制系統的軟件構成，其中主要包括光柵尺、電動機模塊、電源模塊、傳感器及變頻器等，如圖3所示。

4.1.1?電源模塊

先利用變頻器將一定頻率交流點變成為直流電，之后利用逆變器使直流點變成為預定頻率交流電，電源模塊主要包括可調與不可調兩種。其中可調電源模塊指的是根據參數將轉化的直流電穩定成為預定可變值，使其具備和SIMOTION的通信功能。不可提高電源模塊只能實現一個固定直流電壓值的輸出，并且不能夠和SIMOTION進行通信。

4.1.2?電動機模塊

利用電動機模塊能夠使直流電逆變成為預定頻率交流電，從而在電動機中使用。電動機模塊主要包括書本型和裝機裝柜型[6]。

4.1.3?SIMOTION運動控制器

SIMOTION屬于電氣控制系統的主要核心部分，其可靠性和運行速度影響著電氣控制系統的使用，其主要功能為邏輯控制、運動控制及工藝控制。

4.1.4?斷刀檢測

斷刀檢測的示意圖，斷刀檢測系統核心主要包括一個OC門光纖傳感器，OC門三根接入線直接和24V電源中連接，以此信號線就能夠和24V電阻構成一個電平輸出，如圖4所示。

在進行加工的過程中，刀具可能會受到磨損或者斷裂。那么為了能夠對其加工質量進行保證，就要對刀具是否正常進行檢測，假如刀具受到磨損，機床能夠使自動換刀并且對上級位進行通知，斷刀檢測主要是利用光纖傳感器實現檢測[7]。

4.1.5?深度檢測

因為換刀過程中主軸夾緊位置是通過機械手及人工對刀具插入深度進行決定，那么就要使用深度檢測器實現刀具深度的檢測。

4.1.6?數據存儲

在實現SIMOTION加工過程中要實現大量孔位信息的存儲，本文通過數組的形式實現孔位信息的存儲，并且為數據區設置指針，分別為孔位信息存儲指針和孔位加工指針。在接收上位機下傳到孔位信息的時候，要以孔位信息的存儲指針位置實現存儲。在每次接收到加工命令的時候，就表示此次數據已經傳送完成，孔位信息的存儲指針就會為0，并且孔位加工指針會對數據區中的第一數據進行加工。因為部分數據包數據量較大，所以在傳輸過程中就會出現誤差，以此導致加工錯誤以此使產品不能夠使用。所以就要對數據精準性進行嚴格的保證，基于通信過程實現CRC的校驗。

4.1.7?批量加工

在批量加工的過程中，機床主要工作模式為接收孔實現加工，在收到開始批量加工指令之后，就能夠實現批量加工。首先，要能夠通過上位機所發送的加工參數對主軸進行判斷，對于需要進行啟動的主軸，SIMOTION能夠將開關量進行輸入，從而對主軸繼電器和主軸電源的接通進行控制。為了能夠對主軸安全性進行有效的保證，SIMOTION要能夠不停的主軸轉速是否達到設置的轉速進行判斷，假如滿足加工需求，就可以實現加工。在加工過程中要從數據存儲區中取出第一孔位置信息，工作臺運動到指定位置中實現高電平的輸出，工作臺在運行過程中Z軸不能夠運動[8]。

5?總結

在工業不斷發展的過程中，PLC可編程控制器也在持續發展，并且被廣泛應用到煤礦機械自動控制生產系統中，其在生產控制方面的性能是其他產品不能夠相比的。數控機床電氣控制系統術我國機械行業的主要信息化工程設置尤為重要的內容。本文將數控機床改進為基礎，輸入設計之后的程序，利用合理處理及計算，以此實現不同運動部件的安裝。

參考文獻

[1] 胡偉楠. 基于PLC的數控機床電氣控制系統研究[J]. 中國新技術新產品， 2016（1）：21.

[2]?許曉東， 雷福祥， 王偉，等. 基于PLC的數控機床電氣控制系統研究[J]. 農業科技與裝備， 2016（10）：26-28.

[3]?李澤霞. 基于PLC的數控機床電氣控制系統研究[J]. 工程技術（引文版）， 2016（8）： 273.

[4]?梁愛菊， 陳少杰. 基于 PLC 的數控機床電氣控制系統研究[J]. 建筑工程技術與設計， 2016（20）：86-88.

[5]?王鋒. 基于PLC的數控機床電氣控制研究[J]. 工程技術（引文版）， 2016（59）：5.

[6]?孫獻鋮. 基于PLC的PCB數控機床電氣控制系統研制[J]. 科學家， 2016， 4（2）：82-83.

[7]?鄧桂彪. 數控機床電氣控制系統的故障診斷與維護[J]. 中國新技術新產品， 2017（1）：64-65.

[8]?彭雪峰， 張敏. 電氣自動化數控車床電氣控制設計[J]. 山東工業技術， 2016（20）：3.

（收稿日期： 2018.05.28）