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

楊海燕

摘 要：數(shù)控機(jī)床具有加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械生產(chǎn)及零件加工中。數(shù)控機(jī)床構(gòu)成復(fù)雜，其中電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，其質(zhì)量是衡量數(shù)控機(jī)床優(yōu)良性能的重要指標(biāo)。因此，在明確數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，做好數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對提升數(shù)控機(jī)床性能具有重要意義。

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)床融合計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等，有效地解決了多品種、小批量、精密、復(fù)雜零件加工問題，是當(dāng)前我國機(jī)械制造業(yè)中常用設(shè)備之一，因此，有關(guān)數(shù)控機(jī)床的研究，受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，尤其作為數(shù)控機(jī)床主要構(gòu)成部分的電氣控制系統(tǒng)，是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。

1 數(shù)控機(jī)床構(gòu)成及工作原理

1.1數(shù)控機(jī)床構(gòu)成

數(shù)控機(jī)床構(gòu)成復(fù)雜包括伺服系統(tǒng)、檢測傳感部分、電子控制單元、動力源、機(jī)械本體等，其中伺服系統(tǒng)控制移動部件做相關(guān)運(yùn)動，對運(yùn)動速度及精度進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足零件加工需求。檢測傳感部分負(fù)責(zé)檢測回轉(zhuǎn)工作臺角度位移、工作臺直線位移，并將檢測結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)加以顯示，或進(jìn)行反饋控制。電子控制單元（Computerized Numerical ControlMachine，CNC）負(fù)責(zé)譯碼、運(yùn)算以及邏輯處理各種數(shù)字信息，并將生成的指令信息傳輸給伺服系統(tǒng)，促使機(jī)床依據(jù)設(shè)定的動作進(jìn)行加工。動力源負(fù)責(zé)將電能提供給機(jī)床，驅(qū)使機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)床本體為各種切削提供可操作的平臺。

1.2數(shù)控機(jī)床工作原理

數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床不同，工作原理為：根據(jù)零件加工要求，使用數(shù)控語言，編寫加工順序、參數(shù)程序，程序經(jīng)CNC裝置分析、處理后，將執(zhí)行指令發(fā)送給伺服系統(tǒng)，驅(qū)使機(jī)床移動部分移動完成加工，流程如圖1所示。

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

數(shù)控機(jī)床的種類較多，依據(jù)工藝用途，可將數(shù)控機(jī)床分為一般數(shù)控機(jī)床、加工中心、特種數(shù)控機(jī)床。本文探討的機(jī)床為立式銑床，在主軸驅(qū)動下，進(jìn)行工件切削旋轉(zhuǎn)，用于加工小型磨具、汽車配件、五金產(chǎn)品等。該數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，其中主軸電機(jī)電氣控制系統(tǒng)、進(jìn)給軸控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制模塊、開關(guān)及緊急停車系統(tǒng)是電氣控制系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)工作的重要內(nèi)容，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員足夠的重視，現(xiàn)對電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

2.1主軸電機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主軸電機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作應(yīng)在明確控制原理以及工作過程的基礎(chǔ)上進(jìn)行，認(rèn)真考慮各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

首先，選擇合適配件。對數(shù)控機(jī)床用途進(jìn)行分析，認(rèn)真對比不同類型號主軸電機(jī)、變頻器，額定電壓、額定電流、額定功率等參數(shù)，選擇最佳的組合，滿足加工工作要求。主軸電機(jī)運(yùn)行的控制過程為：數(shù)控系統(tǒng)CNC將使能信號傳輸給主軸驅(qū)動器，使主軸電機(jī)做好啟動準(zhǔn)備，而后等待啟動命令，從CNC鍵盤輸入啟動命令，便可啟動運(yùn)轉(zhuǎn)。其次，做好主軸保護(hù)。主軸運(yùn)行時，為防止出現(xiàn)異常，損壞主軸電機(jī)，設(shè)計(jì)時應(yīng)采取措施保護(hù)主軸。一方面，設(shè)置過熱溫度閥值，如設(shè)為110℃，一旦溫度超過該值，自動向系統(tǒng)傳輸過熱信號，系統(tǒng)接收到信號后報警。另外，變頻器對電機(jī)內(nèi)部電流、功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行檢測，并將異常信息傳輸給CNC系統(tǒng)，顯示相關(guān)類型的報警。另一方面，當(dāng)出現(xiàn)干擾嚴(yán)重、電壓不穩(wěn)、突然斷電等不良狀況時，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)能作出響應(yīng)，將異常造成的影響降到最低，例如，供電突然中斷時，PLC、變頻器、CNC內(nèi)部電源負(fù)責(zé)存儲重要的程序及參數(shù)，供電恢復(fù)后能繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)因短路導(dǎo)致電流升高時，一旦超過設(shè)定的某個數(shù)值，漏電開關(guān)便動作、斷開，避免重要部件受損傷害操作人員。最后，設(shè)定合理參數(shù)。為保證主軸電機(jī)正常運(yùn)行，方便操作，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際操作需求，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并做好運(yùn)行調(diào)試。

2.2進(jìn)給軸電氣控制設(shè)計(jì)

進(jìn)給軸電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)明確進(jìn)給要求，做好伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置，合理處理異常情況，保證數(shù)控機(jī)床加工作業(yè)的順利完成。

首先，明確進(jìn)給要求。進(jìn)給精度要求為：定位精度、重復(fù)定位精度分別設(shè)置為±0.001 mm、±0.005 mm。快速方面的要求為：具有良好的跟隨、加減速性能，三軸可順暢聯(lián)動。運(yùn)行時產(chǎn)生的振動較小，具有較好的抗干擾性能。其次，伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置。X，Y，Z進(jìn)給軸的控制，是電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。分析可知，X，Y軸具有相同的要求，設(shè)計(jì)時使用相同的伺服電機(jī)。Z軸為硬性導(dǎo)軌，具有較大阻力，使用的伺服電機(jī)參數(shù)不同于x，Y軸，使用的驅(qū)動器參數(shù)也與X，Y軸使用的驅(qū)動器有所不同，具體參數(shù)如表1所示。

最后，異常處理設(shè)計(jì)。為防止電源突然中斷，導(dǎo)致進(jìn)給軸無法正常工作，設(shè)計(jì)時應(yīng)進(jìn)行充分的考慮，保護(hù)好機(jī)床部件。例如，短路導(dǎo)致電流迅速升高，漏電開關(guān)應(yīng)能夠及時斷開，將電源切斷。如過載導(dǎo)致進(jìn)給軸溫度快速升高，伺服驅(qū)動器應(yīng)能及時向CNC系統(tǒng)發(fā)出過熱信號，CNC發(fā)出報警信號提醒操作人員，使其及時糾正不當(dāng)或錯誤操作。

2.3 PLC控制模塊設(shè)計(jì)

本研究探討的PLC控制模塊主要負(fù)責(zé)對換刀系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)時應(yīng)注重以下內(nèi)容的認(rèn)真落實(shí)。

（1）外部接線設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時根據(jù)子系統(tǒng)需要預(yù)留合適數(shù)量的輸入端口以及報警輸出。例如，換刀系統(tǒng)有5個報警輸出、5個輸入；照明系統(tǒng)有4個輸出、1個輸入；潤滑系統(tǒng)有2個報警輸出，2個輸入。另外，設(shè)置時應(yīng)留有1/3的余量。其次，潤滑與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。潤滑及冷卻系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)分為電機(jī)控制、PLC控制，其中電機(jī)控制流程為：系統(tǒng)做好充分準(zhǔn)備，CNC發(fā)出相關(guān)信號促使?jié)櫥到y(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)行15 s潤滑后停止。接通壓力開關(guān)時25 min后斷開，潤滑冷卻電機(jī)運(yùn)行15 s，并循環(huán)工作。（2）設(shè)置冷卻液不足、潤滑油不足、電機(jī)過載等信號，一旦系統(tǒng)監(jiān)測到這些信號便報警。PLC控制的過程為：在兩個時間繼電器作用下，控制潤滑冷卻間隙，而后在PLC控制下進(jìn)行周期性的潤滑操作。（3）照明和信號等系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)控機(jī)床運(yùn)行時，照明系統(tǒng)便自動運(yùn)行，并且控制柜中的照明只有控制柜開啟時才工作。信號系統(tǒng)指示情況為：機(jī)床開機(jī)顯示為黃燈；系統(tǒng)報警或緊急停止，顯示為紅燈；系統(tǒng)正常運(yùn)行時顯示為綠燈。

2.4開關(guān)及緊急停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開關(guān)及緊急停車系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)控機(jī)床的開啟、停止控制，尤其發(fā)生異常后，保證機(jī)床及時停止運(yùn)轉(zhuǎn)，可避免機(jī)床部件損壞，造成操作人員人身傷害，因此，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能忽略該內(nèi)容的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)的開關(guān)及緊急停車系統(tǒng)工作流程為：將系統(tǒng)總開關(guān)按下，中間繼電器接通電能，整個系統(tǒng)便開始工作。同時，經(jīng)由開關(guān)電源，給弱電系統(tǒng)供應(yīng)電能。當(dāng)按下緊急停止按鈕，中間繼電器失電，切斷進(jìn)給軸、主軸系統(tǒng)的電能，期間控制信號燈的繼電器閉合得電，紅燈點(diǎn)亮，并發(fā)出報警聲，提醒操作人員及時排除故障。待故障完全排除后，可重新將系統(tǒng)啟動。

3 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床電氣控制技術(shù)專業(yè)性，控制系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。為保證數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行，做好電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作尤為重要。通過研究得出以下結(jié)論。

（1）數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，應(yīng)做好數(shù)控機(jī)床構(gòu)成、工作原理研究，做好合理的設(shè)計(jì)規(guī)劃，明確數(shù)控機(jī)床各構(gòu)成部分以及電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，把握設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

（2）數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)內(nèi)容復(fù)雜，主軸電機(jī)、進(jìn)給軸、PLC模塊、開關(guān)及緊急停止系統(tǒng)，都涉及復(fù)雜的電氣控制，因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)引起足夠的重視，做好這些部分的電氣控制設(shè)計(jì)工作，選擇合適硬件設(shè)備型號，合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，尤其應(yīng)做好異常處理設(shè)計(jì)工作，避免數(shù)控機(jī)床發(fā)生異常，損壞相關(guān)部件及造成操作人員傷亡。

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