機床數控化電氣設計策略之我見

張琳

摘要：機床數控化改造不僅是經濟又見效快的途徑，而且節約能源、實現廢品資源化和保護環境的目的。我們必須加快機床數控化的進度。但是機床的數控化改造不能停留在現有階段，應緊跟世界潮流，發展多軸聯動數控系統，開發高速、高精度、高效加工中心等關鍵技術，向智能化方高發展。

關鍵詞：機床改造;電氣控制;電氣設計

目前許多數控化改造的設計存在諸多問題：選擇電機參數時，使用的計算方法欠精確;數控系統類型和功能選擇不合理;電氣部分的改造不規范等等。因為數控機床電氣設計、應用與維修技術工作的復雜性、多樣性和多變性以及一些客觀環境因索的制約，在數控機床電氣控制方而還沒有形成一套成熟的、完整的理論體系。本文將對機床數控化改造進行歸納總結和分析，以求對該學科理論的發展及工程技術人員的實踐有所裨益，為普通機床數控化改造中的電氣設計提供依據。

一、機床數控化改造作用分析

對普通機床進行數控化改造，關鍵技術在于對機床精度的恢復。舊機床一般在工作車間已經工作多年，其中導軌、溜板等都有不同程度的磨損。在有條件的時候，按常規機床大修的方法，對機床導軌進行磨削，磨削量以保持床面有一定的表面硬化層為宜。若舊機床磨損嚴重，磨削后，表面硬化層已去除，可采用電刷鍍的方法加工耐磨表層。與床身相匹配的溜板，一般可采用刮研的方法修配恢復精度。在導軌磨損量較大的情況下，也可采用貼塑工藝恢復機床導軌精度。主軸精度的修復是改造機床維修的另一個側重點。可采用更換主軸軸承等傳統方法配合電刷鍍工藝完成。主軸箱通常需單獨修復，并調試驗收精度。有些磨損量小的機床也可以采用表面工程技術在現場操作，恢復機床精度。

二、機床數控化電氣設計方法分析

在確定改造方案時，由于受經費等多方面因素的影響，絕大多數用戶都會保留驅動及電機部分而只更換系統。考慮到延續性和兼容性，如果用戶在經費方面沒有問題，我們通常采用SIEMENS802D系統。該系統是西門子公司于20世紀90年代中期推出的一款純數字高檔數控系統，與之匹配的驅動和電機也都是數字的。其由于具有功能強大、使用靈活等特點，自問世以來，在機械加工設備中得到了廣泛的應用。國內車床數控系統基本上都是采用西門子公司生產的8M系統，PLC通常采用西門子公司生產的$5--150系列，驅動部分則大多采用西門子公司生產的直流驅動。要根據所選系統的不同來選擇相應的PLC。SIDlENs802D系統所配的PLC是S5-135wD，該類型PLC硬件有2種選擇形式：一種選擇是分布I/O（DMP），另一種選擇是擴展單元185U。通過對2種選擇的比較分析可知，DMP的接線比較麻煩，但是價格較便宜，而185U接線比較簡單，但是價格較貴。如果單純只從使用的角度進行選擇的話，以上2種方案都可以滿足系統的功能要求。

三、機床數控化電氣設計對策分析

（一）驅動電路設計

驅動電路設計，采用對驅動器在三相六拍的基礎上進行5細分（30拍），10細分（60拍）。細分后電動機運行的步距角將要縮小相應的倍數（如步距角為0.75的電動機，10細分后電動機運行的步距角為0.075）。細分后消除了小步進電動機的低頻振蕩，提高了電動機的分辨率和運行特性，由于制造工藝的問題，實際上的分辨率會稍低于理論細分的精度。三相混合式步進電機驅動器SH-32206，80～220V交流供電，可適應最惡劣電網環境。脈沖信號、方向信號和脫機信號接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，可供選擇16種細分模式。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。

（二）變速控制電路設計

變頻器主軸變速控制電路中主要包含有交流電動機，兩個接觸器（KMI、KM2）。數控系統的驅動模塊端子與輸出O～10V模擬電壓，該電壓作為變頻器的指令電壓。當交流電機正向旋轉時，PLC的Q4.0端輸出高電平，繼電器KMI觸點立即吸合，從而使得變頻器的端子之間連接起來，與此同時驅動器前端與后端之間輸出一個用于控制電動機轉速的模擬電壓，從而帶動主軸的旋轉。當主軸電動機進行反向旋轉時，PLC的Q4.1端輸出高電平，繼電器KM2觸點立即吸合，從而使得變頻器端子之間連接起來，進而使主軸電動機進行反轉，當變頻器發生過載情況時，變頻器的端子產生信號至數控系統的PLC，進而進行動作并發出報警信號。

（三）加工精度控制設計

對舊機床改造，除系統升級外，改造者面臨的另一關鍵問題就是 機械精度問題。機械精度恢復的如何，直接關系到改造的整體效果。 而一般機床經多年使用后，由于使用條件和環境的不同，會造成多方 面的磨損或損傷，如軸承、絲桿、導軌等都會直接影響機床的整體精 度。本次改造除更換受損的軸承、聯軸器等外還對導軌的鑲條、貼塑 面等結合部件進行鏟刮重新裝配后，機床的主要幾何精度指標均達到 相關標準要求。而在測量定位精度時，發現定位精度和重復定位精度 指標嚴重超標，分別為 0.035 和 0.025mm。于是決定啟用系統提供的螺 距補償功能。使用激光干涉儀分別對三個軸進行定位檢測，檢測間距 選擇 40mm，在整個行程范圍內，記錄下所有檢測點的誤差值，將這些 誤差值輸入至系統提供的補償參數中，再進行測量，結果效果非常明 顯。補償后的定位精度和重復定位精度分別為 0.015 和 0.010mm（此精 度指標雖不理想，但作為改造機床已能滿足一般的加工要求）。

四、結束語

本文將從數控系統的設計、加工精度、機床運動坐標軸等的控制設計入手，較詳細地闡述了機床的數控化改造電氣控制設計的 方案，對機床電氣系統進行改造設計，使原有的機床在某些方面性能和功能方面有較大的提高，基本可達到普通數控機床的加工要求。

參考文獻：

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