王晓珺，段新文

（青海师范大学物理系，青海 西宁 810008）

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。以下就某立式加工中心的电气控制技术及设计方法做一探讨。

1 加工中心电气控制系统基本组成

该加工中心主要的电气控制部分由FANUC 0i–Mate–MC CNC、SVPM 系列数字交流伺服模块及βi交流主轴伺服电机和βis 系列交流进给伺服电机组成。其中，SVPM为主轴伺服模块、进给伺服模块、电源模块一体型设计，驱动3个进给轴及一个串行主轴，结构紧凑，性价比较高。

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FANUC 0i–Mate–MC CNC 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

（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～220 V 供给伺服驱动模块及其风机；由控制变压器输出的～110 V 供给机床控制回路的接触器；～27 V 经整流器后输出的- 24 V 供给电磁阀、Z 轴制动器；由控制变压器输出的～220 V 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）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0~6 000 r/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。

（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24 m/min。

（4）急停、监控保护电路

该电路中设计了机床紧急停止、电机（润滑电机、刀库电机、机械手电机、冷却电机）过载检测、伺服变压器过热检测，床身润滑站的压力、油位检测等环节，并设计有机床运行异常警示指示。通过以上一系列电气保护措施，确保机床安全可靠运行。

（5）刀具交换装置传动电路

该加工中心使用台湾基辅刀库，刀具容量为24，刀库由交流异步电动机驱动凸轮机构实现运行，用接近开关计数，配合使用凸轮机械手，换刀速度快，定位准。当刀库中有大直径的刀具（刀具直径超过相邻刀套的中心距）时，为避免发生刀具干涉现象，换刀时需做大径刀判断后采用不同的换刀方式，如为大径刀，使用固定刀套换刀方式，如果是小径刀，则采用随机换刀方式。刀具交换及大径刀的判别由相应的宏程序或PLC 程序处理。

2.2 PLC 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。

图2 X 轴+向运行部分PLC 程序

2.3 参数设定

参数是为完成数控系统与机床结构及机床各种功能的匹配而设置的值[3]。因此，在以上硬件电路及PLC 软件程序设计的基础上, 还应根据该加工中心具体结构、功能的要求，对机床的几类参数，如系统参数、驱动参数等进行合理的设置，以充分发挥机床的性能，实现机床的正常使用。

3 结束语

机床的质量和生产效率与电气控制能力及控制系统的形式密切相关。以上基于模块化思路设计的加工中心，其电气控制系统性能良好，运行稳定可靠，同时最大限度地降低了故障率，从而使该加工中心具有良好的工作性能，加工效率高,完全满足生产要求。

[1]毕毓杰.机床数控技术[M].北京：机械工业出版社，1997.

[2]BEIJING-FANUC 技术部. BEIJING-FANUC 0i-C/0i Mate-C简明联机调试手册[K]. 北京：北京发那科机电有限公司，2005.

[3]王 浩.数控机床电气控制[M].北京：清华大学出版社，2006.