淺談機(jī)床電氣的數(shù)控化

王貴學(xué)

摘 要：機(jī)床電氣的數(shù)控化技術(shù)具有復(fù)雜性、多樣性、多變性的特點，我國在此技術(shù)方面還沒有完善的、成熟的理論體系，而當(dāng)今此技術(shù)又非常重要，對此技術(shù)的研究具有非常重要的意義。文章就機(jī)床電氣的數(shù)控化系統(tǒng)的概念、特點、設(shè)計、改造與維護(hù)作了簡要分析，對數(shù)控化技術(shù)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)床電氣；數(shù)控化；系統(tǒng)

1 數(shù)控機(jī)床的概念及特點

1.1 數(shù)控機(jī)床的概念

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

數(shù)控機(jī)床一般由主機(jī)，數(shù)控裝置，驅(qū)動裝置，輔助裝置，編程及其他附屬設(shè)備組成。主機(jī)包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，可以完成各種切削加工；數(shù)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(jī)等，再配合相關(guān)的軟件系統(tǒng)，數(shù)控裝置可以完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運算以及實現(xiàn)各種控制功能；驅(qū)動裝置包括主軸驅(qū)動單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)等，在數(shù)控裝置的控制下，可以通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)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(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等，可以保證數(shù)控機(jī)床的正常冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等工作；編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲等。

1.2 機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的特點

加工精度高。機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù)控制，實現(xiàn)了硬件操作與軟件控制的有效結(jié)合，能夠大大減少生產(chǎn)過程中的失誤，同時，該系統(tǒng)運用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的操作控制，因此具有加工精度高的特點，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量。

勞動量少，生產(chǎn)率高。機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的精度很高，可以根據(jù)實際加工需要選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率一般可以達(dá)到普通機(jī)床的三到六倍；機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的自動化程度高，高新科技的運用在保證甚至提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時，更大大減少了工人的勞動強(qiáng)度；機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的生產(chǎn)具有相當(dāng)大的靈活性，可以根據(jù)生產(chǎn)零件的變化進(jìn)行控制程序的變更，也就無需返工，這樣大大節(jié)省了生產(chǎn)的時間。

技術(shù)含量高。機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)運用了新型技術(shù)，實現(xiàn)了更多的功能，具有更高的技術(shù)含量，在實際應(yīng)用中，操作人員也需要具備高素質(zhì)，擁有一定的專業(yè)知識，尤其是機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的維修人員，更需要具備更多的專業(yè)知識，才能夠更好地對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與修復(fù)。

2 機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 對驅(qū)動電路的設(shè)計

驅(qū)動電路設(shè)計是對驅(qū)動器采用5細(xì)分（30拍）、10細(xì)分（60拍）的方式，這個方式是在三相六拍的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。細(xì)分后的電動機(jī)將縮小相應(yīng)的步距角的倍數(shù)（如步距角為0.75的電動機(jī)，10細(xì)分后步距角變?yōu)?.075）。細(xì)分后小步進(jìn)電動機(jī)的低頻振蕩被消除了，電動機(jī)的分辨率和運行特性也被相應(yīng)的提高了，但是因為制造工藝上的誤差，導(dǎo)致實際的變頻率要稍低于理論上的分辨率的?？蛇m應(yīng)最惡劣電網(wǎng)環(huán)境的是三相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 SH-32206，80～220 V 交流供電，方向信號、脈沖信號和脫機(jī)信號接 CNC 裝置。雙極恒相流細(xì)分驅(qū)動，可以通過驅(qū)動器面板上的第 1、2、3、4 四個撥碼開關(guān)，提供16種可選細(xì)分模式；輸入信號光電隔離；過壓、過流保護(hù)、脫機(jī)保持功能、單/雙脈沖模式可選；自動半流；最大輸出驅(qū)動電流6A/相。

2.2 變頻器主軸的控制

主軸電機(jī)采用交流變頻控制電機(jī)，由變頻器進(jìn)行控制。數(shù)控系統(tǒng)的驅(qū)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(zhuǎn)速是根據(jù)輸入的電壓的變化而變化的。當(dāng)主軸電機(jī)需要正向旋轉(zhuǎn)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(qū)動器 75A 端與 15 端之間輸出一個適應(yīng)于電動機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬電壓，主軸則會根據(jù)模擬電壓相應(yīng)的速度爭相旋轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸電動機(jī)需要反向旋轉(zhuǎn)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(jī)則反向旋轉(zhuǎn)。因為模擬主軸電機(jī)無編碼器，所以在發(fā)出轉(zhuǎn)速命令后，系統(tǒng)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(shù)設(shè)置成“到達(dá)指令頻率閉合”狀態(tài)，并通過PLC檢測此信號，從而監(jiān)控電機(jī)的運轉(zhuǎn)。

2.3 系統(tǒng)的操控設(shè)計

電流（轉(zhuǎn)矩）控制環(huán)、速度控制環(huán)和位置控制環(huán)組成了數(shù)控機(jī)床運動坐標(biāo)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(zhuǎn)換程序，將與系統(tǒng)有關(guān)的部分作必要的轉(zhuǎn)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(hù)措施。PLC程序是進(jìn)行電控設(shè)計的關(guān)鍵。由于不同的西門子PLC產(chǎn)品系統(tǒng)不同，功能模塊也不同，因此我們在進(jìn)行系統(tǒng)更新時要對系統(tǒng)功能塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。西門子系統(tǒng)中的NC與PLC之間的通訊都是通過接口信號來實現(xiàn)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(tǒng)動作的控制；NC→PLC屬于系統(tǒng)給出的狀態(tài)信號，它主要用于判斷系統(tǒng)是否正確執(zhí)行了控制信號。接口信號的雙向性決定了增添轉(zhuǎn)換程序時要設(shè)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(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的改造

機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)要改造也就是對技術(shù)的創(chuàng)新，對性能、工作效率、機(jī)械精度的提高以及對自動化程度的增強(qiáng)。另外還有NC化，即把數(shù)顯裝置和數(shù)控系統(tǒng)裝在普通機(jī)床上，把它改造成CNC機(jī)床。對數(shù)控化電氣機(jī)床的診斷和修復(fù)機(jī)制也要著重改造。通過機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)以上幾個方面的改造，可以使數(shù)控化機(jī)床的性能得以穩(wěn)定，增強(qiáng)了可靠性，避免了因為應(yīng)力變形而產(chǎn)生的精度影響；生產(chǎn)率也有所提高，一般改造后的機(jī)床的工作效率可以提高3～5倍；也節(jié)省了經(jīng)濟(jì)成本，對機(jī)床電氣的數(shù)控改造要比購置新機(jī)床大約節(jié)省40%～60%。

4 機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的維護(hù)

對操作人員來說，機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)具有嚴(yán)格的操作流程與操作規(guī)定，操作人員在使用過程中，一定要嚴(yán)格遵守該系統(tǒng)的操作流程，避免操作失誤的發(fā)生。對維護(hù)人員來說，機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)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(tǒng)儀器的正常使用，維護(hù)人員就要對該系統(tǒng)進(jìn)行必要的防塵、防火等處理工作，漂浮的灰塵和金屬粉末進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，容易引起元器件間絕緣電阻下降，從而出現(xiàn)故障甚至損壞元器件；維護(hù)人員需要定時清掃數(shù)控柜的散熱通風(fēng)系統(tǒng)，防止數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)熱量積聚內(nèi)部元器件；機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的正常使用需要一定的電壓，維護(hù)人員需要經(jīng)常監(jiān)視數(shù)控系統(tǒng)的電網(wǎng)電壓，防止電壓異常對數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

5 結(jié)束語

我國的機(jī)床數(shù)控化技術(shù)不能停留在當(dāng)下階段，我們要與時俱進(jìn)，發(fā)展高精度、高性能、高效率的數(shù)控化系統(tǒng)，要逐步實現(xiàn)智能化標(biāo)準(zhǔn)，隨著電氣化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床電氣數(shù)控化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將逐漸擴(kuò)大。

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