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数控机床电气控制技术及设计方法探析

2018-09-10杨海燕

现代盐化工 2018年4期
关键词:电气控制数控机床设计方法

杨海燕

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

数控机床融合计算机信息技术、检测技术、自动控制技术、机械制造技术等,有效地解决了多品种、小批量、精密、复杂零件加工问题,是当前我国机械制造业中常用设备之一,因此,有关数控机床的研究,受到业内人士的广泛关注,尤其作为数控机床主要构成部分的电气控制系统,是数控机床设计工作中的重点。

1 数控机床构成及工作原理

1.1数控机床构成

数控机床构成复杂包括伺服系统、检测传感部分、电子控制单元、动力源、机械本体等,其中伺服系统控制移动部件做相关运动,对运动速度及精度进行调节,满足零件加工需求。检测传感部分负责检测回转工作台角度位移、工作台直线位移,并将检测结果传输给计算机加以显示,或进行反馈控制。电子控制单元(Computerized Numerical ControlMachine,CNC)负责译码、运算以及逻辑处理各种数字信息,并将生成的指令信息传输给伺服系统,促使机床依据设定的动作进行加工。动力源负责将电能提供给机床,驱使机床运转。机床本体为各种切削提供可操作的平台。

1.2数控机床工作原理

数控机床与普通机床不同,工作原理为:根据零件加工要求,使用数控语言,编写加工顺序、参数程序,程序经CNC装置分析、处理后,将执行指令发送给伺服系统,驱使机床移动部分移动完成加工,流程如图1所示。

2 数控机床电气控制系统设计

数控机床的种类较多,依据工艺用途,可将数控机床分为一般数控机床、加工中心、特种数控机床。本文探讨的机床为立式铣床,在主轴驱动下,进行工件切削旋转,用于加工小型磨具、汽车配件、五金产品等。该数控机床电气控制系统构成复杂,其中主轴电机电气控制系统、进给轴控制系统、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制模块、开关及紧急停车系统是电气控制系统的重要构成部分,是数控机床设计工作的重要内容,应引起设计人员足够的重视,现对电气控制系统设计进行探讨。

2.1主轴电机电气控制系统设计

主轴电机电气控制系统设计工作应在明确控制原理以及工作过程的基础上进行,认真考虑各设计环节,保证设计质量。

首先,选择合适配件。对数控机床用途进行分析,认真对比不同类型号主轴电机、变频器,额定电压、额定电流、额定功率等参数,选择最佳的组合,满足加工工作要求。主轴电机运行的控制过程为:数控系统CNC将使能信号传输给主轴驱动器,使主轴电机做好启动准备,而后等待启动命令,从CNC键盘输入启动命令,便可启动运转。其次,做好主轴保护。主轴运行时,为防止出现异常,损坏主轴电机,设计时应采取措施保护主轴。一方面,设置过热温度阀值,如设为110℃,一旦温度超过该值,自动向系统传输过热信号,系统接收到信号后报警。另外,变频器对电机内部电流、功率、转速等参数进行检测,并将异常信息传输给CNC系统,显示相关类型的报警。另一方面,当出现干扰严重、电压不稳、突然断电等不良状况时,电气控制系统应能作出响应,将异常造成的影响降到最低,例如,供电突然中断时,PLC、变频器、CNC内部电源负责存储重要的程序及参数,供电恢复后能继续运行。当因短路导致电流升高时,一旦超过设定的某个数值,漏电开关便动作、断开,避免重要部件受损伤害操作人员。最后,设定合理参数。为保证主轴电机正常运行,方便操作,设计人员应根据实际操作需求,设置相关参数,并做好运行调试。

2.2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±0.001 mm、±0.005 mm。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。

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。

2.3 PLC控制模块设计

本研究探讨的PLC控制模块主要负责对换刀系统、照明系统、润滑系统、冷却系统等辅助系统的控制。设计时应注重以下内容的认真落实。

(1)外部接线设计。设计时根据子系统需要预留合适数量的输入端口以及报警输出。例如,换刀系统有5个报警输出、5个输入;照明系统有4个输出、1个输入;润滑系统有2个报警输出,2个输入。另外,设置时应留有1/3的余量。其次,润滑与冷却系统设计。润滑及冷却系统电气控制系统分为电机控制、PLC控制,其中电机控制流程为:系统做好充分准备,CNC发出相关信号促使润滑系统运行,进行15 s润滑后停止。接通压力开关时25 min后断开,润滑冷却电机运行15 s,并循環工作。(2)设置冷却液不足、润滑油不足、电机过载等信号,一旦系统监测到这些信号便报警。PLC控制的过程为:在两个时间继电器作用下,控制润滑冷却间隙,而后在PLC控制下进行周期性的润滑操作。(3)照明和信号等系统设计。数控机床运行时,照明系统便自动运行,并且控制柜中的照明只有控制柜开启时才工作。信号系统指示情况为:机床开机显示为黄灯;系统报警或紧急停止,显示为红灯;系统正常运行时显示为绿灯。

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。

3 结语

数控机床电气控制技术专业性,控制系统构成复杂,是数控机床的重要组成部分。为保证数控机床正常运行,做好电气控制系统设计工作尤为重要。通过研究得出以下结论。

(1)数控机床电气控制系统设计前,应做好数控机床构成、工作原理研究,做好合理的设计规划,明确数控机床各构成部分以及电气控制系统设计目标,把握设计工作的重点与难点。

(2)数控机床电气控制系统内容复杂,主轴电机、进给轴、PLC模块、开关及紧急停止系统,都涉及复杂的电气控制,因此,设计人员应引起足够的重视,做好这些部分的电气控制设计工作,选择合适硬件设备型号,合理设置相关参数,尤其应做好异常处理设计工作,避免数控机床发生异常,损坏相关部件及造成操作人员伤亡。

[参考文献]

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