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

馮娟

摘 要：數(shù)控機(jī)床作為一種重要的加工生產(chǎn)設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在多個(gè)領(lǐng)域。而電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，其設(shè)計(jì)水平對(duì)整個(gè)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率有直接影響。因此，應(yīng)結(jié)合數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行和使用要求，優(yōu)化和改進(jìn)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，積極運(yùn)用多種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)提高數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益。簡(jiǎn)要分析了數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；電氣控制系統(tǒng)；微電子技術(shù)；加工精度

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.087

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化水平有了明顯提高。當(dāng)前的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)還有一定的優(yōu)化空間。為了更好地滿足市場(chǎng)需求，進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的可操控性和加工精度，推動(dòng)生產(chǎn)工藝的轉(zhuǎn)型升級(jí)、更新?lián)Q代，相關(guān)研究人員應(yīng)從多方面考慮，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合電氣控制理論知識(shí)，做好數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

1 數(shù)控機(jī)床概述

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)控機(jī)床可按照內(nèi)部控制程序自動(dòng)化運(yùn)行，常用于控制冷卻設(shè)備、開(kāi)關(guān)和刀具等，并可將數(shù)字指令轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)行語(yǔ)言，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部程序設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)控機(jī)床動(dòng)作的控制。數(shù)控機(jī)床之所以被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，是因?yàn)樗哂卸喾矫娴膽?yīng)用優(yōu)勢(shì)：①在規(guī)定加工時(shí)間內(nèi)的加工效率較高，可有效縮短生產(chǎn)周期；②數(shù)控機(jī)床具有良好的適應(yīng)性，可加工一些形狀比較復(fù)雜的零件；③由于生產(chǎn)時(shí)間有限，數(shù)控機(jī)床利用內(nèi)部的編程程序規(guī)范化了零件的生產(chǎn)流程，從而為生產(chǎn)管理提供了方便；④運(yùn)用數(shù)控機(jī)床加工的零件的精度較高，結(jié)構(gòu)形式比較標(biāo)準(zhǔn)，具有互換性；⑤數(shù)控機(jī)床的加工生產(chǎn)流程比較規(guī)范，零件質(zhì)量較高；⑥數(shù)控機(jī)床的加工生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度較高，加工速度非?？欤铱杉庸ざ鄻踊牧慵?。

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)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常專業(yè)的工作。為了充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，基于模塊化的設(shè)計(jì)理念，合理地將數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)劃分為了3個(gè)模塊，即硬件電路、PLC程序和參數(shù)設(shè)置。從數(shù)控機(jī)床的控制管理角度，可將這3個(gè)模塊劃分為多個(gè)小模塊，從而提高數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

按照不同的控制功能，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)可以劃分為多個(gè)小模塊，比如通風(fēng)、冷卻電路、電源電路、操作板電路、整流電路、監(jiān)控保護(hù)電路、刀具交換轉(zhuǎn)動(dòng)電路、交流進(jìn)給和主傳動(dòng)電路等。本文著重研究比較關(guān)鍵的電路設(shè)計(jì)部分。

2.1.1 監(jiān)控和急停保護(hù)電路

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行具有一定的危險(xiǎn)性，因此，監(jiān)控和急停保護(hù)電路的設(shè)計(jì)非常重要。監(jiān)控和急停保護(hù)電路包括伺服變壓器過(guò)熱檢測(cè)、機(jī)床壓力和潤(rùn)滑油位檢測(cè)、數(shù)控機(jī)床急停以及機(jī)械電機(jī)、冷卻電機(jī)、潤(rùn)滑電機(jī)和刀庫(kù)電機(jī)等的過(guò)載檢測(cè)。如果數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中存在問(wèn)題或異常情況，則監(jiān)控和急停保護(hù)電路會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。因此，應(yīng)做好電氣控制系統(tǒng)的保護(hù)工作，從而確保數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行可靠、穩(wěn)定、安全。

2.1.2 電源電路

電源電路是數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的核心部分，必須按照數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行要求和電氣控制標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化電源設(shè)計(jì)。具體而言，應(yīng)采用220 V的伺服變壓器，并合理設(shè)置數(shù)控機(jī)床風(fēng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)模塊，從而確保能源供給的穩(wěn)定性。此外還應(yīng)采用110 V控制變壓器為電氣控制系統(tǒng)中的接觸器供電，27 V的電壓通過(guò)整流器整流后轉(zhuǎn)換為-24 V，進(jìn)而為電磁閥和Z軸制動(dòng)器供電。數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)主要包括2條220 V電路，其中一條電路直接為數(shù)控機(jī)床的床身潤(rùn)滑電機(jī)和電氣箱冷氣機(jī)供電；另一條電路經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電源后輸出-24 V的電壓，為數(shù)控機(jī)床的直流繼電器、CNC和伺服模塊供電。

2.1.3 交流進(jìn)給傳動(dòng)電路

交流進(jìn)給傳動(dòng)電路的設(shè)計(jì)關(guān)系著整個(gè)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)和精度指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要用于加工制作過(guò)程中的切削供給和中心直線坐標(biāo)軸的定位。這種交流進(jìn)給傳動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用半閉環(huán)控制的形式，脈沖編碼器與電機(jī)同軸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床操作位置和速度的反饋。伺服電機(jī)和滾珠絲杠主要采用副直聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，電氣控制伺服系統(tǒng)中的摩擦阻尼、絲杠剛度、傳動(dòng)裝置間隙等非線性模塊均采用閉環(huán)控制的方式，從而有效提高了數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。此外，數(shù)控機(jī)床中的X軸、Y軸和Z軸的支撐導(dǎo)軌設(shè)置為直線滾動(dòng)式導(dǎo)軌，這種導(dǎo)軌具有較快的軸移動(dòng)速度，定位精度比普通滾動(dòng)導(dǎo)軌高，且剛度大、摩擦力小、使用壽命較長(zhǎng)。

2.1.4 交流主傳動(dòng)電路

對(duì)于數(shù)控機(jī)床交流主傳動(dòng)電路的設(shè)計(jì)而言，必須在滿足規(guī)定要求的前提下，保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行速度，并實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)換刀。此外，還應(yīng)合理設(shè)置刀具的自動(dòng)化裝卸模塊，從而反復(fù)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的準(zhǔn)停、反轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)、制動(dòng)、啟動(dòng)等環(huán)節(jié)。無(wú)論運(yùn)行速度快或慢，都必須提供足夠的運(yùn)行功率和轉(zhuǎn)矩。

2.2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.2.1 參數(shù)設(shè)置

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)主要利用的是PLC可編程控制器。因此，應(yīng)結(jié)合數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和使用功能，合理設(shè)置電氣控制參數(shù)；基于數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能要求設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)參數(shù)，從而使數(shù)控機(jī)床嚴(yán)格按照要求運(yùn)行。

2.2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。PLC程序的處理時(shí)間為10～100 ms，可滿足數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行要求。但對(duì)于某些需要較快響應(yīng)速度的數(shù)控機(jī)床而言，PLC的程序設(shè)計(jì)應(yīng)包括高級(jí)程序和低級(jí)程序。根據(jù)不同的控制功能，又可以將低級(jí)程序合理地劃分為多個(gè)不同的小模塊，比如操作面板、潤(rùn)滑和冷卻電動(dòng)機(jī)、主軸定向、換刀、正反轉(zhuǎn)、變檔、回參考點(diǎn)和進(jìn)給等。通過(guò)編制合理的PLC程序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的精確控制。