侯小強(qiáng)

（1.山東濱州渤?；钊邢薰?，山東濱州 256600；2.山東省發(fā)動機(jī)活塞摩擦副重點(diǎn)實驗室，山東濱州 256600）

0 引言

近年來我國電氣自動化數(shù)控車床相關(guān)技術(shù)越來越成熟，實現(xiàn)了與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算技術(shù)的有效結(jié)合，可實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的動態(tài)管理，提前基于生產(chǎn)需求設(shè)計相關(guān)程序與各項參數(shù)，確保維持高效生產(chǎn)狀態(tài)。電氣控制系統(tǒng)作為自動數(shù)控車床的重要部分，一般可使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械零部件，為彌補(bǔ)這一缺陷，就必須保證電氣控制系統(tǒng)的高可靠性，減少各類故障的發(fā)生，維持最佳生產(chǎn)效率。

1 數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)原理

數(shù)控車床實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，主要是以計算機(jī)為載體，電氣控制系統(tǒng)接收生產(chǎn)程序各項指令，并進(jìn)行識別解釋。然后完成結(jié)果邏輯數(shù)據(jù)的計算與判斷處理，最后發(fā)出速度以及時間控制的操作指令，確保每部分均可以按照設(shè)計的生產(chǎn)程序和參數(shù)動作。以實際生產(chǎn)需求為基準(zhǔn)，提前完成待生產(chǎn)零件尺寸、樣式等參數(shù)，通過程序代碼的形式輸入到計算機(jī)中，控制車床運(yùn)行。正常情況下數(shù)控車床會嚴(yán)格按照設(shè)計好的程序代碼執(zhí)行動作，完成零部件的制造生產(chǎn)，整個過程不僅生產(chǎn)效率高，并且還可以保證零部件精度達(dá)標(biāo)，對于復(fù)雜度小、精密度高的零部件批量生產(chǎn)適應(yīng)性良好，相比普通車床在機(jī)械制造行業(yè)具有的優(yōu)勢更為突出[1]。

2 數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 適應(yīng)性高

數(shù)控車床對于不同要求的工件加工制造具有非常高的適應(yīng)性，并且可以保證工件產(chǎn)品的質(zhì)量與精度，以及可以保持較高的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性，能夠進(jìn)一步推動機(jī)械產(chǎn)品加工行業(yè)的發(fā)展。相比普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)能夠滿足的工件加工要求更廣泛，更加適應(yīng)市場發(fā)展需求，其主要是以提前設(shè)計的程序代碼為依據(jù)，控制車床的各部件完成相應(yīng)動作。相比人工操作，生產(chǎn)精度控制性更強(qiáng)，能夠更加滿足精度高、復(fù)雜性小的小尺寸工件加工[2]。

2.2 工藝簡單

數(shù)控車床可以解放更多勞動力，雖然對工作人員操作規(guī)范性要求更高，但是只需要掌握相應(yīng)技術(shù)要點(diǎn)，了解電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，就可以保證整個工件制造過程的簡易性，加工過程操作更加簡便，以更少的時間得到高質(zhì)量的產(chǎn)品。即便是遇到部分需要更改設(shè)計的工件，也無需對其進(jìn)行重新加工，只需要更改數(shù)控車床的數(shù)控程序相關(guān)內(nèi)容，使其更加符合工件加工需求即可，中間節(jié)省了大量時間，以及可以保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

2.3 競爭力強(qiáng)

數(shù)控車床的投用進(jìn)一步實現(xiàn)了機(jī)械制造生產(chǎn)的自動化，推動了整個機(jī)械制造加工行業(yè)的有效發(fā)展，同時基于其高效的生產(chǎn)狀態(tài)與高質(zhì)量的生產(chǎn)產(chǎn)品，使得企業(yè)在市場中的競爭力更強(qiáng)。數(shù)控車床聯(lián)合了計算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)一步提高電氣控制系統(tǒng)的可靠性，可以更靈活地應(yīng)對各種突發(fā)問題，減少故障產(chǎn)生的損失。另外，數(shù)控車床對操作人員的技能水平要求較高，通過專業(yè)培訓(xùn)與參與講座、自學(xué)等方式，使得企業(yè)工作人員的整體技能水平得到有效提升。

3 數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容

3.1 伺服驅(qū)動設(shè)計

數(shù)控車床實現(xiàn)了機(jī)械制造生產(chǎn)的自動化，為確保其自身優(yōu)勢可以充分發(fā)揮出來，前提必須要保證電氣控制系統(tǒng)的可靠性，其對數(shù)控車床的運(yùn)行狀態(tài)有著直接影響。在針對數(shù)控車床等電氣控制系統(tǒng)設(shè)計分析時，首先要確定作為重要組成部分伺服系統(tǒng)的重要性。伺服系統(tǒng)即CNC 裝備與車床之間存在的聯(lián)動部分，由CNC 發(fā)出工件加工的相應(yīng)控制數(shù)據(jù)，然后通過伺服系統(tǒng)實現(xiàn)在系統(tǒng)坐標(biāo)軸的相對運(yùn)動，以此完成數(shù)控程序所有操作要求，實現(xiàn)工件加工制造。現(xiàn)在數(shù)控車床中已經(jīng)有效應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，這樣就可以為伺服系統(tǒng)的設(shè)計提供進(jìn)一步支持。以PLC技術(shù)作為基礎(chǔ)，使得數(shù)控車床伺服系統(tǒng)具有更高抗干擾性，使得伺服系統(tǒng)計算與伺服系統(tǒng)中各個零件之間的結(jié)合效果更加緊密，進(jìn)一步提高數(shù)控車床工件的加工精度以及生產(chǎn)效率。

3.2 主軸設(shè)計

數(shù)控車床主軸精密度在很大程度上決定了數(shù)控車床零部件加工的精密度和質(zhì)量，主軸功能還決定了數(shù)控車床整體工作時效性。要進(jìn)一步提高零部件加工質(zhì)量以及擴(kuò)大加工范圍，獲得更大生產(chǎn)效益，就需要重視主軸設(shè)計。綜合多方面因素，全面分析數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求，以滿足機(jī)械加工制造為目的，編寫符合生產(chǎn)要求的PLC 程序，并設(shè)計科學(xué)合理的電氣原理圖。以及還需要保證主軸大小、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行效率和運(yùn)行位置等參數(shù)設(shè)計的合理性，嚴(yán)格遵守加工要求，實現(xiàn)科學(xué)配合。另外，還要保證所選主軸元器件性能與需求相符，提高主軸精準(zhǔn)度，為高效、高精度生產(chǎn)提供保障。

4 數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)

4.1 數(shù)控車床優(yōu)化設(shè)計

以840D 數(shù)控系統(tǒng)作為本次研究對象，其應(yīng)用的CPU 結(jié)構(gòu)為人機(jī)通信CPU、數(shù)字控制CPU 以及可編程邏輯控制CPU。其中，人機(jī)通信CPU 屬于PUC 單元的CPU，主要作用于電氣控制系統(tǒng)人機(jī)界面軟件以及通信部分，涉及到的內(nèi)容有機(jī)床參數(shù)設(shè)置、用戶文件管理以及加工程序等[3]。并且，PUC 單元自帶硬盤可實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)內(nèi)加工程序以及參數(shù)的存儲與備份。

4.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 總體設(shè)計方案

數(shù)控車床包括機(jī)械與電氣兩大部分，在針對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，需要兩部分均進(jìn)行全面分析，了解確定數(shù)控車床實際情況，保證各項功能得以有效實現(xiàn)。

4.2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

針對數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，需要基于840D數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)分析，該系統(tǒng)在機(jī)床位置控制方面具有非常高的適應(yīng)性，且系統(tǒng)軟硬件全部符合機(jī)床原有控制功能需求。包括10.4 寸液晶顯示器、薄型MCP 操作面板以及全功能CNC 操作鍵盤等。以及PUC 帶有硬盤功能，用戶可通過PUC 獲取中文顯示界面，人機(jī)交互效果良好。并且，通過PUC 還可以實現(xiàn)圖形模擬、加工循環(huán)以及圖形編程等。

對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對GS30 型數(shù)控車床原有的X 軸、U 軸光柵尺以及Z 軸、W 軸編碼器等全部進(jìn)行更換，可為數(shù)控系統(tǒng)可靠性運(yùn)行提供可靠支持。同時，將數(shù)控車床原系統(tǒng)更改為NCU 單元+611D 驅(qū)動+IFT 伺服電機(jī)+1PH7 主軸電機(jī)，確保各軸功率以及扭矩可以更加符合數(shù)控車床實際運(yùn)行要求[4]。另外，將副主軸開環(huán)控制更改為半閉環(huán)控制，確?？梢詫崿F(xiàn)同步軸功能。

4.2.3 機(jī)械部分設(shè)計

數(shù)控車床機(jī)械部分的設(shè)計，主要包括控制介質(zhì)、伺服系統(tǒng)、數(shù)控裝置以及機(jī)床本體結(jié)構(gòu)等。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計驗收

數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計完成以后，需要對系統(tǒng)實際操作效果進(jìn)行驗收，即通過相對高精度儀器的運(yùn)行狀態(tài)，檢測判斷系統(tǒng)電氣、機(jī)械以及各方面的實際性能。并根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行全面分析，完成電氣控制系統(tǒng)等部分的性能評定。一般可以從切削精度、幾何精度以及定位精度來進(jìn)行驗收。

以切削精度驗收為例，涉及的影響因素眾多，如定位精度、幾何精度以及加工材料等。實際檢測驗收可選擇方法較多，包括標(biāo)準(zhǔn)綜合性試件加工以及單項加工等。并且加工內(nèi)容也涉及到斜線加工、直線加工、平面加工以及圓弧加工等多項內(nèi)容。對于本次研究的GS30 主軸數(shù)控車床的切削精度檢驗，可以通過以下6 點(diǎn)來確定電氣控制系統(tǒng)設(shè)計是否滿足實際生產(chǎn)需求。

（1）功能檢驗?？梢詮氖謩雍蛿?shù)控兩個方面的功能性來進(jìn)行驗收，一般前者可以采取手動或MDI 的方法，驗收確定機(jī)床M、S、I 功能性。后者則是需要通過控制系統(tǒng)來操縱數(shù)控程序，確認(rèn)機(jī)床各部件運(yùn)行狀態(tài)，判斷其功能效果。

（2）幾何精度。機(jī)床功能驗收中，會設(shè)置一個允許的偏差范圍，據(jù)此就可以進(jìn)行機(jī)床幾何精度的檢測。一般可選擇應(yīng)用大理石檢驗方箱、磁力表座以及千分表等。

（3）定位精度與重復(fù)定位精度?？蓱?yīng)用激光干涉儀進(jìn)行檢驗，即設(shè)定50 mm 的間距來檢測確定X 軸、Z 軸、U 軸和W 軸是否存在問題。

（4）試件切削精度。主要是對機(jī)床綜合性能與切削精度進(jìn)行檢驗確定。

（5）24 h 考機(jī)運(yùn)行。對機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢驗，主要就是基于電氣控制系統(tǒng)確定各部件動作的穩(wěn)定性與可靠性。

（6）資料整理歸檔。對數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的操作說明、參數(shù)圖、電氣圖、相關(guān)說明書以及檢驗報告等進(jìn)行整理歸檔。在系統(tǒng)設(shè)計完畢后，需要按照上述要求，組織進(jìn)行相應(yīng)驗收工作，可確定數(shù)控車床的各項功能參數(shù)。確定電氣控制系統(tǒng)工作具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，可以滿足實際生產(chǎn)需求。

5 結(jié)束語

數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)對于整個設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有著重要影響，更是實現(xiàn)數(shù)控車床自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵，對其進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，必須保證其具有較高的可靠性與穩(wěn)定性，以實現(xiàn)各部件可靠動作，完成實際生產(chǎn)作業(yè)。