摘要：数控机床具有加工精度高、加工质量稳定、生产率高等优点，被广泛应用在机械生产及零件加工中。数控机床构成复杂，其中电气控制系统是数控机床的核心，其质量是衡量数控机床优良性能的重要指标。因此，在明确数控机床电气控制技术的基础上，做好数控机床电气控制系统设计，对提升数控机床性能具有重要意义。
关键词：数控机床；电气控制；技术；设计方法
数控机床是综合应用微电子、计算机、自动控制、自动检测以及液压传动和精密机械等技术的最新成果而发展起来的完全新型的机械加工设备[1]。数控机床的电气控制技术随着数控技术和计算机技术的不断发展及生产工艺不断提出新的要求而得到飞速发展，已形成单独体系，成为数控机床设计的重要部分。研究数控机床的电气控制原理及设计技术，对确保机床的安全可靠，提高加工精度和生产效率具有重要意义。
1.数控机床电气控制系统
随着计算机技术与数控技术的深入发展及生产工艺的更新换代，数控机床电气控制技术逐步形成独立的体系，同时也成为数控机床设计的关键部分。若想实现数控机床的安全可靠性及生产效率与加工精度的提高，必须加强对数控机床电气控制原理及设计方法的研究。本文结合某立式加工中心的实际情况，着重介绍数控机床电气控制技术及设计方法。该立式加工中心的电气控制系统主要由βis系列交流进给伺服电机组、βi交流主轴伺服电机、SVPM及FANUCOi-Mate-MCCNC系列数字交流伺服模块组成，其中SVPM属进给伺服模块、主轴伺服模块、电源模块一体型设计，由此对串行主轴及进给轴进行驱动，进而体现出性价比高、结构紧凑等优点。
2.加工中心电气控制系统设计
数控机床的电气系统控制原理复杂，设计工作头绪繁多。该加工中心基于模块化思路开展电气系统的设计，即将整个电气控制系统分为硬件电路、PLC程序及参数设置三大模块，再将这三大模块按控制功能划分为若干小模块进行设计，从而提高了设计工作的品质和效率。
2.1硬件电路
图1为该加工中心基于FANUC0i–Mate–MCCNC的电气控制连接框图[2]。具体的硬件电气控制设计根据控制功能划分为几个小模块，如电源电路、交流主传动电路、刀具交换装置传动电路、交流进给传动电路、整流装置电路、急停监控保护电路、NC/PLC连接电路、机床操作板电路、冷却、润滑、通风装置电路等。
图1加工中心电气控制连接框图
2.1.1电源电路
在该电路中根据各控制装置的具体要求进行了电源设计，由伺服变压器输出的～220V供给伺服驱动模块及其风机；由控制变压器输出的～110V供给机床控制回路的接触器；～27V经整流器后输出的-24V供给电磁阀、Z轴制动器；由控制变压器输出的～220V分两路，一路直接供给床身润滑电机、电气箱冷气机等，另一路经开关电源后输出-24V供给CNC、伺服模块、直流继电器等。
2.1.2交流主传动电路
加工中心对主轴有较高的控制要求，即在很宽的范围内速度连续可调，并在每一种速度下均能提供足够的切削所需的功率和转矩，还能频繁的启动、制动、正转、反转及实现准停。同时，为满足自动换刀的要求，还要能实现刀具的自动装卸。该加工中心主轴可在0~6000r/min范围内无级调速，主轴电机的内置编码器，既检测主轴速度，也检测主轴位置，主轴控制部分主要完成主轴闭环速度控制，但准停时则完成闭环位置控制。另外，通过CNC中内置PLC将主轴的各种实际工作状态传递给CNC用以完成对主轴的各项功能控制。
2.1.3交流进给传动电路
进给系统承担加工中心各直线坐标轴的定位和切削进给，其性能直接影响整机的运行状态和精度指标。该加工中心进给系统采用半闭环控制方式，脉冲编码器与电机同轴，兼做位置和速度反馈，X、Y、Z轴伺服电机与滚珠丝杠副直联驱动，这样使伺服系统的各种非线性环节，如：丝杠刚度、传动装置间隙、摩擦阻尼等均置于闭环之外，因此提高了系统的稳定性，X、Y、Z向支承导轨均采用直线滚动导轨，刚性高，磨擦力小，定位精度高，轴快速移动速度为24m/min。
2.2PLC程序
PLC程序是数控机床电气控制的核心部分。数控机床的PLC程序处理时间为几十毫秒至上百毫秒，这个速度处理绝大多数信息已足够了，但对某些要求快速响应的信号，这个处理速度就不够了。因此，该加工中心PLC程序设计分为高级程序和低级程序两部分：其中，高级程序中编入了必须传输到数控系统要求快速处理的紧急停止信号；低级程序则按控制功能分几个模块编制，如主轴（正反转、定向、变档、换刀等），三个直线轴（进给、快速、回参考点等），操作面板，各种电动机（润滑、冷却等）。
图2X轴+向运行部分PLC程序
图2为该加工中心X轴+向运行的部分PLC控制程序。其中F94.0为参考点到达信号，R8.0为X轴选择信号，X26.4接X轴＋向选择按钮。
2.3进给轴电气控制设计
进给轴电气控制系统设计时应明确进给要求，做好伺服驱动器参数设置，合理处理异常情况，保证数控机床加工作业的顺利完成。首先，明确进给要求。进给精度要求为：定位精度、重复定位精度分别设置为±0.001mm、±0.005mm。快速方面的要求为：具有良好的跟随、加减速性能，三轴可顺畅联动。运行时产生的振动较小，具有较好的抗干扰性能。其次，伺服驱动器参数设置。X，Y，Z进给轴的控制，是电气控制系统设计工作的重点与难点。分析可知，X，Y轴具有相同的要求，设计时使用相同的伺服电机。Z轴为硬性导轨，具有较大阻力，使用的伺服电机参数不同于X，Y轴，使用的驱动器参数也与X，Y轴使用的驱动器有所不同，具体参数如表1所示。
表1X，Y，Z轴伺服电机及驱动器参数
最后，异常处理设计。为防止电源突然中断，导致进给轴无法正常工作，设计时应进行充分的考虑，保护好机床部件。例如，短路导致电流迅速升高，漏电开关应能够及时断开，将电源切断。如过载导致进给轴温度快速升高，伺服驱动器应能及时向CNC系统发出过热信号，CNC发出报警信号提醒操作人员，使其及时纠正不当或错误操作。
2.4开关及紧急停车系统设计
开关及紧急停车系统负责数控机床的开启、停止控制，尤其发生异常后，保证机床及时停止运转，可避免机床部件损坏，造成操作人员人身伤害，因此，数控机床电气控制系统设计不能忽略该内容的设计。本设计的开关及紧急停车系统工作流程为：将系统总开关按下，中间继电器接通电能，整个系统便开始工作。同时，经由开关电源，给弱电系统供应电能。当按下紧急停止按钮，中间继电器失电，切断进给轴、主轴系统的电能，期间控制信号灯的继电器闭合得电，红灯点亮，并发出报警声，提醒操作人员及时排除故障。待故障完全排除后，可重新将系统启动。
结论
综上所述，数控机床的生产效率及整体质量与电气控制系统的形式与整体控制能力间关系密切。本文结合某立式加工中心的实际情况，详细阐述了数控机床电气控制系统的设计。实践证实，上述模块化设计思路对实现电气控制系统运行可靠性的提高、故障率的降低、加工效率的提高及整体工作性能的改善意义重大，因此本文所述设计方法能够满足实际生产的要求，值得类似加工中心借鉴。
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论文作者:黎运尧
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：数控机床论文; 主轴论文; 加工中心论文; 电路论文; 系统论文; 控制系统论文; 电气控制论文; 《电力设备》2019年第5期论文;