淺談機床電氣的數控化

摘 要：機床電氣的數控化技術具有復雜性、多樣性、多變性的特點，我國在此技術方面還沒有完善的、成熟的理論體系，而當今此技術又非常重要，對此技術的研究具有非常重要的意義。文章就機床電氣的數控化系統的概念、特點、設計、改造與維護作了簡要分析，對數控化技術有一定的指導意義。

關鍵詞：機床電氣；數控化；系統

1 數控機床的概念及特點

1.1 數控機床的概念

數控機床是數字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。數控機床的控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件，數控機床的操作和監控全部在這個數控單元中完成，它是數控機床的大腦。

數控機床一般由主機，數控裝置，驅動裝置，輔助裝置，編程及其他附屬設備組成。主機包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件，可以完成各種切削加工；數控裝置包括硬件和軟件，硬件部分主要包括印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等，再配合相關的軟件系統，數控裝置可以完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能；驅動裝置包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等，在數控裝置的控制下，可以通過電氣或電液伺服系統實現主軸和進給驅動，完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工；輔助裝置包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數控轉臺和數控分度頭，還包括刀具及監控檢測裝置等，可以保證數控機床的正常冷卻、排屑、潤滑、照明、監測等工作；編程及其他附屬設備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。

1.2 機床電氣數控化系統的特點

加工精度高。機床電氣數控化系統采用先進的技術控制，實現了硬件操作與軟件控制的有效結合，能夠大大減少生產過程中的失誤，同時，該系統運用先進的控制系統，能夠實現精確的操作控制，因此具有加工精度高的特點，具有穩定的加工質量。

勞動量少，生產率高。機床電氣數控化系統的精度很高，可以根據實際加工需要選擇有利的加工用量，生產率一般可以達到普通機床的三到六倍；機床電氣數控化系統的自動化程度高，高新科技的運用在保證甚至提高生產質量的同時，更大大減少了工人的勞動強度；機床電氣數控化系統的生產具有相當大的靈活性，可以根據生產零件的變化進行控制程序的變更，也就無需返工，這樣大大節省了生產的時間。

技術含量高。機床電氣數控化系統運用了新型技術，實現了更多的功能，具有更高的技術含量，在實際應用中，操作人員也需要具備高素質，擁有一定的專業知識，尤其是機床電氣數控化系統的維修人員，更需要具備更多的專業知識，才能夠更好地對系統進行維護與修復。

2 機床電氣數控化系統的設計

2.1 對驅動電路的設計

驅動電路設計是對驅動器采用5細分（30拍）、10細分（60拍）的方式，這個方式是在三相六拍的基礎上進行的。細分后的電動機將縮小相應的步距角的倍數（如步距角為0.75的電動機，10細分后步距角變為0.075）。細分后小步進電動機的低頻振蕩被消除了，電動機的分辨率和運行特性也被相應的提高了，但是因為制造工藝上的誤差，導致實際的變頻率要稍低于理論上的分辨率的。可適應最惡劣電網環境的是三相混合式步進電機驅動器 SH-32206，80～220 V 交流供電，方向信號、脈沖信號和脫機信號接 CNC 裝置。雙極恒相流細分驅動，可以通過驅動器面板上的第 1、2、3、4 四個撥碼開關，提供16種可選細分模式；輸入信號光電隔離；過壓、過流保護、脫機保持功能、單/雙脈沖模式可選；自動半流；最大輸出驅動電流6A/相。

2.2 變頻器主軸的控制

主軸電機采用交流變頻控制電機，由變頻器進行控制。數控系統的驅動模塊端子75A與15A處輸出0～10V模擬電壓，該電壓就是變頻器的指令電壓。輸出的轉速是根據輸入的電壓的變化而變化的。當主軸電機需要正向旋轉時，PLC的Q4.0 輸出高電平，繼電器 KA1 吸合，使變頻端子27短接于31，同時驅動器 75A 端與 15 端之間輸出一個適應于電動機轉速的模擬電壓，主軸則會根據模擬電壓相應的速度爭相旋轉。當主軸電動機需要反向旋轉時，PLC的Q4.1 輸出高電平，繼電器 KA2 吸合，變頻器端子28短接于31，主軸電動機則反向旋轉。因為模擬主軸電機無編碼器，所以在發出轉速命令后，系統不能檢測到主軸是否運行。為解決這一問題，我們利用變頻器上的功能端子，將其通過參數設置成“到達指令頻率閉合”狀態，并通過PLC檢測此信號，從而監控電機的運轉。

2.3 系統的操控設計

電流（轉矩）控制環、速度控制環和位置控制環組成了數控機床運動坐標的電氣控制。對PLC程序的處理，要遵循盡量保留原PLC程序的基本原則，只是在原程序的外圍加一個轉換程序，將與系統有關的部分作必要的轉換，這樣可以最大限度地減少工作量，并最大限度地保留了原PLC程序中的一些安全保護措施。PLC程序是進行電控設計的關鍵。由于不同的西門子PLC產品系統不同，功能模塊也不同，因此我們在進行系統更新時要對系統功能塊進行相應的處理。西門子系統中的NC與PLC之間的通訊都是通過接口信號來實現的，接口信號通常包括NC→PLC和PLC→NC這兩部分，其中PLC→NC屬于控制信號，它主要完成對系統動作的控制；NC→PLC屬于系統給出的狀態信號，它主要用于判斷系統是否正確執行了控制信號。接口信號的雙向性決定了增添轉換程序時要設計兩個程序塊，其中一個用于處理NC→PLC的信號，另一個用于處理PLC→NC的信號。

3 機床電氣數控化系統的改造

機床電氣數控化系統要改造也就是對技術的創新，對性能、工作效率、機械精度的提高以及對自動化程度的增強。另外還有NC化，即把數顯裝置和數控系統裝在普通機床上，把它改造成CNC機床。對數控化電氣機床的診斷和修復機制也要著重改造。通過機床電氣數控化系統以上幾個方面的改造，可以使數控化機床的性能得以穩定，增強了可靠性，避免了因為應力變形而產生的精度影響；生產率也有所提高，一般改造后的機床的工作效率可以提高3～5倍；也節省了經濟成本，對機床電氣的數控改造要比購置新機床大約節省40%～60%。

4 機床電氣數控化系統的維護

對操作人員來說，機床電氣數控化系統具有嚴格的操作流程與操作規定，操作人員在使用過程中，一定要嚴格遵守該系統的操作流程，避免操作失誤的發生。對維護人員來說，機床電氣數控化系統采用的都是精密儀器，非常容易受到外界因素的影響，要想保證系統儀器的正常使用，維護人員就要對該系統進行必要的防塵、防火等處理工作，漂浮的灰塵和金屬粉末進入數控系統內部，容易引起元器件間絕緣電阻下降，從而出現故障甚至損壞元器件；維護人員需要定時清掃數控柜的散熱通風系統，防止數控系統內熱量積聚內部元器件；機床電氣數控化系統的正常使用需要一定的電壓，維護人員需要經常監視數控系統的電網電壓，防止電壓異常對數控系統產生不良影響。

5 結束語

我國的機床數控化技術不能停留在當下階段，我們要與時俱進，發展高精度、高性能、高效率的數控化系統，要逐步實現智能化標準，隨著電氣化技術的發展，機床電氣數控化系統的應用范圍將逐漸擴大。

參考文獻

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