數控機床電氣控制技術及設計方法研究

王曉珺，段新文

（青海師范大學物理系，青海 西寧 810008）

數控機床是綜合應用微電子、計算機、自動控制、自動檢測以及液壓傳動和精密機械等技術的最新成果而發展起來的完全新型的機械加工設備[1]。數控機床的電氣控制技術隨著數控技術和計算機技術的不斷發展及生產工藝不斷提出新的要求而得到飛速發展,已形成單獨體系,成為數控機床設計的重要部分。研究數控機床的電氣控制原理及設計技術，對確保機床的安全可靠，提高加工精度和生產效率具有重要意義。以下就某立式加工中心的電氣控制技術及設計方法做一探討。

1 加工中心電氣控制系統基本組成

該加工中心主要的電氣控制部分由FANUC 0i–Mate–MC CNC、SVPM 系列數字交流伺服模塊及βi交流主軸伺服電機和βis 系列交流進給伺服電機組成。其中，SVPM為主軸伺服模塊、進給伺服模塊、電源模塊一體型設計，驅動3個進給軸及一個串行主軸，結構緊湊，性價比較高。

2 加工中心電氣控制系統設計

數控機床的電氣系統控制原理復雜，設計工作頭緒繁多。該加工中心基于模塊化思路開展電氣系統的設計，即將整個電氣控制系統分為硬件電路、PLC 程序及參數設置三大模塊，再將這三大模塊按控制功能劃分為若干小模塊進行設計，從而提高了設計工作的品質和效率。

2.1 硬件電路

圖1 為該加工中心基于FANUC 0i–Mate–MC CNC 的電氣控制連接框圖[2]。具體的硬件電氣控制設計根據控制功能劃分為幾個小模塊，如電源電路、交流主傳動電路、刀具交換裝置傳動電路、交流進給傳動電路、整流裝置電路、急停監控保護電路、NC/PLC 連接電路、機床操作板電路、冷卻、潤滑、通風裝置電路等。

圖1 加工中心電氣控制連接框圖

（1）電源電路

在該電路中根據各控制裝置的具體要求進行了電源設計，由伺服變壓器輸出的～220 V 供給伺服驅動模塊及其風機；由控制變壓器輸出的～110 V 供給機床控制回路的接觸器；～27 V 經整流器后輸出的- 24 V 供給電磁閥、Z 軸制動器；由控制變壓器輸出的～220 V 分兩路，一路直接供給床身潤滑電機、電氣箱冷氣機等，另一路經開關電源后輸出- 24V 供給CNC、伺服模塊、直流繼電器等。

（2）交流主傳動電路

加工中心對主軸有較高的控制要求，即在很寬的范圍內速度連續可調，并在每一種速度下均能提供足夠的切削所需的功率和轉矩，還能頻繁的啟動、制動、正轉、反轉及實現準停。同時，為滿足自動換刀的要求，還要能實現刀具的自動裝卸。該加工中心主軸可在0~6 000 r/min 范圍內無級調速，主軸電機的內置編碼器，既檢測主軸速度，也檢測主軸位置，主軸控制部分主要完成主軸閉環速度控制，但準停時則完成閉環位置控制。另外，通過CNC 中內置PLC將主軸的各種實際工作狀態傳遞給CNC 用以完成對主軸的各項功能控制。

（3）交流進給傳動電路

進給系統承擔加工中心各直線坐標軸的定位和切削進給，其性能直接影響整機的運行狀態和精度指標。該加工中心進給系統采用半閉環控制方式，脈沖編碼器與電機同軸，兼做位置和速度反饋，X、Y、Z 軸伺服電機與滾珠絲杠副直聯驅動，這樣使伺服系統的各種非線性環節，如：絲杠剛度、傳動裝置間隙、摩擦阻尼等均置于閉環之外，因此提高了系統的穩定性，X、Y、Z 向支承導軌均采用直線滾動導軌，剛性高，磨擦力小，定位精度高，軸快速移動速度為24 m/min。

（4）急停、監控保護電路

該電路中設計了機床緊急停止、電機（潤滑電機、刀庫電機、機械手電機、冷卻電機）過載檢測、伺服變壓器過熱檢測，床身潤滑站的壓力、油位檢測等環節，并設計有機床運行異常警示指示。通過以上一系列電氣保護措施，確保機床安全可靠運行。

（5）刀具交換裝置傳動電路

該加工中心使用臺灣基輔刀庫，刀具容量為24，刀庫由交流異步電動機驅動凸輪機構實現運行，用接近開關計數，配合使用凸輪機械手，換刀速度快，定位準。當刀庫中有大直徑的刀具（刀具直徑超過相鄰刀套的中心距）時，為避免發生刀具干涉現象，換刀時需做大徑刀判斷后采用不同的換刀方式，如為大徑刀，使用固定刀套換刀方式，如果是小徑刀，則采用隨機換刀方式。刀具交換及大徑刀的判別由相應的宏程序或PLC 程序處理。

2.2 PLC 程序

PLC 程序是數控機床電氣控制的核心部分。數控機床的PLC 程序處理時間為幾十毫秒至上百毫秒，這個速度處理絕大多數信息已足夠了，但對某些要求快速響應的信號，這個處理速度就不夠了。因此，該加工中心PLC 程序設計分為高級程序和低級程序兩部分：其中，高級程序中編入了必須傳輸到數控系統要求快速處理的緊急停止信號；低級程序則按控制功能分幾個模塊編制，如主軸（正反轉、定向、變檔、換刀等），三個直線軸（進給、快速、回參考點等），操作面板，各種電動機（潤滑、冷卻等）。

圖2 為該加工中心X 軸+向運行的部分PLC 控制程序。其中F94.0 為參考點到達信號，R8.0 為X 軸選擇信號，X26.4 接X 軸＋向選擇按鈕。

圖2 X 軸+向運行部分PLC 程序

2.3 參數設定

參數是為完成數控系統與機床結構及機床各種功能的匹配而設置的值[3]。因此，在以上硬件電路及PLC 軟件程序設計的基礎上, 還應根據該加工中心具體結構、功能的要求，對機床的幾類參數，如系統參數、驅動參數等進行合理的設置，以充分發揮機床的性能，實現機床的正常使用。

3 結束語

機床的質量和生產效率與電氣控制能力及控制系統的形式密切相關。以上基于模塊化思路設計的加工中心，其電氣控制系統性能良好，運行穩定可靠，同時最大限度地降低了故障率，從而使該加工中心具有良好的工作性能，加工效率高,完全滿足生產要求。

[1]畢毓杰.機床數控技術[M].北京：機械工業出版社，1997.

[2]BEIJING-FANUC 技術部. BEIJING-FANUC 0i-C/0i Mate-C簡明聯機調試手冊[K]. 北京：北京發那科機電有限公司，2005.

[3]王 浩.數控機床電氣控制[M].北京：清華大學出版社，2006.