自动化数控车床电气控制设计分析

侯小强

（1.山东滨州渤海活塞有限公司，山东滨州 256600；2.山东省发动机活塞摩擦副重点实验室，山东滨州 256600）

0 引言

近年来我国电气自动化数控车床相关技术越来越成熟，实现了与网络技术和计算技术的有效结合，可实现对整个生产过程的动态管理，提前基于生产需求设计相关程序与各项参数，确保维持高效生产状态。电气控制系统作为自动数控车床的重要部分，一般可使用寿命远远小于机械零部件，为弥补这一缺陷，就必须保证电气控制系统的高可靠性，减少各类故障的发生，维持最佳生产效率。

1 数控车床电气控制系统原理

数控车床实现了自动化生产，主要是以计算机为载体，电气控制系统接收生产程序各项指令，并进行识别解释。然后完成结果逻辑数据的计算与判断处理，最后发出速度以及时间控制的操作指令，确保每部分均可以按照设计的生产程序和参数动作。以实际生产需求为基准，提前完成待生产零件尺寸、样式等参数，通过程序代码的形式输入到计算机中，控制车床运行。正常情况下数控车床会严格按照设计好的程序代码执行动作，完成零部件的制造生产，整个过程不仅生产效率高，并且还可以保证零部件精度达标，对于复杂度小、精密度高的零部件批量生产适应性良好，相比普通车床在机械制造行业具有的优势更为突出[1]。

2 数控车床电气控制系统特点

2.1 适应性高

数控车床对于不同要求的工件加工制造具有非常高的适应性，并且可以保证工件产品的质量与精度，以及可以保持较高的稳定性与平稳性，能够进一步推动机械产品加工行业的发展。相比普通机床，数控机床电气控制系统能够满足的工件加工要求更广泛，更加适应市场发展需求，其主要是以提前设计的程序代码为依据，控制车床的各部件完成相应动作。相比人工操作，生产精度控制性更强，能够更加满足精度高、复杂性小的小尺寸工件加工[2]。

2.2 工艺简单

数控车床可以解放更多劳动力，虽然对工作人员操作规范性要求更高，但是只需要掌握相应技术要点，了解电气控制系统运行特点，就可以保证整个工件制造过程的简易性，加工过程操作更加简便，以更少的时间得到高质量的产品。即便是遇到部分需要更改设计的工件，也无需对其进行重新加工，只需要更改数控车床的数控程序相关内容，使其更加符合工件加工需求即可，中间节省了大量时间，以及可以保证产品的加工质量。

2.3 竞争力强

数控车床的投用进一步实现了机械制造生产的自动化，推动了整个机械制造加工行业的有效发展，同时基于其高效的生产状态与高质量的生产产品，使得企业在市场中的竞争力更强。数控车床联合了计算机技术与网络技术，进一步提高电气控制系统的可靠性，可以更灵活地应对各种突发问题，减少故障产生的损失。另外，数控车床对操作人员的技能水平要求较高，通过专业培训与参与讲座、自学等方式，使得企业工作人员的整体技能水平得到有效提升。

3 数控车床电气控制系统设计内容

3.1 伺服驱动设计

数控车床实现了机械制造生产的自动化，为确保其自身优势可以充分发挥出来，前提必须要保证电气控制系统的可靠性，其对数控车床的运行状态有着直接影响。在针对数控车床等电气控制系统设计分析时，首先要确定作为重要组成部分伺服系统的重要性。伺服系统即CNC 装备与车床之间存在的联动部分，由CNC 发出工件加工的相应控制数据，然后通过伺服系统实现在系统坐标轴的相对运动，以此完成数控程序所有操作要求，实现工件加工制造。现在数控车床中已经有效应用了网络技术和计算机技术，这样就可以为伺服系统的设计提供进一步支持。以PLC技术作为基础，使得数控车床伺服系统具有更高抗干扰性，使得伺服系统计算与伺服系统中各个零件之间的结合效果更加紧密，进一步提高数控车床工件的加工精度以及生产效率。

3.2 主轴设计

数控车床主轴精密度在很大程度上决定了数控车床零部件加工的精密度和质量，主轴功能还决定了数控车床整体工作时效性。要进一步提高零部件加工质量以及扩大加工范围，获得更大生产效益，就需要重视主轴设计。综合多方面因素，全面分析数控车床电气控制系统设计基本要求，以满足机械加工制造为目的，编写符合生产要求的PLC 程序，并设计科学合理的电气原理图。以及还需要保证主轴大小、转速、运行效率和运行位置等参数设计的合理性，严格遵守加工要求，实现科学配合。另外，还要保证所选主轴元器件性能与需求相符，提高主轴精准度，为高效、高精度生产提供保障。

4 数控车床电气控制系统设计要点

4.1 数控车床优化设计

以840D 数控系统作为本次研究对象，其应用的CPU 结构为人机通信CPU、数字控制CPU 以及可编程逻辑控制CPU。其中，人机通信CPU 属于PUC 单元的CPU，主要作用于电气控制系统人机界面软件以及通信部分，涉及到的内容有机床参数设置、用户文件管理以及加工程序等[3]。并且，PUC 单元自带硬盘可实现电气控制系统内加工程序以及参数的存储与备份。

4.2 电气控制系统设计

4.2.1 总体设计方案

数控车床包括机械与电气两大部分，在针对电气控制系统进行设计时，需要两部分均进行全面分析，了解确定数控车床实际情况，保证各项功能得以有效实现。

4.2.2 电气系统设计

针对数控车床电气控制系统进行优化设计，需要基于840D数控系统的特点分析，该系统在机床位置控制方面具有非常高的适应性，且系统软硬件全部符合机床原有控制功能需求。包括10.4 寸液晶显示器、薄型MCP 操作面板以及全功能CNC 操作键盘等。以及PUC 带有硬盘功能，用户可通过PUC 获取中文显示界面，人机交互效果良好。并且，通过PUC 还可以实现图形模拟、加工循环以及图形编程等。

对电气控制系统进行优化设计，对GS30 型数控车床原有的X 轴、U 轴光栅尺以及Z 轴、W 轴编码器等全部进行更换，可为数控系统可靠性运行提供可靠支持。同时，将数控车床原系统更改为NCU 单元+611D 驱动+IFT 伺服电机+1PH7 主轴电机，确保各轴功率以及扭矩可以更加符合数控车床实际运行要求[4]。另外，将副主轴开环控制更改为半闭环控制，确保可以实现同步轴功能。

4.2.3 机械部分设计

数控车床机械部分的设计，主要包括控制介质、伺服系统、数控装置以及机床本体结构等。

4.3 系统设计验收

数控机床电气系统的优化设计完成以后，需要对系统实际操作效果进行验收，即通过相对高精度仪器的运行状态，检测判断系统电气、机械以及各方面的实际性能。并根据检测结果进行全面分析，完成电气控制系统等部分的性能评定。一般可以从切削精度、几何精度以及定位精度来进行验收。

以切削精度验收为例，涉及的影响因素众多，如定位精度、几何精度以及加工材料等。实际检测验收可选择方法较多，包括标准综合性试件加工以及单项加工等。并且加工内容也涉及到斜线加工、直线加工、平面加工以及圆弧加工等多项内容。对于本次研究的GS30 主轴数控车床的切削精度检验，可以通过以下6 点来确定电气控制系统设计是否满足实际生产需求。

（1）功能检验。可以从手动和数控两个方面的功能性来进行验收，一般前者可以采取手动或MDI 的方法，验收确定机床M、S、I 功能性。后者则是需要通过控制系统来操纵数控程序，确认机床各部件运行状态，判断其功能效果。

（2）几何精度。机床功能验收中，会设置一个允许的偏差范围，据此就可以进行机床几何精度的检测。一般可选择应用大理石检验方箱、磁力表座以及千分表等。

（3）定位精度与重复定位精度。可应用激光干涉仪进行检验，即设定50 mm 的间距来检测确定X 轴、Z 轴、U 轴和W 轴是否存在问题。

（4）试件切削精度。主要是对机床综合性能与切削精度进行检验确定。

（5）24 h 考机运行。对机床运行状态进行检验，主要就是基于电气控制系统确定各部件动作的稳定性与可靠性。

（6）资料整理归档。对数控机床电气控制系统的操作说明、参数图、电气图、相关说明书以及检验报告等进行整理归档。在系统设计完毕后，需要按照上述要求，组织进行相应验收工作，可确定数控车床的各项功能参数。确定电气控制系统工作具有较高的稳定性和可靠性，可以满足实际生产需求。

5 结束语

数控车床电气控制系统对于整个设备运行状态有着重要影响，更是实现数控车床自动化生产的关键，对其进行设计优化，必须保证其具有较高的可靠性与稳定性，以实现各部件可靠动作，完成实际生产作业。