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

摘 要：數(shù)控機(jī)床作為綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、微電子、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、精密機(jī)械、液壓傳動(dòng)等技術(shù)的最新成果，屬完全新型的機(jī)械加工設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的深入發(fā)展及生產(chǎn)工藝的更新?lián)Q代，數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢(shì)頭，同時(shí)也成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。文章結(jié)合某加工中心的實(shí)際情況，著重探討數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)及設(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

1 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的深入發(fā)展及生產(chǎn)工藝的更新?lián)Q代，數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)逐步形成獨(dú)立的體系，同時(shí)也成為數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。若想實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的安全可靠性及生產(chǎn)效率與加工精度的提高，必須加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制原理及設(shè)計(jì)方法的研究。本文結(jié)合某立式加工中心的實(shí)際情況，著重介紹數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)及設(shè)計(jì)方法。該立式加工中心的電氣控制系統(tǒng)主要由βis系列交流進(jìn)給伺服電機(jī)組、βi交流主軸伺服電機(jī)、SVPM及FANUC Oi-Mate-MC CNC系列數(shù)字交流伺服模塊組成，其中SVPM屬進(jìn)給伺服模塊、主軸伺服模塊、電源模塊一體型設(shè)計(jì)，由此對(duì)串行主軸及進(jìn)給軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而體現(xiàn)出性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

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

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)具有控制原理復(fù)雜的特點(diǎn)，因此數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出顯著的復(fù)雜性。該立式加工中心的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用模塊化的思路，即把電氣控制系統(tǒng)劃分成參數(shù)設(shè)置、PLC程序、硬件電路三大模塊→再?gòu)目刂乒δ芙嵌劝汛巳竽K劃分成若干小模塊，由此實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)工作效率與品質(zhì)的提高。主要從硬件電路、PLC程序、參數(shù)設(shè)置三方面淺析數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 硬件電路

該立式加工中心的電氣控制主要以FANUC Oi-Mate-MC CNC為基礎(chǔ)。硬件電氣控制設(shè)計(jì)從控制功能角度具體劃分成若干小模塊，例如交流主傳動(dòng)電路、交流進(jìn)給傳動(dòng)電路、刀具交換裝置轉(zhuǎn)動(dòng)電路、急停監(jiān)控保護(hù)電路、整流裝置電路、機(jī)床操作板電路、電源電路、NC/PLC連接電路及潤(rùn)滑、冷卻、通風(fēng)裝置電路等。著重從下列方面淺析硬件電路的設(shè)計(jì)問題。

2.1.1 電源電路。電源電路要求根據(jù)所有控制裝置的相關(guān)要求完成電源設(shè)計(jì)，即伺服驅(qū)動(dòng)模塊與模塊風(fēng)機(jī)由源自伺服變壓器的220V實(shí)現(xiàn)供給；控制回路的接觸器由源自控制變壓器的110V實(shí)現(xiàn)供給；Z軸制動(dòng)器與電磁閥由27V經(jīng)整流器整流后輸出的-24V實(shí)現(xiàn)供給；控制變壓器輸出的220V具體分成兩路，其中數(shù)控機(jī)床的電氣箱冷氣機(jī)與床身潤(rùn)滑電機(jī)由某電路直接實(shí)現(xiàn)供給，伺服模塊、CNC、直流繼電器由剩余電路經(jīng)開關(guān)電源后輸出的-24V實(shí)現(xiàn)供給。

2.1.2 交流主傳動(dòng)電路。該立式加工中心對(duì)主軸的控制要求具體包括：較寬范圍內(nèi)相關(guān)速度必須具有連續(xù)可調(diào)性；不管采取何種速度，均可提供足夠的轉(zhuǎn)矩與功率，由此滿足切削所需；啟動(dòng)、制動(dòng)、正傳、反轉(zhuǎn)、準(zhǔn)停均可反復(fù)實(shí)現(xiàn)；刀具的自動(dòng)裝卸能夠有效實(shí)現(xiàn)，以滿足換刀自動(dòng)化。0～6000r/min范圍內(nèi)，該立式加工中心的主軸均可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，此外主軸電機(jī)的內(nèi)置編碼器可實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸速度、主軸位置進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)主軸閉環(huán)速度主要由主軸控制部分實(shí)現(xiàn)控制，但準(zhǔn)停期間要求實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。與此同時(shí)，經(jīng)CNC內(nèi)置的PLC可把主軸的實(shí)際工作狀態(tài)傳輸至CNC，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的各項(xiàng)功能進(jìn)行控制。

2.1.3 交流進(jìn)給傳動(dòng)電路。進(jìn)給系統(tǒng)的整體性能對(duì)整機(jī)的精度指標(biāo)與運(yùn)行狀態(tài)起著直接性的影響，同時(shí)進(jìn)給系統(tǒng)主要完成該立式加工中心直線坐標(biāo)軸的定位與切削供給。該立式加工中心進(jìn)給系統(tǒng)主要采用半閉環(huán)控制方式，其中電機(jī)與脈沖編碼器同軸，同時(shí)對(duì)速度與位置進(jìn)行反饋；X/Y/Z軸滾珠絲杠與伺服電機(jī)采取副直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，由此使伺服系統(tǒng)的各種非線性環(huán)節(jié)均外置閉環(huán)，例如，傳動(dòng)裝置間隙、絲杠剛度、摩擦阻尼等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，此外X/Y/Z方向支承導(dǎo)軌全部采用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，其中直線滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦力小、剛性高、定位精度高、軸移動(dòng)速度（24m/min）快等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.4 急停與監(jiān)控保護(hù)電路。急停與監(jiān)控保護(hù)電路要求對(duì)電機(jī)過載檢測(cè)（刀庫(kù)電機(jī)、潤(rùn)滑電機(jī)、冷卻電機(jī)、機(jī)械手電機(jī)）、數(shù)控機(jī)床緊急停止、機(jī)床潤(rùn)滑站的油位與壓力檢測(cè)、伺服變壓器過熱檢測(cè)等環(huán)節(jié)及機(jī)床運(yùn)行的異常警示指示進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)踐證實(shí)，上述電氣控制保護(hù)措施的有效落實(shí)對(duì)提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)行安全可靠性意義重大。

2.2 PLC程序

PLC程序往往被看作數(shù)控機(jī)床電氣控制的關(guān)鍵性部分，其中數(shù)控機(jī)床的PLC程序可達(dá)到幾十毫秒～幾百毫秒的處理時(shí)間，此速度完成能夠滿足絕大多數(shù)信息處理的要求，但就某些對(duì)響應(yīng)速度要求較高的信號(hào)而言，此處理速度亦存有某些局限性。鑒于此，該立式加工中心把PLC程序設(shè)計(jì)劃分成低級(jí)程序與高級(jí)程序兩大部分，其中從控制功能角度把低級(jí)程序劃分成若干模塊進(jìn)行編制，例如三大直線軸（如快速、進(jìn)給、回參考點(diǎn)等）、主軸（如變檔、正反轉(zhuǎn)、換刀、定向等）、各種電動(dòng)機(jī)（如冷卻、潤(rùn)滑等）及操作面板。該立式加工中心采用X軸+向運(yùn)行的部分PLC控制程序，具體見圖1。

備注：F94.0-參考點(diǎn)到達(dá)信號(hào)；R8.0-X軸選擇信號(hào)；X26.4-X軸+向選擇按鈕

圖1 X軸+向運(yùn)行的部分PLC控制程序

2.3 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)是指以完成機(jī)床各種功能及數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床結(jié)構(gòu)的匹配所設(shè)置的各種數(shù)值，所以必須以上述硬件電路設(shè)計(jì)及PLC程序設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，同時(shí)以該立式加工中心各項(xiàng)功能與結(jié)構(gòu)的具體要求為依據(jù)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)參數(shù)（如驅(qū)動(dòng)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等）進(jìn)行設(shè)置，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床整體性能的最大化發(fā)揮及數(shù)控機(jī)床的正常使用。

3 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)效率及整體質(zhì)量與電氣控制系統(tǒng)的形式與整體控制能力間關(guān)系密切。本文結(jié)合某立式加工中心的實(shí)際情況，詳細(xì)闡述了數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證實(shí)，上述模塊化設(shè)計(jì)思路對(duì)實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的提高、故障率的降低、加工效率的提高及整體工作性能的改善意義重大，因此本文所述設(shè)計(jì)方法能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求，值得類似加工中心借鑒。

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