淺析數控機床電氣控制系統

摘 要： 數控機床電氣控制系統非常復雜，對于初學者而言很有必要理清這一系統的每個部分的組成和每一部分的關鍵點；電源部分要搞清楚每一支路設備、電壓要求和信號流；主軸驅動控制系統要搞清楚控制設備和對主軸做要求的項目的處理方式；進給驅動控制系統要搞清楚控制設備（方式）、指令的處理和檢測方式；交流控制線路的各個分支的控制內容；PMC控制電路和控制過程。

關鍵詞： 電源系統 模擬主軸 主軸方向信號 抑制電磁干擾 PMC

數控機床電氣控制系統是比較復雜的控制過程，理清和深入剖析這一系統的每一個組成單元對我們認識、應用和維修數控機床都有深遠意義。

一、數控機床電源系統（主電路）

1.數控系統的工作電源

電壓要求：DC 24V或AC 24V。

方法：系統變壓器+開關電源。

電壓信號變化為AC380V—AC220V—DC24V—CNC裝置。

作用：將數控系統和電網之間的直接的電聯系切斷（電氣隔離），以避免電網電壓波動及線路故障對數控系統產生干擾和影響。

開關電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。

信號變化為AC220V—整流DC300V—高頻信號—開關管導通與關斷—CNC裝置。

2.主軸驅動裝置的電源供給

（1）模擬主軸

方案：空氣開關+變頻器+交流電機。

（2）數字主軸

方案：伺服變壓器（或開關電源）+交流伺服驅動器+交流伺服電機。

3.進給驅動裝置的電源供給

開環控制：380/85V的變壓器+空氣開關+步進驅動器+步進電機。

半閉環控制：伺服變壓器（或開關電源）+交流伺服驅動器+交流伺服電機。

4.數控系統PMC的I/O電源：采用開關電源（DC24V）

數控機床PMC的輸入、輸出回路需要24V的直流電源，可以采用一個開關電源提供，但是這個開關電源一定要和為數控系統供電的開關電源共地；如果為數控系統供電的開關電源容量足夠，那么也可以同時作為PMC的I/O電源。

5.刀架電機電源供給：采用空氣開關

6.冷卻電機和潤滑電機的電源供給：采用空氣開關

7.機床照明和電柜風扇的電源供給

機床照明一般采用AC 36V或AC 24V，由于這兩個電壓都不是標準電壓，因此需采用照明變壓器為照明燈具供電。

二、主軸驅動控制系統的組成

主軸驅動系統一般采用變頻器+主軸電機的方式，下面是這一系統的組成和信號處理方法。

1.主軸速度信號的處理

主軸運行指令（如M03 S1000）—編譯、運算和邏輯處理—主軸速度信號（0—+10V或者4—20mA）—變頻器。

2.主軸方向信號的處理

單極性模擬主軸：0—10V，主軸電機的旋轉方向則由PLC控制。

雙極性模擬主軸：-10V—+10V，而主軸電機的旋轉方向不由PLC控制，而是由速度信號的正、負極性決定。

3.主軸速度檢測的處理

主軸控制系統一般設計為速度控制系統，目前主軸速度檢測最常用的做法是采用脈沖編碼器作為檢測元件。

4.主軸驅動器故障監控處理

現在使用的變頻器和交流伺服驅動器一般具有故障自診斷功能并提供有故障監控可編程I/O端口，其輸出形式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出等形式。I/O端口之間實質上是一種開關關系，開、關的狀態分別對應驅動器正常與否；由于數控機床的M、S、T三大輔助功能都是由PLC控制的，故可以將這一開關量作為數控系統PLC的一個輸入點，以此監控驅動器是否正常或就緒。自診斷功能實質上反映的是可編程I/O端口開、關的狀態。

5.主軸驅動器制動處理：制動組件

主軸驅動器一般都內置有制動組件，在機床主軸要求快速制動時，若內置的制動單元或電阻不足以消耗、吸收再生電能而導致直流部分過壓時，外接制動組件，加快消耗再生電能的速度。

6.接地處理：抑制電磁干擾

數控機床工作環境中的電磁和噪聲干擾是很嚴重的，作為精密加工設備的數控機床，其主軸驅動器必須采取有效的抗干擾措施。

變頻器主要采取正確的接地措施。變頻器的接地處理有兩個方面：一是對變頻器主回路PE端子正確接地，以提高變頻器抑制噪聲干擾的能力并減小變頻器對外界電氣設備的干擾。二是將變頻器的控制信號線（采用雙絞線或屏蔽線）屏蔽層接地，以排除外界對控制信號傳輸的干擾。

三、進給驅動控制系統的組成

常用的進給驅動控制系統的方式為：

開環控制：380/85V的變壓器+空氣開關+步進驅動器+步進電機。

半閉環控制：伺服變壓器（或開關電源）+交流伺服驅動器+交流伺服電機。

1.指令信號的處理過程

進給指令（如G01 X100 Z-20 F200）—編譯、運算和邏輯處理—指令脈沖信號（0—+10V或者4—20mA）—交流伺服驅動器—交流伺服電機。

2.編碼器反饋信號的處理

編碼器輸出信號的反饋方式主要有2種：可以將編碼器輸出信號直接送入數控系統的編碼器反饋接口；也可以將將編碼器的輸出信號先送至交流伺服驅動器，再由交流伺服驅動器反饋至數控系統的編碼器反饋接口。

四、交流控制電路

交流控制電路主要采用接觸器和繼電器控制的線路，主要有：電源啟動/停止控制（采用接觸器）、變頻器電源控制（可選）、交流伺服驅動器電源控制（可選）、刀架的正反轉控制（對車床而言）、冷卻控制、潤滑控制，電柜風扇、照明等。控制方式主要通過交流接觸器的通斷控制。

五、PMC控制電路

1.PMC定義

PMC其實就是PLC（可編程邏輯控制器），但是因為機床控制PLC是專門用于控制機床的，其中有多條專用指令，故而叫做PMC——可編程機床控制器。

2.數控機床PMC的信號處理

3.PMC控制內容

主要有：M、S、T功能（主軸速度大小由主軸驅動系統控制）、操作信號處理、急停控制、坐標軸控制、主軸控制、刀架控制、冷卻控制、導軌潤滑等。

以上是我對數控機床電氣控制系統第一組成部分的一些具體的分析，希望對研究數控機床電氣控制系統的初學者有所幫助。

參考文獻：

[1]廖兆榮，楊旭麗.數控機床電氣控制.北京：高等教育出版社，2008.

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