冯娟

摘 要：数控机床作为一种重要的加工生产设备，被广泛应用在多个领域。而电气控制系统是数控机床的核心，其设计水平对整个数控机床的运行效率有直接影响。因此，应结合数控机床的运行和使用要求，优化和改进电气控制系统的设计方案，积极运用多种先进的科学技术提高数控机床的稳定性和经济效益。简要分析了数控机床电气控制系统的设计方案，以供参考。

关键词：数控机床；电气控制系统；微电子技术；加工精度

中图分类号：TG659 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.087

随着计算机技术、微电子技术的快速发展，数控机床的自动化水平有了明显提高。当前的数控机床电气控制系统还有一定的优化空间。为了更好地满足市场需求，进一步提高数控机床的可操控性和加工精度，推动生产工艺的转型升级、更新换代，相关研究人员应从多方面考虑，采用先进的设计方法，结合电气控制理论知识，做好数控机床电气控制系统的设计工作。

1 数控机床概述

在实际应用中，数控机床可按照内部控制程序自动化运行，常用于控制冷却设备、开关和刀具等，并可将数字指令转换为机械运行语言，从而实现内部程序设计对数控机床动作的控制。数控机床之所以被应用于多个领域，是因为它具有多方面的应用优势：①在规定加工时间内的加工效率较高，可有效缩短生产周期；②数控机床具有良好的适应性，可加工一些形状比较复杂的零件；③由于生产时间有限，数控机床利用内部的编程程序规范化了零件的生产流程，从而为生产管理提供了方便；④运用数控机床加工的零件的精度较高，结构形式比较标准，具有互换性；⑤数控机床的加工生产流程比较规范，零件质量较高；⑥数控机床的加工生产效率和自动化程度较高，加工速度非常快，且可加工多样化的零件。

2 数控机床电气控制系统的设计

数控机床电气控制系统的设计是一项非常专业的工作。为了充分发挥数控机床电气控制系统的应用优势，基于模块化的设计理念，合理地将数控机床电气控制系统划分为了3个模块，即硬件电路、PLC程序和参数设置。从数控机床的控制管理角度，可将这3个模块划分为多个小模块，从而提高数控机床电气控制系统的设计水平。

2.1 硬件电路设计

按照不同的控制功能，数控机床电气控制系统可以划分为多个小模块，比如通风、冷却电路、电源电路、操作板电路、整流电路、监控保护电路、刀具交换转动电路、交流进给和主传动电路等。本文着重研究比较关键的电路设计部分。

2.1.1 监控和急停保护电路

数控机床的运行具有一定的危险性，因此，监控和急停保护电路的设计非常重要。监控和急停保护电路包括伺服变压器过热检测、机床压力和润滑油位检测、数控机床急停以及机械电机、冷却电机、润滑电机和刀库电机等的过载检测。如果数控机床在运行过程中存在问题或异常情况，则监控和急停保护电路会及时发出报警信息。因此，应做好电气控制系统的保护工作，从而确保数控机床的运行可靠、稳定、安全。

2.1.2 电源电路

电源电路是数控机床电气控制系统的核心部分，必须按照数控机床的运行要求和电气控制标准优化电源设计。具体而言，应采用220 V的伺服变压器，并合理设置数控机床风机和伺服驱动模块，从而确保能源供给的稳定性。此外还应采用110 V控制变压器为电气控制系统中的接触器供电，27 V的电压通过整流器整流后转换为-24 V，进而为电磁阀和Z轴制动器供电。数控机床电气控制系统主要包括2条220 V电路，其中一条电路直接为数控机床的床身润滑电机和电气箱冷气机供电；另一条电路经过开关电源后输出-24 V的电压，为数控机床的直流继电器、CNC和伺服模块供电。

2.1.3 交流进给传动电路

交流进给传动电路的设计关系着整个数控机床的运行状态和精度指标。在实际应用中，数控机床进给系统主要用于加工制作过程中的切削供给和中心直线坐标轴的定位。这种交流进给传动电路设计采用半闭环控制的形式，脉冲编码器与电机同轴，可实现对数控机床操作位置和速度的反馈。伺服电机和滚珠丝杠主要采用副直联驱动的方式，电气控制伺服系统中的摩擦阻尼、丝杠刚度、传动装置间隙等非线性模块均采用闭环控制的方式，从而有效提高了数控机床电气控制系统的可靠性和稳定性。此外，数控机床中的X轴、Y轴和Z轴的支撑导轨设置为直线滚动式导轨，这种导轨具有较快的轴移动速度，定位精度比普通滚动导轨高，且刚度大、摩擦力小、使用寿命较长。

2.1.4 交流主传动电路

对于数控机床交流主传动电路的设计而言，必须在满足规定要求的前提下，保证数控机床的运行速度，并实现数控机床的自动换刀。此外，还应合理设置刀具的自动化装卸模块，从而反复实现数控机床的准停、反转、正转、制动、启动等环节。无论运行速度快或慢，都必须提供足够的运行功率和转矩。

2.2 软件部分设计

2.2.1 参数设置

数控机床电气控制系统主要利用的是PLC可编程控制器。因此，应结合数控机床的结构和使用功能，合理设置电气控制参数；基于数控机床电气控制系统的结构和功能要求设置系统参数和驱动参数，从而使数控机床严格按照要求运行。

2.2.2 PLC程序设计

PLC程序设计是整个数控机床电气控制系统设计的核心。PLC程序的处理时间为10～100 ms，可满足数控机床的运行要求。但对于某些需要较快响应速度的数控机床而言，PLC的程序设计应包括高级程序和低级程序。根据不同的控制功能，又可以将低级程序合理地划分为多个不同的小模块，比如操作面板、润滑和冷却电动机、主轴定向、换刀、正反转、变档、回参考点和进给等。通过编制合理的PLC程序，可实现对数控机床电气控制系统的精确控制。