數控機床電氣控制系統的設計研究

馮娟

摘 要：數控機床作為一種重要的加工生產設備，被廣泛應用在多個領域。而電氣控制系統是數控機床的核心，其設計水平對整個數控機床的運行效率有直接影響。因此，應結合數控機床的運行和使用要求，優化和改進電氣控制系統的設計方案，積極運用多種先進的科學技術提高數控機床的穩定性和經濟效益。簡要分析了數控機床電氣控制系統的設計方案，以供參考。

關鍵詞：數控機床；電氣控制系統；微電子技術；加工精度

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.087

隨著計算機技術、微電子技術的快速發展，數控機床的自動化水平有了明顯提高。當前的數控機床電氣控制系統還有一定的優化空間。為了更好地滿足市場需求，進一步提高數控機床的可操控性和加工精度，推動生產工藝的轉型升級、更新換代，相關研究人員應從多方面考慮，采用先進的設計方法，結合電氣控制理論知識，做好數控機床電氣控制系統的設計工作。

1 數控機床概述

在實際應用中，數控機床可按照內部控制程序自動化運行，常用于控制冷卻設備、開關和刀具等，并可將數字指令轉換為機械運行語言，從而實現內部程序設計對數控機床動作的控制。數控機床之所以被應用于多個領域，是因為它具有多方面的應用優勢：①在規定加工時間內的加工效率較高，可有效縮短生產周期；②數控機床具有良好的適應性，可加工一些形狀比較復雜的零件；③由于生產時間有限，數控機床利用內部的編程程序規范化了零件的生產流程，從而為生產管理提供了方便；④運用數控機床加工的零件的精度較高，結構形式比較標準，具有互換性；⑤數控機床的加工生產流程比較規范，零件質量較高；⑥數控機床的加工生產效率和自動化程度較高，加工速度非常快，且可加工多樣化的零件。

2 數控機床電氣控制系統的設計

數控機床電氣控制系統的設計是一項非常專業的工作。為了充分發揮數控機床電氣控制系統的應用優勢，基于模塊化的設計理念，合理地將數控機床電氣控制系統劃分為了3個模塊，即硬件電路、PLC程序和參數設置。從數控機床的控制管理角度，可將這3個模塊劃分為多個小模塊，從而提高數控機床電氣控制系統的設計水平。

2.1 硬件電路設計

按照不同的控制功能，數控機床電氣控制系統可以劃分為多個小模塊，比如通風、冷卻電路、電源電路、操作板電路、整流電路、監控保護電路、刀具交換轉動電路、交流進給和主傳動電路等。本文著重研究比較關鍵的電路設計部分。

2.1.1 監控和急停保護電路

數控機床的運行具有一定的危險性，因此，監控和急停保護電路的設計非常重要。監控和急停保護電路包括伺服變壓器過熱檢測、機床壓力和潤滑油位檢測、數控機床急停以及機械電機、冷卻電機、潤滑電機和刀庫電機等的過載檢測。如果數控機床在運行過程中存在問題或異常情況，則監控和急停保護電路會及時發出報警信息。因此，應做好電氣控制系統的保護工作，從而確保數控機床的運行可靠、穩定、安全。

2.1.2 電源電路

電源電路是數控機床電氣控制系統的核心部分，必須按照數控機床的運行要求和電氣控制標準優化電源設計。具體而言，應采用220 V的伺服變壓器，并合理設置數控機床風機和伺服驅動模塊，從而確保能源供給的穩定性。此外還應采用110 V控制變壓器為電氣控制系統中的接觸器供電，27 V的電壓通過整流器整流后轉換為-24 V，進而為電磁閥和Z軸制動器供電。數控機床電氣控制系統主要包括2條220 V電路，其中一條電路直接為數控機床的床身潤滑電機和電氣箱冷氣機供電；另一條電路經過開關電源后輸出-24 V的電壓，為數控機床的直流繼電器、CNC和伺服模塊供電。

2.1.3 交流進給傳動電路

交流進給傳動電路的設計關系著整個數控機床的運行狀態和精度指標。在實際應用中，數控機床進給系統主要用于加工制作過程中的切削供給和中心直線坐標軸的定位。這種交流進給傳動電路設計采用半閉環控制的形式，脈沖編碼器與電機同軸，可實現對數控機床操作位置和速度的反饋。伺服電機和滾珠絲杠主要采用副直聯驅動的方式，電氣控制伺服系統中的摩擦阻尼、絲杠剛度、傳動裝置間隙等非線性模塊均采用閉環控制的方式，從而有效提高了數控機床電氣控制系統的可靠性和穩定性。此外，數控機床中的X軸、Y軸和Z軸的支撐導軌設置為直線滾動式導軌，這種導軌具有較快的軸移動速度，定位精度比普通滾動導軌高，且剛度大、摩擦力小、使用壽命較長。

2.1.4 交流主傳動電路

對于數控機床交流主傳動電路的設計而言，必須在滿足規定要求的前提下，保證數控機床的運行速度，并實現數控機床的自動換刀。此外，還應合理設置刀具的自動化裝卸模塊，從而反復實現數控機床的準停、反轉、正轉、制動、啟動等環節。無論運行速度快或慢，都必須提供足夠的運行功率和轉矩。

2.2 軟件部分設計

2.2.1 參數設置

數控機床電氣控制系統主要利用的是PLC可編程控制器。因此，應結合數控機床的結構和使用功能，合理設置電氣控制參數；基于數控機床電氣控制系統的結構和功能要求設置系統參數和驅動參數，從而使數控機床嚴格按照要求運行。

2.2.2 PLC程序設計

PLC程序設計是整個數控機床電氣控制系統設計的核心。PLC程序的處理時間為10～100 ms，可滿足數控機床的運行要求。但對于某些需要較快響應速度的數控機床而言，PLC的程序設計應包括高級程序和低級程序。根據不同的控制功能，又可以將低級程序合理地劃分為多個不同的小模塊，比如操作面板、潤滑和冷卻電動機、主軸定向、換刀、正反轉、變檔、回參考點和進給等。通過編制合理的PLC程序，可實現對數控機床電氣控制系統的精確控制。