電氣控制系統(tǒng)研究價值及數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王麗君

摘 要： 數(shù)控機床在解決精密或者復雜零件的過程中具有重要的作用，機電一體化系統(tǒng)數(shù)控機床數(shù)據(jù)具有典型性。以PLC為基礎(chǔ)的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)屬于數(shù)控機床發(fā)展的主要結(jié)果。PLC數(shù)控機床在使用過程中具備多種優(yōu)點，比如電氣控制系統(tǒng)利用工件斷刀檢測、自動夾緊及機械手自動換刀等，能夠有效實現(xiàn)數(shù)控機床自動化?；诖?，本文就對電氣控制系統(tǒng)研究價值進行分析，并且完成數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞： 電氣控制系統(tǒng); 研究價值; 數(shù)控機床; 優(yōu)化

中圖分類號： TP273

文獻標志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0102-03

Abstract： The CNC machine tool plays an important role in the process of solving precision or complex parts. The data have a typical basic point integrated CNC machine tool. The PLC-based electrical control system of CNC machine tools is the main result of the development of CNC machine tools. The PLC numerical control machine tool has many advantages in the use process， for example， the electrical control system can be used to detect the broken knife， to automatically clamp and change hand tools of the robot， etc. It can effectively realize the automation of the numerical control machine tool. Based on this， this article analyzes the research value of the electrical control system and realizes the optimal design of the electrical control system of the numerical control machine tool.

Key words： Electrical control system; Research value; Numerical control machine tool; Optimization

0?引言

煤礦機械在生產(chǎn)過程中進行完善與數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展具有密切的聯(lián)系，傳統(tǒng)機床設(shè)計過程中都是通過繼電器控制，其設(shè)備獨立性較低，在煤礦機械數(shù)控機床生產(chǎn)設(shè)備中出現(xiàn)控制及機械故障的可能性較大。在科學技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，PLC設(shè)計也逐漸引入到數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中，從而有效提高了數(shù)控機床的系統(tǒng)配置，在日常生產(chǎn)過程中利用平面定位實現(xiàn)微孔加工鉆床。數(shù)控機床電氣系統(tǒng)革新使用模塊化基礎(chǔ)進行設(shè)計，不管是機械生產(chǎn)，還是電氣控制都有了進一步的提高，有效實現(xiàn)了高精度閉環(huán)狀態(tài)的控制，也提高了加工的效率，以此為數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中的PLC設(shè)計使用打下了良好的基礎(chǔ)。

1?電氣控制系統(tǒng)的研究價值

廠用電源、發(fā)電機、變壓器等一系列的電氣系統(tǒng)控制都能夠根據(jù)電氣控制、單元機組的特點融入到電氣自動化控制系統(tǒng)范疇，其和熱工控制量進行對比，電氣控制系統(tǒng)在運行過程中和控制要求具有一定的差別。電氣特點為：其一，電氣控制系統(tǒng)對熱機控制設(shè)備控制信息性收集數(shù)量較少，并且操作頻率較低;其二，對電機設(shè)備保護自動裝置可靠性較高，具有較高的抗干擾能力。在今后發(fā)展過程中，電氣控制系統(tǒng)會朝著信息化、分布式、開放化的方向發(fā)展。開放化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括外部設(shè)備提供接口，從而使系統(tǒng)能夠成功連接到外部網(wǎng)絡(luò)中。分布式結(jié)構(gòu)能夠保證網(wǎng)絡(luò)中各個智能模塊工作網(wǎng)絡(luò)是相互獨立的，從而能夠有效分離系統(tǒng)危險[1]。 信息化能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)信息的綜合處理能力，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動化及管控的相互結(jié)合。在產(chǎn)品價格方面具備一定的競爭能力，并且還要不斷開拓更加科學的發(fā)展道路。基于電機技術(shù)和計算機技術(shù)的電氣自動化控制系統(tǒng)被廣泛應用到眾多行業(yè)中，并且在生產(chǎn)過程中具有重要的作用。互聯(lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)技術(shù)能夠有效促進電氣自動化的主要變革，這主要是因為多方面需求，網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)在電氣自動化領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景。

以此表示，電氣控制系統(tǒng)對行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的自動化水平具有明顯的提高，尤其是在運行管理中。電氣控制系統(tǒng)能夠使企業(yè)成本得到降低，并且提高設(shè)備可靠性。所以，電氣化自動控制系統(tǒng)被廣泛應用到多行業(yè)中，對于電氣控制系統(tǒng)進行研究也具有重要的價值意義[2]。

2?數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

數(shù)控機床電氣控制的總體優(yōu)化方案，使用ARM作為控制系統(tǒng)，使用PLC為電氣輔助系統(tǒng)控制的中心，使用DSP作為伺服驅(qū)動核心及運動控制器，如圖1所示。

本文所設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制及運動：其一，實現(xiàn)主軸電機的啟動、變速、停止、調(diào)速，并且要求主軸平穩(wěn)轉(zhuǎn)速;其二，實現(xiàn)自動對刀、液壓泵、潤滑電機、冷卻泵電機的控制;其三，實現(xiàn)機床運行狀態(tài)過程中信號燈的控制;其四，實現(xiàn)系統(tǒng)緊急停止和工作臺的限位保護[3]。

3?數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的供配電設(shè)計

3.1?380 V電源供配電的設(shè)計

380 V交流電源主要是對伺服電機、冷卻油泵電機、主軸電機、刀庫電機等進行供電，圖2為交流380 V供電的電源圖，通過圖2可以看出來，引入機床三相五線交流電源相線通過漏電開關(guān)進行接入。漏電開關(guān)屬于機床電源總體開關(guān)，其具有線路及對地保護的作用。使用熔斷器進行熱保護，分為兩路電源。一路通過變壓器變壓之后轉(zhuǎn)變成為220 V，其屬于伺服系統(tǒng)電管;一路為刀庫電機、油泵電機、刀臂電機及主軸電機供電[4]。

3.2?直流電源供配電設(shè)計

使用兩個24 V的開關(guān)電源，其中一個開關(guān)電源為運動控制器提供工作電壓，也就是為各個模塊芯片提供電壓。其中一個為IO、PLC、DSP等模塊共用，其他的信號電壓不能夠和此開關(guān)共同使用。電源開關(guān)24 V轉(zhuǎn)接端子使用線碼進行標識，另外開關(guān)電源為模塊IO信號提供電源電壓，包括IO板和DSP板，外部信號與中間繼電器共同使用。

3.3?計算電氣負荷

在設(shè)計電氣控制系統(tǒng)的過程中，計算電氣負荷尤為重要，如果選擇過大，就會導致出現(xiàn)浪費，并且不容易對設(shè)備進行保護。如果選擇過小，就無法使電能滿足對設(shè)備的要求，并且容易將設(shè)備燒壞。所以就要精準計算電氣負荷，對電氣負荷進行合理的選擇。本文使用超過三臺數(shù)控機床用電設(shè)備，并且用電功率基本相同，所以可以使用系數(shù)法實現(xiàn)計算。需要系數(shù)法是以用電設(shè)備功率對電氣負荷進行計算的方法，首先要全面調(diào)查運行系統(tǒng)，方法要根據(jù)相應的規(guī)則實現(xiàn)用電設(shè)備的分組，尋找各個組的設(shè)備功率和計算負荷關(guān)系并且提供一定的參數(shù)。之后使用參數(shù)區(qū)推測待建系統(tǒng)計算負荷，需要系數(shù)法適用的設(shè)備臺數(shù)比較多，并且功率相差較小進行計算[5]，計算式為式（1）。

其中Pc、Qc和Sc 指的是用電設(shè)備組的總體計算有功、無功及視在功率。

4?數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)屬于全閉環(huán)系統(tǒng)，主要包括變頻器、電動機和光柵尺，電氣控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢就是具有較高的控制精度。

4.1?電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

電子控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成，其中主要包括光柵尺、電動機模塊、電源模塊、傳感器及變頻器等，如圖3所示。

4.1.1?電源模塊

先利用變頻器將一定頻率交流點變成為直流電，之后利用逆變器使直流點變成為預定頻率交流電，電源模塊主要包括可調(diào)與不可調(diào)兩種。其中可調(diào)電源模塊指的是根據(jù)參數(shù)將轉(zhuǎn)化的直流電穩(wěn)定成為預定可變值，使其具備和SIMOTION的通信功能。不可提高電源模塊只能實現(xiàn)一個固定直流電壓值的輸出，并且不能夠和SIMOTION進行通信。

4.1.2?電動機模塊

利用電動機模塊能夠使直流電逆變成為預定頻率交流電，從而在電動機中使用。電動機模塊主要包括書本型和裝機裝柜型[6]。

4.1.3?SIMOTION運動控制器

SIMOTION屬于電氣控制系統(tǒng)的主要核心部分，其可靠性和運行速度影響著電氣控制系統(tǒng)的使用，其主要功能為邏輯控制、運動控制及工藝控制。

4.1.4?斷刀檢測

斷刀檢測的示意圖，斷刀檢測系統(tǒng)核心主要包括一個OC門光纖傳感器，OC門三根接入線直接和24V電源中連接，以此信號線就能夠和24V電阻構(gòu)成一個電平輸出，如圖4所示。

在進行加工的過程中，刀具可能會受到磨損或者斷裂。那么為了能夠?qū)ζ浼庸べ|(zhì)量進行保證，就要對刀具是否正常進行檢測，假如刀具受到磨損，機床能夠使自動換刀并且對上級位進行通知，斷刀檢測主要是利用光纖傳感器實現(xiàn)檢測[7]。

4.1.5?深度檢測

因為換刀過程中主軸夾緊位置是通過機械手及人工對刀具插入深度進行決定，那么就要使用深度檢測器實現(xiàn)刀具深度的檢測。

4.1.6?數(shù)據(jù)存儲

在實現(xiàn)SIMOTION加工過程中要實現(xiàn)大量孔位信息的存儲，本文通過數(shù)組的形式實現(xiàn)孔位信息的存儲，并且為數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置指針，分別為孔位信息存儲指針和孔位加工指針。在接收上位機下傳到孔位信息的時候，要以孔位信息的存儲指針位置實現(xiàn)存儲。在每次接收到加工命令的時候，就表示此次數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完成，孔位信息的存儲指針就會為0，并且孔位加工指針會對數(shù)據(jù)區(qū)中的第一數(shù)據(jù)進行加工。因為部分數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量較大，所以在傳輸過程中就會出現(xiàn)誤差，以此導致加工錯誤以此使產(chǎn)品不能夠使用。所以就要對數(shù)據(jù)精準性進行嚴格的保證，基于通信過程實現(xiàn)CRC的校驗。

4.1.7?批量加工

在批量加工的過程中，機床主要工作模式為接收孔實現(xiàn)加工，在收到開始批量加工指令之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)批量加工。首先，要能夠通過上位機所發(fā)送的加工參數(shù)對主軸進行判斷，對于需要進行啟動的主軸，SIMOTION能夠?qū)㈤_關(guān)量進行輸入，從而對主軸繼電器和主軸電源的接通進行控制。為了能夠?qū)χ鬏S安全性進行有效的保證，SIMOTION要能夠不停的主軸轉(zhuǎn)速是否達到設(shè)置的轉(zhuǎn)速進行判斷，假如滿足加工需求，就可以實現(xiàn)加工。在加工過程中要從數(shù)據(jù)存儲區(qū)中取出第一孔位置信息，工作臺運動到指定位置中實現(xiàn)高電平的輸出，工作臺在運行過程中Z軸不能夠運動[8]。

5?總結(jié)

在工業(yè)不斷發(fā)展的過程中，PLC可編程控制器也在持續(xù)發(fā)展，并且被廣泛應用到煤礦機械自動控制生產(chǎn)系統(tǒng)中，其在生產(chǎn)控制方面的性能是其他產(chǎn)品不能夠相比的。數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)術(shù)我國機械行業(yè)的主要信息化工程設(shè)置尤為重要的內(nèi)容。本文將數(shù)控機床改進為基礎(chǔ)，輸入設(shè)計之后的程序，利用合理處理及計算，以此實現(xiàn)不同運動部件的安裝。

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（收稿日期： 2018.05.28）