機電數(shù)控及機床電氣的綜述與控制

張剛

（營口職業(yè)技術學院，遼寧 營口 115000）

引言

隨著科學技術的發(fā)展，要求機械產(chǎn)品具有較高的精度和復雜性，產(chǎn)品的替換也在加快，這不僅要求機床的精度和效率，還要求機床的通用性和靈活性。

一、數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)綜述

（一）數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔磁帶閱讀器（很少使用）、3.5英寸軟盤驅動器、數(shù)控鍵盤（一般輸入操作）、配有數(shù)控系統(tǒng)的硬盤和驅動器（用于保護大量數(shù)據(jù)的存儲）、磁帶驅動器（很少使用）、PC計算機等。

（二）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機床中心，它將接收到的所有功能指令進行解碼、操作，然后有序地發(fā)出各種所需的運動指令和各種機床功能控制指令，直到運動和功能結束。

（三）可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將從數(shù)控各種動作和功能的指令邏輯順序，使它們能夠準確、協(xié)調、有序的安全運行;同時，機器發(fā)出的各種信息和工作狀態(tài)將被傳送到數(shù)控，使數(shù)控能夠及時、準確地發(fā)出進一步的控制指令，從而實現(xiàn)對整個機器的控制。

（四）主軸驅動系統(tǒng)接收來自CNC的驅動指令，通過速度和扭矩（功率）調節(jié)輸出驅動信號，驅動主電機旋轉。同時接收速度反饋，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。它還通過PLC將主軸的各種實際工作狀態(tài)通知數(shù)控來完成對主軸的各項功能控制。

主軸驅動系統(tǒng)本身有許多參數(shù)集,這些參數(shù)直接影響主軸的旋轉特性,其中一些不能丟失或改變,如指示電機的參數(shù)規(guī)格,一些可以根據(jù)運行狀態(tài)調整,如零點漂移。一般來說，數(shù)控機床還具有與主軸相關的機床數(shù)據(jù)，且功能與主軸的參數(shù)相同，所以傳動系統(tǒng)要注意二者取一，不要沖突。

（五）提要從數(shù)控伺服系統(tǒng)接收速度指令為每個運動坐標軸,和輸出驅動信號調整速度和電流（轉矩）驅動伺服電機旋轉,從而實現(xiàn)機床的坐標軸的運動,同時,收到反饋信號來實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。通過PLC與CNC通訊，通知當前的工作狀態(tài)，接受CNC的控制。

（六）隨著PLC功能的不斷加強，電氣硬件電路的主要任務是產(chǎn)生電源和控制電路，隔離繼電器部分和各種執(zhí)行電器（繼電器、接觸器），繼電器邏輯電路很少。但在一些進口機床機柜中還有帶有一定邏輯控制自身的特殊組合繼電器的情況，這種元件一旦出現(xiàn)故障，除了更換，還可以將其拆下并由PLC邏輯更換。

（七）機床（電器件）包括所有電機、電磁閥、制動器、開關等。他們是機床的執(zhí)行者，又是機床的報告人。這里大多數(shù)可能的主要故障是由于電氣部件本身的損壞以及連接線和電纜的斷開或斷裂造成的。

（八）速度測量通常是由安裝在主軸和進給電機上的速度測量機來完成的。它將電機的實際速度與電壓值相匹配，并將其作為速度反饋信號反饋給伺服驅動系統(tǒng)。

（九）早期機床采用直線或圓形同步電感或旋轉變壓器進行位置測量，而現(xiàn)代機床多采用光柵尺和數(shù)字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們直接或間接測量機床在工作中坐標軸的實際位置，將測量值反饋給CNC，并與指令位移進行比較，直到坐標軸到達指令位置，從而實現(xiàn)對位置的精確控制。

（十）外部設備一般指PC機、打印機等輸出設備，大多數(shù)不屬于機床的基本配置。與輸入設備一樣，使用中的主要問題是匹配。

二、數(shù)控機床運動坐標的電氣控制

（一）電流回路是為伺服電機提供轉矩的電路。一般來說，它與電機之間的匹配和調整是由廠家來完成的，或者已經(jīng)指定了相應的匹配參數(shù)。反饋信號也連接在伺服系統(tǒng)中，不需要接線和調整。

（二）速度環(huán)是控制電機轉速的軸向速度的電路。速度調節(jié)器比例積分（PI）控制器,P,我調整值的大小完全取決于驅動軸載荷和機械傳動系統(tǒng)（鐵路、致動器）傳動剛度和傳動間隙等機械性能,一旦這些特性發(fā)生明顯變化,第一次需要機械傳動系統(tǒng)的修復工作,然后調整速度環(huán)PI調節(jié)器。

最優(yōu)調節(jié)速度循環(huán)條件下的開環(huán)位置環(huán)來完成,這個軸的水平運動和轉動軸容易,對垂直軸的運動位置開環(huán)自動下落和危險,可以消除電機空載調整然后安裝電機和位置環(huán)調整或直接帶位置環(huán),然后需要有一定的經(jīng)驗和專注。

（三）定位環(huán)是根據(jù)指令控制各坐標軸精確位置的控制環(huán)。定位環(huán)最終會影響到坐標軸的定位精度和工作精度。這項工作包括兩個方面:

1.位置測量元件精度與數(shù)控系統(tǒng)脈沖當量的匹配問題。測量元件單位運動距離發(fā)出的脈沖數(shù)，應與數(shù)控系統(tǒng)在外部倍頻電路和/或內(nèi)部倍頻系數(shù)后規(guī)定的分辨率一致。例如，如果位置測量元件的脈沖數(shù)為10 /mm，數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為0.001mm，則測量元件發(fā)出的脈沖必須經(jīng)過100倍頻才能匹配。

2.正確設置和調整位置回路增益系數(shù)Kv。通常將Kv值設置為機床的數(shù)據(jù)，并指定數(shù)控系統(tǒng)中各坐標軸的Kv值的設置地址和數(shù)值單位。最優(yōu)速度環(huán)調整后Kv值的設置是反映機器性能，影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標性能的直接表達，而不是任意放大。Kv值的設定應注意兩個問題。首先，需要滿足以下公式:

Kv=v/Δ

式中v——坐標運行速度，m/min

Δ——跟蹤誤差，mm

注意，不同的數(shù)控系統(tǒng)采用的單位可能不同，設置時要注意數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的單位。

其次要滿足各聯(lián)動坐標軸的Kv值必須相同，以保證合成運動時的精度。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。

三、結束語

在機床的實際設計和生產(chǎn)中，為了提高數(shù)控機床的精度，定位控制裝置的選擇尤為重要。只有在充分了解熟悉數(shù)控電氣控制方法和技巧的細節(jié)后，才能為使機電行業(yè)做大做強打下良好的基礎。