侯小強

（1.山東濱州渤?；钊邢薰荆綎|濱州 256600；2.山東省發(fā)動機活塞摩擦副重點實驗室，山東濱州 256600）

0 引言

近年來我國電氣自動化數(shù)控車床相關技術越來越成熟，實現(xiàn)了與網(wǎng)絡技術和計算技術的有效結合，可實現(xiàn)對整個生產過程的動態(tài)管理，提前基于生產需求設計相關程序與各項參數(shù)，確保維持高效生產狀態(tài)。電氣控制系統(tǒng)作為自動數(shù)控車床的重要部分，一般可使用壽命遠遠小于機械零部件，為彌補這一缺陷，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，主要是以計算機為載體，電氣控制系統(tǒng)接收生產程序各項指令，并進行識別解釋。然后完成結果邏輯數(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計的生產程序和參數(shù)動作。以實際生產需求為基準，提前完成待生產零件尺寸、樣式等參數(shù)，通過程序代碼的形式輸入到計算機中，控制車床運行。正常情況下數(shù)控車床會嚴格按照設計好的程序代碼執(zhí)行動作，完成零部件的制造生產，整個過程不僅生產效率高，并且還可以保證零部件精度達標，對于復雜度小、精密度高的零部件批量生產適應性良好，相比普通車床在機械制造行業(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

2.1 適應性高

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性，并且可以保證工件產品的質量與精度，以及可以保持較高的穩(wěn)定性與平穩(wěn)性，能夠進一步推動機械產品加工行業(yè)的發(fā)展。相比普通機床，數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)能夠滿足的工件加工要求更廣泛，更加適應市場發(fā)展需求，其主要是以提前設計的程序代碼為依據(jù)，控制車床的各部件完成相應動作。相比人工操作，生產精度控制性更強，能夠更加滿足精度高、復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技術要點，了解電氣控制系統(tǒng)運行特點，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量的產品。即便是遇到部分需要更改設計的工件，也無需對其進行重新加工，只需要更改數(shù)控車床的數(shù)控程序相關內容，使其更加符合工件加工需求即可，中間節(jié)省了大量時間，以及可以保證產品的加工質量。

2.3 競爭力強

數(shù)控車床的投用進一步實現(xiàn)了機械制造生產的自動化，推動了整個機械制造加工行業(yè)的有效發(fā)展，同時基于其高效的生產狀態(tài)與高質量的生產產品，使得企業(yè)在市場中的競爭力更強。數(shù)控車床聯(lián)合了計算機技術與網(wǎng)絡技術，進一步提高電氣控制系統(tǒng)的可靠性，可以更靈活地應對各種突發(fā)問題，減少故障產生的損失。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)培訓與參與講座、自學等方式，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)設計內容

3.1 伺服驅動設計

數(shù)控車床實現(xiàn)了機械制造生產的自動化，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)出工件加工的相應控制數(shù)據(jù)，然后通過伺服系統(tǒng)實現(xiàn)在系統(tǒng)坐標軸的相對運動，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)控車床中已經有效應用了網(wǎng)絡技術和計算機技術，這樣就可以為伺服系統(tǒng)的設計提供進一步支持。以PLC技術作為基礎，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合效果更加緊密，進一步提高數(shù)控車床工件的加工精度以及生產效率。

3.2 主軸設計

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量，主軸功能還決定了數(shù)控車床整體工作時效性。要進一步提高零部件加工質量以及擴大加工范圍，獲得更大生產效益，就需要重視主軸設計。綜合多方面因素，全面分析數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設計基本要求，以滿足機械加工制造為目的，編寫符合生產要求的PLC 程序，并設計科學合理的電氣原理圖。以及還需要保證主軸大小、轉速、運行效率和運行位置等參數(shù)設計的合理性，嚴格遵守加工要求，實現(xiàn)科學配合。另外，還要保證所選主軸元器件性能與需求相符，提高主軸精準度，為高效、高精度生產提供保障。

4 數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)設計要點

4.1 數(shù)控車床優(yōu)化設計

以840D 數(shù)控系統(tǒng)作為本次研究對象，其應用的CPU 結構為人機通信CPU、數(shù)字控制CPU 以及可編程邏輯控制CPU。其中，人機通信CPU 屬于PUC 單元的CPU，主要作用于電氣控制系統(tǒng)人機界面軟件以及通信部分，涉及到的內容有機床參數(shù)設置、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)設計

4.2.1 總體設計方案

數(shù)控車床包括機械與電氣兩大部分，在針對電氣控制系統(tǒng)進行設計時，需要兩部分均進行全面分析，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)設計

針對數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，需要基于840D數(shù)控系統(tǒng)的特點分析，該系統(tǒng)在機床位置控制方面具有非常高的適應性，且系統(tǒng)軟硬件全部符合機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)進行優(yōu)化設計，對GS30 型數(shù)控車床原有的X 軸、U 軸光柵尺以及Z 軸、W 軸編碼器等全部進行更換，可為數(shù)控系統(tǒng)可靠性運行提供可靠支持。同時，將數(shù)控車床原系統(tǒng)更改為NCU 單元+611D 驅動+IFT 伺服電機+1PH7 主軸電機，確保各軸功率以及扭矩可以更加符合數(shù)控車床實際運行要求[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 機械部分設計

數(shù)控車床機械部分的設計，主要包括控制介質、伺服系統(tǒng)、數(shù)控裝置以及機床本體結構等。

4.3 系統(tǒng)設計驗收

數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設計完成以后，需要對系統(tǒng)實際操作效果進行驗收，即通過相對高精度儀器的運行狀態(tài)，檢測判斷系統(tǒng)電氣、機械以及各方面的實際性能。并根據(jù)檢測結果進行全面分析，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，包括標準綜合性試件加工以及單項加工等。并且加工內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 點來確定電氣控制系統(tǒng)設計是否滿足實際生產需求。

（1）功能檢驗?？梢詮氖謩雍蛿?shù)控兩個方面的功能性來進行驗收，一般前者可以采取手動或MDI 的方法，驗收確定機床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，確認機床各部件運行狀態(tài)，判斷其功能效果。

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

（3）定位精度與重復定位精度。可應用激光干涉儀進行檢驗，即設定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。主要是對機床綜合性能與切削精度進行檢驗確定。

（5）24 h 考機運行。對機床運行狀態(tài)進行檢驗，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)控機床電氣控制系統(tǒng)的操作說明、參數(shù)圖、電氣圖、相關說明書以及檢驗報告等進行整理歸檔。在系統(tǒng)設計完畢后，需要按照上述要求，組織進行相應驗收工作，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，可以滿足實際生產需求。

5 結束語

數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)對于整個設備運行狀態(tài)有著重要影響，更是實現(xiàn)數(shù)控車床自動化生產的關鍵，對其進行設計優(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，完成實際生產作業(yè)。