数控机床电气设计技巧

    随着控制理论与自动化技术的高速发展，数控机床的使用率也在逐年增加，，因其技术的复杂性、多样性和多变性等技术特点，数控机床电气系统在使用中难免出现多种问题，本文就数控机床电气设计技巧进行了分析。

1 数控机床电气系统的基本特点

　　(1)高可靠性。数控机床是长时间连续运转的设备，本身要具有高可靠性。因此，在电气系统的设计和部件的选用上，普遍应用了可靠性技术、容错技术及冗余技术。所有部件选用的是最成熟的、且符合有关国际标准并取得授权认证的新型产品。电气系统要在保证可靠性基础上。还具有先进性，如新型组合功能电器元件的使用、新型电子电器及电力电子功率器件的使用等等。

　　(2)稳定性。要在电气系统中采取一系列技术措施，使其适应较宽的环境条件，如要能适应交流供电系统电压的波动，对电网系统内的噪声干扰有一定的抑制作用，同时还符合电磁兼容的国家标准要求，系统内部既不相互干扰，还能抵抗外部干扰，也不向外部辐射破坏性干扰。

　　(3)安全性。电气系统的连锁要有效；电器装置的绝缘要保证完好，防护要齐全，接地要牢靠，以使操作人员的安全有保证；电器部件的防护外壳要具有防尘、防水、防油污的功能；经常移动的电缆，要有护套或拖链防护，防止缆线磨断或短路而造成系统故障；要有抑制内部器件异常温升的措施，特别是在夏季，要有强迫风冷或致冷器冷却；有防触电、防碰伤设施。

易损部件要便于更换或替换，保护元、器件的保护动作要灵敏，但也不能误动作；故障排除后，功能要能恢复。

　　(4)要具有良好的控制特性。所有被控制的电动机起动要平稳，快速响应，特性硬，无冲击，无震动，无异常噪声，无异常温升。电气系统要用指示灯做操作显示，电器元件要有状态指示、故障指示，有明显的安全操作标识。电气系统要体现人性化设计，如操作部位与人体平均高度、距离相适应，体现操作方便舒适及便于观察的特点，尤其要随时摸得到急停按钮，保证紧急情况下的快速操作；机床电器颜色不仅符合标准：还要美观、明显。

2 电气控制系统设计及组成

　　控制系统由PC机(工控机)、SIMOTIONO、电源模块、电机模块、电机、光栅尺、SMC30(传感器模块)、分布式I/O ET200M(包括数字量模块和模拟量模块)、机械手、主轴变频器、高速主轴以及多个传感器以及限位开关组成。

　　数控机床的种类很多，不同数控机床的功能，要求也不一样，设计时必须根据用户的要求，不断地改变设计电路和动作顺序控制程序。这样在一定程度上，增加了设计人员的工作量，同时也增加了机床的故障发生率，降低了机床的可靠性。

　　随着机床设计过程的不断完善和规范化，模块化设计已经成为必然的趋势。数控系统中可保持数据为模块化设计提供了可能，下面针对FANUC 0i系统，利用可保持数据K继电器来完成功能模块选择的实例程序框图。

　　设计人员把各种机床的常用功能总结以后，就可以编制成一个功能模块集合形式的标准程序。以后在机床设计过程中，只要进行模块组合即可，设计人员只要改变相应的K数据来进行不同模块的组合，就能设计出具有不同功能的各种数控机床。这样减少了重复设计、调试的工作，同时也方便了机床的统一管理和维修。

　　2.1 上位机

　　上位机是一台PC机(工控机)主要负责从加工文件中读取需要钻孔的孔位和孔径信息，以及为用户提供友好的界面设定加工参数，最后通过TCP/IP协议，把这些数据传到运动控制器。

2.2机械部分

　　设计与分析将根据机械设计原理提出数种机械设计方案，并对这些方案进行比较选择，阐明设计方案选择的理由，以及所采用方案的特点；同时，就设计过程阐述本人对有关设计的一些表述。本设计是一个主要用于教学实验用的数控铣床系统，是要对零件进行铣削加工的。我们要论证教学实验用的数控铣床系统的总体方案，就需要对该系统有一个整体的了解。要进行总体方案论证，先要熟悉设计参数，我们才能以此为依据进行取舍。下面就是笔者这次设计的参数。实验用的数控铣床系统，其工作参数如下：

　　2.3电源模块

　　一般变频器的工作方式，为先把一定频率的交流电变为直流电，再由逆变器把直流电变为指定频率的交流电。SIMOTIONO运动控制系统，采用通过电源模块把工业交流电变为直流电，再分配给多个电机模块的方式。电源模块分为可调电源模块和不可调电源模块。可调电源模块，可以根据参数把它转化出来的直流电稳定到一个指定的可变值，并且具有与SIMOTIONO通信的功能；不可调电源模块，只能输出一个固定的直流电压，而且不能同SIMOTIONO通信。

　　系统断电后信号状态的保存。数控机床断电后，机床的状态信号是不保存的，即在断电时，状态信号复位归零。机床通电后，数控系统重新检测各个状态信号。在一般情况下，状态信号通过外部输入状态确定，只要输入状态在断电前后没有变化，通电后信号自行恢复。但在特殊情况下，状态信号是由机床断电时的运动状态确定的，重新通电后系统无法恢复这种状态信息，在这种情况下，状态的保存就显得尤其重要。下面针对FANUC 0i系统，利用可保持数据(K数据)来完成数控车床尾架单限位开关限位状态保存的机床电气设计PLC编制程序。

3 电气控制系统方案

　　3.1 PLC与PC机相联系的控制系统

　　要实现对机电一体化的数控机床的有效控制，这样的电气控制系统有多种方案可以选择。其中最主要的，是采用单片机的控制系统。采用了集成DSP芯片的控制板与PC机相联系的控制系统，采用PLC与PC机相联系的控制系统。

　　各控制系统方案的特点与比较：采用单片机的控制系统，所谓单片机即是一块集成了CPU、RAMLROM(EPROM或EEPROM)、定时，计数器、时钟、多种功能的串行和并行YO口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的单片机还集成有A/D/D/A，如Intel公司的8098系列。

　　3.2单片机具有的特点

　　概括起来说，单片机具有如下特点：

　　(1)可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令，常数，表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道都在一个芯片内部，故可靠性高。

　　(2)易于扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行I/O管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。

　　(3)控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中，均有丰富的条件分支、I/O口的逻辑操作以及位处理指令。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行速度，均高于同一档次的微处理器。

　　(4)单片机一般采用了面向控制的指令。

　　(5)价格低廉。如低档单片机价格只有几元钱。开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多。后备人才充足。并且国内大多数高校都开设了单片机课程和单片机实验。

　　3.3 采用可编程逻辑控制器

　　采用PC与PLC相联系的控制系统可编程逻辑控制器。PLC(Programmable Logic Controller)是以微处理器为核心的工业控制装置。它是计算机家族中的一员，是为了工业控制应用而设计的，主要用于代替继电器实现逻辑控制。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。这种控制装置将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有高可靠性，灵活通用，易于编程，使用方便等特点，而且随着技术的发展，它的功能早已大大超出了逻辑控制的范围，因此近年来在工业自动控制，机电一体化，改造传统产业方面得到广泛地应用。

　　虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/0)和其他的可选部件组成。CPU是PLC的核心，用于输入各种指令，完成预定的任务。自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法，也已经在CPU中得到了应用。存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统I/O，使过程状态和参数输入到PLC的通道，以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使

　　PLC的应用十分广泛。在本控制系统中，PLC模块除了能够实现对机床各轴的顺序运动控制功能，还能实现X、Y轴的插补运动控制功能。所以选择PC与PLC相联系的控制系统。

4 结束语

　　数控机床的复杂性、多样性和多变形，使得其在应用中难免会出现很多问题，本文在对数控机床电气设计技巧分析基础上，提出了几点建议。但在今后的应用中肯定还会遇到很多问题，需要我们来共同探讨，共同解决。