數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)及設(shè)計(jì)方法探析

摘 要：數(shù)控機(jī)床作為微電子、精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動感應(yīng)、液壓傳動、自動控制等技術(shù)的綜合應(yīng)用，是一種全新的加工設(shè)備。伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的深入發(fā)展以及生產(chǎn)技術(shù)的升級，數(shù)控機(jī)床的電控技術(shù)呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的勢頭，也已成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文結(jié)合特定加工中心的實(shí)際情況，介紹了數(shù)控機(jī)床的電氣控制技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床電氣;控制技術(shù);設(shè)計(jì)方法

數(shù)控機(jī)床集檢測技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動控制技術(shù)于一體，有效解決了高混合、小批量生產(chǎn)、精密、零件加工復(fù)雜的問題。如今，它已成為中國機(jī)械制造業(yè)中最常用的設(shè)備之一。因此，數(shù)控機(jī)床的研究受到了工業(yè)界的廣泛關(guān)注，而作為數(shù)控機(jī)床主要組成部分的電氣控制系統(tǒng)成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工作的核心。

1 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的深入發(fā)展以及生產(chǎn)工藝的升級，數(shù)控機(jī)床的電控技術(shù)逐漸形成一個獨(dú)立的系統(tǒng)，成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的重要組成部分。如果要提高數(shù)控機(jī)床的安全性、可靠性、生產(chǎn)效率和加工精度，就需要加強(qiáng)對數(shù)控機(jī)床電氣控制原理和設(shè)計(jì)方法的研究。針對立式加工中心的實(shí)際情況，我們重點(diǎn)介紹數(shù)控機(jī)床的電氣控制技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。該立式加工中心的電控系統(tǒng)主要由Bi交流主軸伺服電機(jī)、SVPM、13is系列交流進(jìn)給伺服電機(jī)組和FANUCOi-Mate-MCCNC系列數(shù)字交流伺服模塊組成，SVPM是進(jìn)給伺服模塊和主軸伺服。驅(qū)動串行主軸和進(jìn)給軸的模塊和功率模塊的集成設(shè)計(jì)顯示出高性價比和緊湊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

2 數(shù)控機(jī)床工作原理及構(gòu)成

1）數(shù)控機(jī)床工作原理。CNC機(jī)床不同于普通機(jī)床。其數(shù)控機(jī)床的工作原理根據(jù)零件的要求，使用CNC語言編寫加工順序和參數(shù)程序。在CNC設(shè)備對程序進(jìn)行分析和處理之后，將執(zhí)行指令發(fā)送到伺服系統(tǒng)，以驅(qū)動并完成機(jī)床的運(yùn)動部件。圖1顯示了正在進(jìn)行的過程。

2）數(shù)控機(jī)床構(gòu)成。CNC機(jī)床的復(fù)雜配置包括電子控制單元、機(jī)體、伺服系統(tǒng)、電源、檢測傳感器零件等。其中，伺服系統(tǒng)控制運(yùn)動零件并執(zhí)行相關(guān)運(yùn)動以調(diào)整運(yùn)動速度和精度，以滿足零件加工的需要。檢測傳感器檢測轉(zhuǎn)臺的角位移和工作臺的線性位移，并將檢測結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示或反饋控制。電子控制單元（計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床、CNC）對各種數(shù)字信息進(jìn)行解碼，計(jì)算和邏輯處理，將生成的命令信息發(fā)送到伺服系統(tǒng)，然后根據(jù)設(shè)置的動作將其發(fā)送到機(jī)床提示進(jìn)行處理。電源向機(jī)床提供電能以驅(qū)動機(jī)床，機(jī)床主體為各種切削提供了可操作的平臺。

3 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路

1）電源電路和交流主傳動電路。需要電源電路根據(jù)所有控制設(shè)備的相關(guān)要求來完成電源設(shè)計(jì)。換句話說，伺服驅(qū)動器模塊和模塊風(fēng)扇由伺服變壓器提供220V的電壓。從控制變壓器向控制變壓器接觸器提供1 IOV。Z軸制動器和電磁閥由整流器整流后的27V輸出24V供電。控制變壓器的220V輸出清楚地分為兩個電路，數(shù)控機(jī)床的電氣箱空調(diào)和床潤滑馬達(dá)由特定電路、伺服模塊、CNC、DC繼電器以及開關(guān)電源后的其余電路的24V輸出供電。主軸的垂直加工中心控制要求包括：所涉及的速度必須在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，無論選擇哪種速度，它都可以提供足夠的扭矩和功率，以滿足切割需求。制動、正向傳動、反向旋轉(zhuǎn)、精確停止都可以反復(fù)實(shí)現(xiàn)，并且可以有效實(shí)現(xiàn)工具的自動裝卸，以支持自動換刀。該立式加工中心的主軸可以在0至6000fmin的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。另外，主軸電機(jī)的內(nèi)置編碼器可以檢測主軸速度和主軸位置，主軸的閉環(huán)速度主要由主軸控制器來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行控制，但在精確的停止期間需要閉環(huán)位置控制。同時，主軸的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)可以通過內(nèi)置在CNC中的PLC發(fā)送到CNC，從而可以控制主軸的各種功能。

2）交流進(jìn)給傳動電路。整個進(jìn)給系統(tǒng)的能量直接影響著整機(jī)的精度指標(biāo)和工作狀態(tài)，同時主要完成立式加工中心的線性坐標(biāo)軸定位和切削供給。立式加工中心的進(jìn)給系統(tǒng)主要采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)、電機(jī)與脈沖編碼器同軸，速度和位置同時反饋，X/YfZ軸的滾珠絲杠與伺服電機(jī)配對。伺服系統(tǒng)中的各種非線性環(huán)節(jié)都是外部閉環(huán)，如傳動間隙、螺桿剛度、摩擦阻尼等，以提高數(shù)控機(jī)床電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，X/Y/Z方向支撐導(dǎo)軌，全部使用直線運(yùn)動滾動導(dǎo)軌，該直線運(yùn)動滾動導(dǎo)軌具有低摩擦、高剛度、高定位精度、高速軸移動速度（24m/min）具有優(yōu)勢。

3.2 PLC程序

PLC程序通常被認(rèn)為是CNC機(jī)床電氣控制的重要組成部分，CNC機(jī)床上的PLC程序可以達(dá)到數(shù)十到數(shù)百毫秒的處理時間，此速度可以滿足大多數(shù)信息處理要求。對于某些需要高響應(yīng)速度的信號，此處理速度也有一些限制。因此，立式加工中心將PLC程序設(shè)計(jì)分為低級程序和高級程序。從控制功能的角度來看，低級程序由三個線性軸（高速、進(jìn)給、原點(diǎn)復(fù)歸等），主軸（速度變化、正向/反向旋轉(zhuǎn)、換刀、姿態(tài)等），各種電機(jī)（冷卻、潤滑等），操作組成。板該立式加工中心使用了一部分在x軸+方向上執(zhí)行的PLC控制程序，如圖2所示。

開關(guān)及緊急停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。開關(guān)和緊急停止系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制CNC機(jī)床的啟動和停止，特別是在異常之后，以防止損壞機(jī)床組件和操作機(jī)床，而這可能會對操作人員造成人身傷害。因此，在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中不能忽略此內(nèi)容設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)開關(guān)和緊急停止系統(tǒng)的工作過程是，當(dāng)按下系統(tǒng)的主開關(guān)時，中間繼電器將接通電能，整個系統(tǒng)將開始工作。同時，弱電流系統(tǒng)通過開關(guān)電源供電，按下緊急停止按鈕將關(guān)閉中間繼電器，并關(guān)閉進(jìn)給軸和主軸系統(tǒng)的電源。在這段時間內(nèi)，控制信號燈的繼電器閉合并打開。紅燈會亮起，并且會響起警報(bào)，提醒操作員及時進(jìn)行故障排除。完全清除故障后，可以重新啟動系統(tǒng)。

4 結(jié)語

總而言之，氣控制系統(tǒng)的形式和整體控制能力與數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率和整體質(zhì)量密切相關(guān)。在本文中，詳細(xì)介紹了數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及立式加工中心的實(shí)際情況。實(shí)際上，上述模塊化設(shè)計(jì)思想對于實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、降低故障率、提高處理效率以及改善整體工作性能非常重要。

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作者簡介

席君（1970-），男，漢族，安徽宿州人，本科，安徽省宿州市工業(yè)學(xué)校，講師，研究方向：電器控制。