基于自动化技术的机床电气控制系统改造的设计分析

摘要：现代工业发展对工作设备的要求较高，包括机床在内，这为其电气控制系统改造、自动化技术的应用提供了空间。本文以基于自动化技术的机床电气控制系统改造优势为切入点，分析其设计思路、设计实现方法，包括通信系统、感知系统、决策系统等，并结合模拟实验对上述内容进行论证。最后简单就自动化技术下机床电气控制系统改造进行展望，服务后续有关工作。

关键词：自动化技术 机床电气控制系统 改造设计 决策系统

Design Analysis of Designingthe Transformationof theElectrical Control System Transformationofor Machine Tools inBased on Automation Technology

DENG Jinyan

Huanggang Polytechnic College， Huanggang，Hubei Province，438000 China

Abstract：The development of Mmodern industriyal development has high requirements for work equipment， including machine tools， which provides space for the transformation of itselectrical control systems and the application of automation technology. This article takes the advantages of the transformation of machine tool the electrical control system of machine tools based on automation technology as the starting point， analyzes its design ideas and implementation methods， including the communication systems， perception systems， decision-making systems， etc.， and combines simulation experiments to demonstrate the above content. Finally， it prospectsa brief outlook on the transformation of the electrical control system of machine tools underbased on automation technology is provided to serve subsequent related work.

Key Words： Automation technology; Machine tool eElectrical control system of machine tools; TransformationRenovation design;Decision-making system

自动化（Automation）是指机器设备、系统或过程在无人、半无人模式下按照既定要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业等领域，也为机床设计、制造、应用提供了重要支持，包括机床电气控制系统改造在内[1]。从一般特点上看，自动化技术可以提升机床控制质量、作业水平，也能提升安全性，为促进工业发展，优化机床性能，就基于自动化技术的机床电气控制系统改造要求、设计思路、实现方式等内容进行分析，具有一定积极价值。

1基于自动化技术的机床电气控制系统改造优势

1.1优化控制效率

以自动化技术为基础，组织机床电气控制系统改造，基本要求在于优化控制效率。大部分机床的作业内容带有重复性，但存在负荷水平、工作参数的变化调整需要，传统模式下主要依赖人员进行参数调整，效率尚可，但如果人员工作不及时、遗忘参数调控工作，控制效率显著下降。引入自动化技术，对机床电气控制系统进行改造，可以利用默认程序、机械模块、电子技术替代人工完成机床控制、参数调整等工作，只要程序设定得当，参数调整工作也严格遵照设定标准自动化完成，就能提高控制效率，很大程度上减少人员工作中出现疏失、错漏等问题[2]。

1.2改善安全性

借助自动化技术改造机床电气控制系统，也具有安全性优势，有助于确保控制系统、机床安全稳定作业，即便出现问题、异常，也可以在半无人或全无人状态下完成应急处理，以减少人员检修、管控过程中出现触电、机械损伤等方面的问题。如 例如：针对机床损伤进行的控制，可以由内置工作模块完成，内部智能工作设施实时感知机床各部分的工作情况，根据其中的问题发出警报，并以继电保护方式切断电源、中断机床作业，直到故障排除[3]。与传统工作方式相比，自动化技术提升了机床电气控制系统故障处理效率、安全性。

1.3提升作业精度

以自动化技术为支持机床电气控制系统改造，也能提升机床的工作精度，机床在持续工作的过程中，可能因负荷过大、工作时间过长、系统结构老化等因素出现性能方面的异常，表现为参数波动、加工质量下降，影响作业质量[4]。在自动化技术的支持下，可以设定自适应作业程序，机床持续作业的过程中，以固定时间为间隔，主动进行一次参数校对和调整，使其能够始终按照既定程序完成生产作业，保持工作质量。

2基于自动化技术的机床电气控制系统改造设计

2.1设计思路

基于自动化技术的机床电气控制系统改造，设计思路上关注明确各功能模块功能，以PLC逻辑控制技术提供控制方面的支持。在非必要情况下，对系统的拓扑结构进行简化，减少复杂设计。按此思路，该系统的工作流程简图如图1所示。

2.2设计实现方法

2.2.1通信系统

按照2.1所示的设计模式，需要对机床电气控制系统的通信能力进行分析和改进，其重点在于提升通信稳定性，并改善外部干预的有效性。从特点上看，机床作业过程中产生的电磁干扰较强，因此其电气控制系统应以有线形式组织信息交互，与此同时，基于远程控制、现场操作便捷化需求，还应以无线通信的形式提供辅助。有线通信设计主要应用于机床电气控制系统内各工作单元的关联，包括传感器、智能分析模块、报警器、断路器以及其他终端执行单元。无线通信设计主要应用于机床电气控制系统外各工作单元的关联，包括现场超短距射频识别、人员现场操控、必要的远程遥控等。

为保证有线通信质量，实际工作中一律以具有较强绝缘能力的线路提供通信支持，且定期进行更换，在线路老化前以新线路替代旧线路。

2.2.2感知系统

感知系统的设计，强调敏感性和全面性。要求以接触式传感器为中心设备，在机床电气控制系统需要控制的各区域配置传感器，以提升其覆盖效应，保证感知系统的敏感性和全面性。以普通工业机床为例，需要机床电气控制系统进行控制的模块包括作业参数、作业安全性、负荷等级、外部指令4个部分，传感器分别面向作业参数、作业安全性、负荷等级、外部指令4个区域组织信息采集，根据采集物特点确定传感器的配置形式，如面向“负荷等级”组织信息采集时，以其供料系统指令为基准，面向“作业参数”组织信息采集时，以机床动力系统为采集对象，采集所获的信息，以固定间隔提供给机床电气控制系统，时间间隔不宜超过10 s，以保证实时分析效果。机床电气控制系统以智能分析的方式完成感知信息处理，并接受远程控制的必要干预，包括程序设定和感知时间调整、感知元器件更换等[5]。

2.2.3决策系统

自动化技术下，机床电气控制系统的功能设计作用突出，需要从两个层面出发加以实现，一是通过降维训练的方式，使系统具有较强的信息记忆能力，并建立分析数据库；二是通过智能决策法，确保系统能够敏锐完成实时信息的智能分析，提升决策科学性。

降维训练方面，需要根据机床电气控制系统的功能定位选取训练维度。如上文所述的“作业安全性”，可通过机床工作温度、机床工作噪声水平、机床工作震动参数加以确定，上述3个指标即可作为降维训练的3个关键维度，其他维度信息也可以呈现机床“作业安全”情况，但呈现效果不佳，可不作为“辨识维度”。具体工作中，要求借助大数据方法对机床常规工作模式下的各类参数进行统一收集、统一挖掘，将经过处理后的结果，集中代入机床电气控制系统组织训练，仅要求机床电气控制系统对机床工作温度、机床工作噪声水平、机床工作震动参数进行分析，确定安全标准下其具体取值范围，以及取值的上下限，形成至少包括6个参数的将为分析数据集：

[温度min；温度max；震动min；震动max；噪声min；噪声max]（数据集1）

上述数据在不同机床中可能存在区别，主要受到该机床的型号、额定参数等因素影响。进入工作状态后，机床的工作温度、噪声水平、震动参数一般不会超过数据集1范围，如果机床因短路、机械故障等因素出现安全问题，其工作温度、噪声水平、震动参数中的至少1个、至多3个会出现异常，并超过数据集1中的允许值。可以采用随机森林法进行智能分析，机床电气控制系统内部建设随机森林，由森林中的决策树，对机床工作的工作温度、噪声水平、震动参数进行分析，如果半数以上的决策树认为，当前机床工作温度、噪声水平、震动参数中某一个或几个参数超过数据集1范畴，可根据其异常情况发出警报、组织断电作业；反之，如果半数以上的决策树认为，当前机床工作温度、噪声水平、震动参数中所有参数均不超过数据集1范畴，可认定机床工作无异常，继续组织信息采集、分析等工作。

2.3模拟分析

2.3.1模拟对象

以某装备制造企业（文内成DX公司）的机床为例，组织模拟实验以分析自动化技术下，机床电气控制系统改造设计的成效。以DX公司提供的数据资料为依据，建设虚拟模型，采用参数代入法、加速模拟的方式，判断应用自动化技术后机床电气控制系统性能。代入上文所述通信系统、感知系统、决策系统设计内容以及对应参数进行实验，共分为3组：第一组为安全试验，默认机床工作状态下出现安全问题，其他无异常，共做100次模拟，判断其是否能够敏锐感知、做应急处理，记录处理时间。第二组为参数组，默认机床工作状态下出现参数调整需求，其他无异常，共做100次模拟，判断其是否能够敏锐感知、处理，记录处理时间。第三组为综合组，默认机床工作状态下出现参数调整、安全处理需求，其他方面无异常，共做100次模拟，判断其是否能够敏锐感知和处理，记录处理时间。

2.3.2模拟结果

另以DX公司常规工作信息为参考，组织对比，所获结果如表1所示。

因企业提供的为处理工作资料，故其所有机床问题均得到感知和处理，但处理时间较长，平均为15.6 min。借助自动化技术对机床电气控制系统进行改造，其能够较有效的感知各类异常、故障，基本优势在于处理时间较短，均不超过4 s。这表明，机床电气控制系统改造设计效果较好，能够提升机床电气控制系统工作效率，但在精度上仍有改善空间。

3结语

综上所述，以自动化技术为基础，机床电气控制系统改造的设计可以提升作业质量、效率和安全性，是未来机床发展、制造的主流趋势之一。从设计层面出发，要求明确机床电气控制系统的功能定位，提升其逻辑清晰化水平，加强通信系统、感知系统、决策系统以及辅助系统的功能分析，以科学方式保证其可实现性。结合模拟分析结果可知上述设计具有一定优势。对未来自动化技术下机床电气控制系统改造工作进行分析，可知其仍有进一步提升精度、功能水平的空间和必要，仍需继续加强分析和研究。

参考文献

[1]何士林.PLC技术在数控机床电气控制中的应用研究[J].南方农机，2023，54 （24）：131-134.

[2]李佳旺.连杆切槽机床控制系统及自调整脉冲电源研究[D].广州：广东工业大学， 2022.

[3]肖玥.有关PLC技术运用于机床电气控制系统改造思考探讨[J].长江技术经济，2020，4（S1）：52-53.

[4]宋涛.电火花机床控制系统及叶片边缘修整实验研究[D].大连：大连理工大学， 2021.

[5]何达庭.PLC在机床电气控制系统改造中的应用[J].信息记录材料，2021，22 （10）：162-163.