王麗君

摘 要： 數(shù)控機(jī)床在解決精密或者復(fù)雜零件的過(guò)程中具有重要的作用，機(jī)電一體化系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)具有典型性。以PLC為基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)屬于數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要結(jié)果。PLC數(shù)控機(jī)床在使用過(guò)程中具備多種優(yōu)點(diǎn)，比如電氣控制系統(tǒng)利用工件斷刀檢測(cè)、自動(dòng)夾緊及機(jī)械手自動(dòng)換刀等，能夠有效實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化?；诖?，本文就對(duì)電氣控制系統(tǒng)研究?jī)r(jià)值進(jìn)行分析，并且完成數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 電氣控制系統(tǒng); 研究?jī)r(jià)值; 數(shù)控機(jī)床; 優(yōu)化

中圖分類號(hào)： TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1007-757X（2019）06-0102-03

Abstract： The CNC machine tool plays an important role in the process of solving precision or complex parts. The data have a typical basic point integrated CNC machine tool. The PLC-based electrical control system of CNC machine tools is the main result of the development of CNC machine tools. The PLC numerical control machine tool has many advantages in the use process， for example， the electrical control system can be used to detect the broken knife， to automatically clamp and change hand tools of the robot， etc. It can effectively realize the automation of the numerical control machine tool. Based on this， this article analyzes the research value of the electrical control system and realizes the optimal design of the electrical control system of the numerical control machine tool.

Key words： Electrical control system; Research value; Numerical control machine tool; Optimization

0?引言

煤礦機(jī)械在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行完善與數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)發(fā)展具有密切的聯(lián)系，傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中都是通過(guò)繼電器控制，其設(shè)備獨(dú)立性較低，在煤礦機(jī)械數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)設(shè)備中出現(xiàn)控制及機(jī)械故障的可能性較大。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，PLC設(shè)計(jì)也逐漸引入到數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中，從而有效提高了數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)配置，在日常生產(chǎn)過(guò)程中利用平面定位實(shí)現(xiàn)微孔加工鉆床。數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)革新使用模塊化基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不管是機(jī)械生產(chǎn)，還是電氣控制都有了進(jìn)一步的提高，有效實(shí)現(xiàn)了高精度閉環(huán)狀態(tài)的控制，也提高了加工的效率，以此為數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的PLC設(shè)計(jì)使用打下了良好的基礎(chǔ)。

1?電氣控制系統(tǒng)的研究?jī)r(jià)值

廠用電源、發(fā)電機(jī)、變壓器等一系列的電氣系統(tǒng)控制都能夠根據(jù)電氣控制、單元機(jī)組的特點(diǎn)融入到電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)范疇，其和熱工控制量進(jìn)行對(duì)比，電氣控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中和控制要求具有一定的差別。電氣特點(diǎn)為：其一，電氣控制系統(tǒng)對(duì)熱機(jī)控制設(shè)備控制信息性收集數(shù)量較少，并且操作頻率較低;其二，對(duì)電機(jī)設(shè)備保護(hù)自動(dòng)裝置可靠性較高，具有較高的抗干擾能力。在今后發(fā)展過(guò)程中，電氣控制系統(tǒng)會(huì)朝著信息化、分布式、開放化的方向發(fā)展。開放化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括外部設(shè)備提供接口，從而使系統(tǒng)能夠成功連接到外部網(wǎng)絡(luò)中。分布式結(jié)構(gòu)能夠保證網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)智能模塊工作網(wǎng)絡(luò)是相互獨(dú)立的，從而能夠有效分離系統(tǒng)危險(xiǎn)[1]。 信息化能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)信息的綜合處理能力，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化及管控的相互結(jié)合。在產(chǎn)品價(jià)格方面具備一定的競(jìng)爭(zhēng)能力，并且還要不斷開拓更加科學(xué)的發(fā)展道路。基于電機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到眾多行業(yè)中，并且在生產(chǎn)過(guò)程中具有重要的作用?；ヂ?lián)網(wǎng)與以太網(wǎng)技術(shù)能夠有效促進(jìn)電氣自動(dòng)化的主要變革，這主要是因?yàn)槎喾矫嫘枨?，網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域具有重要的發(fā)展前景。

以此表示，電氣控制系統(tǒng)對(duì)行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的自動(dòng)化水平具有明顯的提高，尤其是在運(yùn)行管理中。電氣控制系統(tǒng)能夠使企業(yè)成本得到降低，并且提高設(shè)備可靠性。所以，電氣化自動(dòng)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到多行業(yè)中，對(duì)于電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行研究也具有重要的價(jià)值意義[2]。

2?數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

數(shù)控機(jī)床電氣控制的總體優(yōu)化方案，使用ARM作為控制系統(tǒng)，使用PLC為電氣輔助系統(tǒng)控制的中心，使用DSP作為伺服驅(qū)動(dòng)核心及運(yùn)動(dòng)控制器，如圖1所示。

本文所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)以下控制及運(yùn)動(dòng)：其一，實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的啟動(dòng)、變速、停止、調(diào)速，并且要求主軸平穩(wěn)轉(zhuǎn)速;其二，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀、液壓泵、潤(rùn)滑電機(jī)、冷卻泵電機(jī)的控制;其三，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)過(guò)程中信號(hào)燈的控制;其四，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)緊急停止和工作臺(tái)的限位保護(hù)[3]。

3?數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的供配電設(shè)計(jì)

3.1?380 V電源供配電的設(shè)計(jì)

380 V交流電源主要是對(duì)伺服電機(jī)、冷卻油泵電機(jī)、主軸電機(jī)、刀庫(kù)電機(jī)等進(jìn)行供電，圖2為交流380 V供電的電源圖，通過(guò)圖2可以看出來(lái)，引入機(jī)床三相五線交流電源相線通過(guò)漏電開關(guān)進(jìn)行接入。漏電開關(guān)屬于機(jī)床電源總體開關(guān)，其具有線路及對(duì)地保護(hù)的作用。使用熔斷器進(jìn)行熱保護(hù)，分為兩路電源。一路通過(guò)變壓器變壓之后轉(zhuǎn)變成為220 V，其屬于伺服系統(tǒng)電管;一路為刀庫(kù)電機(jī)、油泵電機(jī)、刀臂電機(jī)及主軸電機(jī)供電[4]。

3.2?直流電源供配電設(shè)計(jì)

使用兩個(gè)24 V的開關(guān)電源，其中一個(gè)開關(guān)電源為運(yùn)動(dòng)控制器提供工作電壓，也就是為各個(gè)模塊芯片提供電壓。其中一個(gè)為IO、PLC、DSP等模塊共用，其他的信號(hào)電壓不能夠和此開關(guān)共同使用。電源開關(guān)24 V轉(zhuǎn)接端子使用線碼進(jìn)行標(biāo)識(shí)，另外開關(guān)電源為模塊IO信號(hào)提供電源電壓，包括IO板和DSP板，外部信號(hào)與中間繼電器共同使用。

3.3?計(jì)算電氣負(fù)荷

在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)的過(guò)程中，計(jì)算電氣負(fù)荷尤為重要，如果選擇過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)浪費(fèi)，并且不容易對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。如果選擇過(guò)小，就無(wú)法使電能滿足對(duì)設(shè)備的要求，并且容易將設(shè)備燒壞。所以就要精準(zhǔn)計(jì)算電氣負(fù)荷，對(duì)電氣負(fù)荷進(jìn)行合理的選擇。本文使用超過(guò)三臺(tái)數(shù)控機(jī)床用電設(shè)備，并且用電功率基本相同，所以可以使用系數(shù)法實(shí)現(xiàn)計(jì)算。需要系數(shù)法是以用電設(shè)備功率對(duì)電氣負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算的方法，首先要全面調(diào)查運(yùn)行系統(tǒng)，方法要根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的分組，尋找各個(gè)組的設(shè)備功率和計(jì)算負(fù)荷關(guān)系并且提供一定的參數(shù)。之后使用參數(shù)區(qū)推測(cè)待建系統(tǒng)計(jì)算負(fù)荷，需要系數(shù)法適用的設(shè)備臺(tái)數(shù)比較多，并且功率相差較小進(jìn)行計(jì)算[5]，計(jì)算式為式（1）。

其中Pc、Qc和Sc 指的是用電設(shè)備組的總體計(jì)算有功、無(wú)功及視在功率。

4?數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)屬于全閉環(huán)系統(tǒng)，主要包括變頻器、電動(dòng)機(jī)和光柵尺，電氣控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)就是具有較高的控制精度。

4.1?電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成

電子控制系統(tǒng)的軟件構(gòu)成，其中主要包括光柵尺、電動(dòng)機(jī)模塊、電源模塊、傳感器及變頻器等，如圖3所示。

4.1.1?電源模塊

先利用變頻器將一定頻率交流點(diǎn)變成為直流電，之后利用逆變器使直流點(diǎn)變成為預(yù)定頻率交流電，電源模塊主要包括可調(diào)與不可調(diào)兩種。其中可調(diào)電源模塊指的是根據(jù)參數(shù)將轉(zhuǎn)化的直流電穩(wěn)定成為預(yù)定可變值，使其具備和SIMOTION的通信功能。不可提高電源模塊只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)固定直流電壓值的輸出，并且不能夠和SIMOTION進(jìn)行通信。

4.1.2?電動(dòng)機(jī)模塊

利用電動(dòng)機(jī)模塊能夠使直流電逆變成為預(yù)定頻率交流電，從而在電動(dòng)機(jī)中使用。電動(dòng)機(jī)模塊主要包括書本型和裝機(jī)裝柜型[6]。

4.1.3?SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器

SIMOTION屬于電氣控制系統(tǒng)的主要核心部分，其可靠性和運(yùn)行速度影響著電氣控制系統(tǒng)的使用，其主要功能為邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制及工藝控制。

4.1.4?斷刀檢測(cè)

斷刀檢測(cè)的示意圖，斷刀檢測(cè)系統(tǒng)核心主要包括一個(gè)OC門光纖傳感器，OC門三根接入線直接和24V電源中連接，以此信號(hào)線就能夠和24V電阻構(gòu)成一個(gè)電平輸出，如圖4所示。

在進(jìn)行加工的過(guò)程中，刀具可能會(huì)受到磨損或者斷裂。那么為了能夠?qū)ζ浼庸べ|(zhì)量進(jìn)行保證，就要對(duì)刀具是否正常進(jìn)行檢測(cè)，假如刀具受到磨損，機(jī)床能夠使自動(dòng)換刀并且對(duì)上級(jí)位進(jìn)行通知，斷刀檢測(cè)主要是利用光纖傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)[7]。

4.1.5?深度檢測(cè)

因?yàn)閾Q刀過(guò)程中主軸夾緊位置是通過(guò)機(jī)械手及人工對(duì)刀具插入深度進(jìn)行決定，那么就要使用深度檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)刀具深度的檢測(cè)。

4.1.6?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在實(shí)現(xiàn)SIMOTION加工過(guò)程中要實(shí)現(xiàn)大量孔位信息的存儲(chǔ)，本文通過(guò)數(shù)組的形式實(shí)現(xiàn)孔位信息的存儲(chǔ)，并且為數(shù)據(jù)區(qū)設(shè)置指針，分別為孔位信息存儲(chǔ)指針和孔位加工指針。在接收上位機(jī)下傳到孔位信息的時(shí)候，要以孔位信息的存儲(chǔ)指針位置實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)。在每次接收到加工命令的時(shí)候，就表示此次數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送完成，孔位信息的存儲(chǔ)指針就會(huì)為0，并且孔位加工指針會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)中的第一數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。因?yàn)椴糠謹(jǐn)?shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量較大，所以在傳輸過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)誤差，以此導(dǎo)致加工錯(cuò)誤以此使產(chǎn)品不能夠使用。所以就要對(duì)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性進(jìn)行嚴(yán)格的保證，基于通信過(guò)程實(shí)現(xiàn)CRC的校驗(yàn)。

4.1.7?批量加工

在批量加工的過(guò)程中，機(jī)床主要工作模式為接收孔實(shí)現(xiàn)加工，在收到開始批量加工指令之后，就能夠?qū)崿F(xiàn)批量加工。首先，要能夠通過(guò)上位機(jī)所發(fā)送的加工參數(shù)對(duì)主軸進(jìn)行判斷，對(duì)于需要進(jìn)行啟動(dòng)的主軸，SIMOTION能夠?qū)㈤_關(guān)量進(jìn)行輸入，從而對(duì)主軸繼電器和主軸電源的接通進(jìn)行控制。為了能夠?qū)χ鬏S安全性進(jìn)行有效的保證，SIMOTION要能夠不停的主軸轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)置的轉(zhuǎn)速進(jìn)行判斷，假如滿足加工需求，就可以實(shí)現(xiàn)加工。在加工過(guò)程中要從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中取出第一孔位置信息，工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定位置中實(shí)現(xiàn)高電平的輸出，工作臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中Z軸不能夠運(yùn)動(dòng)[8]。

5?總結(jié)

在工業(yè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，PLC可編程控制器也在持續(xù)發(fā)展，并且被廣泛應(yīng)用到煤礦機(jī)械自動(dòng)控制生產(chǎn)系統(tǒng)中，其在生產(chǎn)控制方面的性能是其他產(chǎn)品不能夠相比的。數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)術(shù)我國(guó)機(jī)械行業(yè)的主要信息化工程設(shè)置尤為重要的內(nèi)容。本文將數(shù)控機(jī)床改進(jìn)為基礎(chǔ)，輸入設(shè)計(jì)之后的程序，利用合理處理及計(jì)算，以此實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)部件的安裝。

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（收稿日期： 2018.05.28）