數控機床電氣控制電路設計及探索

數控機床是數字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。
數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發展方向，是一種典型的機電一體化產品。
一、數控機床的主要特點：
數控機床的操作和監控全部在這個數控單元中完成，它是數控機床的大腦。與普通機床相比，數控機床有如下特點：
1.對加工對象的適應性強，適應模具等產品單件生產的特點，為模具的制造提供了合適的加工方法；
2.加工精度高，具有穩定的加工質量；
3.可進行多坐標的聯動，能加工形狀復雜的零件；
4.加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節省生產準備時間；
5.機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產率高（一般為普通機床的3~5倍）；
6.機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；
7.有利于生產管理的現代化。數控機床使用數字信息與標準代碼處理、傳遞信息，使用了計算機控制方法，為計算機輔助設計、制造及管理一體化奠定了基礎；
8.對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高；
9.可靠性高。
二、數控機床的組成及各部分功能：
數控機床的主要組成部分包括五點，即輸入輸出系統、伺服系統、機床本體、測量反饋系統以及數控裝置系統。不同的模塊發揮不同的作用，各模塊之間相對聯系又相互獨立，對發揮數控自動化具有重要作用。
輸入輸出系統的主要作用是對于數控機床的基礎程序進行編輯，實現程序代碼以及數據信息的輸入和輸出，還能夠實現數據的存儲、顯示及打印等功能。
伺服系統主要是負責驅動，該部分包括伺服電機以及電路，系統會根據數控裝置下達的操作指令，進行機床的驅動操作執行。
機床本體的作用作為數控裝置的載體，為相應的加工工件提供場所，能實現產品在其中進行有效的加工處理。
測量反饋系統主要負責機床的速度以及位移情況的檢測工作，并將監測到的相關信息傳達給數控裝置系統，便于數控裝置系統按照收到的反饋信息，對機床運動操作進行適當的調整。
數控裝置系統的主要作用是對輸出輸入的信息進行接收，并根據相關程序要求進行相應的計算和分析。
三、數控機床電氣控制電路設計原則：
1.保證機床穩定可靠運行
通常情況下，數控機床的穩定和可靠性在一定程度上受到電氣控制電路的穩定和可靠性影響，而在一般的數控機床運行空間中，相關的工作環境并不好，會導致數控機床控制系統在運行中出現故障問題，影響生產制造工作的有效開展。在一些工業制造廠房中，因為廠房中的設備以及電路設計比較復雜，因此工作環境中的電磁干擾較多，且存在很多的粉塵，數控機床在這樣的環境下工作，必須要保證自身的抗干擾能力達到要求，為機床設備自動化提供有效的控制電路。
2.實現電氣控制電路的最優化設計
數控機床中，機電一體化技術應用比較突出。在伺服系統以及主軸進給和一些機械元件中，電氣控制系統是維持系統運行的關鍵要素。電氣控制電路的工作能力也直接影響著機床加工產品的質量和工藝水平。在進行電氣控制電路的設計中，要切實加強對于機械元件以及相關環節的有效控制，保證電氣控制電路和相關元件配合的有效性。在具體的設計過程中，需要對數控機床控制實現中的相關要求進行相應的分析，保證設計的最優化。
3.安全性
在數控機床控制電路的設計中，電路的安全性和使用電路的設備安全性是至關重要的，必須要保證電路設計符合相關標準，在具體設計中，要嚴格根據相關要求進行管理，及時發現故障和安全警示信號。還要保證電路的設計要便于操作和切換。
四、數控機床的設計中的關鍵部分：
1.電源線路設計
在數控機床的控制系統中，相關硬件電路控制中的電源線路設計至關重要。在設計時，需要將電源功率的大小、電流和電壓是否穩定等因素考慮在內，因為這些變量對于控制計算機的使用影響較大。在數控機床電氣控制電路的設計中，電源線路最為關鍵，其質量直接影響著數控機床在操作使用中的穩定性和連續性。在機床的控制系統中，變頻器將系統中導入的交流電轉化成直流電，這樣才能保證滿足系統對于電流的需求。在進行電源線路的設計中，需要對于突發環節進行思考。例如，設計中對于開關過程中的信號問題進行解決，保證斷電后信號及時清零，而電源接通后，主動恢復信號，提升系統運行的有效性。
2.刀具交換裝置傳動電路設計
針對刀具交換裝置傳動電路的設計十分關鍵，在具體的設計中，要確保用電動機驅動凸輪機構來實現刀具的運行。還可以以接近開關實現技術結合凸輪機械手來獲取準確定位，確保系統電路之間不會相互干擾。在換刀設計上，也要具體問題具體分析，一般小直徑刀具的更換比較簡單，可以根據需要來設定更換方式，而大直徑的刀具更換較難，因此可以設計固定套刀結構。
3.PLC系統的設計
PLC系統以計算機為核心技術，發揮對于電氣系統中的繼電器進行邏輯編輯控制。該程序在進行數控機床信息處理的過程中，速度很快，處理效率較高，這些用于一些常規的數據信息處理是可行的，而在一些信息處理中，對于速度要求更為嚴格，需要進一步提升系統的反應速度，因此可以通過PLC系統設計來實現。
五、教學設備的推薦與介紹：

MYK-04B 數控機床四合一電氣控制實訓系統

本系統可以使學生掌握數控機床系統控制原理、電氣設計方法、元器件的選擇、機床電氣安裝及調試、故障診斷維修、零件程序編制及圖形模擬加工過程等多項實驗內容，達到工業生產現場實習效果。該設備采用開放式結構、模塊化設計，既可用于教學、也可用于課程設計、畢業設計和實訓，有利于提高學生設計數控機床電氣控制系統、診斷數控設備故障的能力，使受訓對象最大限度地適應和滿足市場需求。
一、數控機床電氣控制電路實驗裝置,數控機床電氣控制電路實驗臺,數控機床電氣控制電路實驗設備產品組成部分：
本系統系統由數控控制臺和三坐標演示平臺等部件組成實訓考核教學設備。系統采用西門子802C數控系統，數控機床的X、Y、Z軸由伺服電機控制，主軸電機由變頻器控制，并帶有光電編碼器，冷卻泵電機，三坐標演示平臺X、Y、Z軸拖板采用滾珠絲桿進行傳動，實驗臺上還配有模擬六工位刀架模塊，學生可以學習到802C伺服電機的控制、變頻器控制、四工位電動刀架、霍爾元件、接近開關的原理和PLC指令、編程、接線及在數控機床中的應用、數控車床編程、銑削加工機床編程、車削加工中心C軸編程、維修等。
二、數控機床電氣控制電路實驗裝置,數控機床電氣控制電路實驗臺,數控機床電氣控制電路實驗設備配置：
1.由控制屏和實訓桌及演示平臺桌組成。控制臺為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，鋁質面板；實訓桌為鐵質雙層亞光密紋噴塑結構，桌面為防火、防水、耐磨高密度板。演示平臺桌為密度板制作。
2.三相380V交流電源供電，漏電保護器控制總電源，控制屏的供電由鑰匙開關和啟停開關控制。電壓表監控電網電壓，電流表監控設備工作總電流，并設有指示燈指示和保險絲保護。
3.數控系統單元：“SINUMERIK 802C base line”數控系統，可控制3個模擬量控制進給軸和1個模擬主軸及C軸。
4.驅動模塊：X/Y/Z/C進給軸采用交流伺服電機和驅動器構成半閉環系統。
5.三相交流伺服電機直接安裝在三坐標演示平臺上，與滾珠絲桿通過聯軸器聯接，便于觀察電機運動。演示效果逼真與實際機床無異。
6.主軸模塊：主軸電機采用變頻器控制，并設計有主軸編碼器與它通過同步帶進行連接，用于速度反饋。
7.刀架控制模塊：展現車床四工位電動刀架和六工位模擬加工中心刀庫（車削中心刀庫）的電控原理。
三、數控機床電氣控制電路實驗裝置,數控機床電氣控制電路實驗臺,數控機床電氣控制電路實驗設備總體布局方案：
1.本控制柜整體外殼為鐵質鈑金噴塑結構，堅固耐用。輸入三相四線制380V交流電源。
2.柜體下面部分設計有兩扇活動門，打開門里面空間寬敞，可安放儀器或其它物品；
3.柜體中間部分，左邊裝有總電源開關帶漏電保護功能，總電源指示，柜體內部風機開關等；右邊安裝有一扇外翻的故障門，有專用鑰匙鎖上，設計比較隱蔽。打開故障門里面有28個考核開關，具備28項單項故障設計。
4.柜體上面部分是控制臺的主控制區域，它分8個主控制單元：
⑴ 數控系統控制單元：本單元是整個控制臺的大腦，本控制臺采用西門子802C系統；通過電腦平臺進行更換控制軟件，實現車床軟件、銑床軟件、銑削中心軟件、車削中心軟件等不同界面的操作。
⑵ 全數字伺服驅動控制單元：它分X、Y、Z三個軸控制子單元。每個單元分別剖析了伺服驅動器的內部結構原理圖、控制方式和接線方法等。本單元把各連接端子引到面板上，通過連接線的連接并可控制電機運行，方便學員進行操作連接。
⑶ 三相變頻控制單元：剖析變頻控制原理，控制方式和接線方法等。本單元把各連接端子引到面板上，通過連接線的連接并可控制電機運行，實現無級調速，方便學員進行操作連接。
⑷ 數控機床控制線路全局圖：把數控機床的強電控制部分、繼電器控制部分、數控系統的輸入/輸出部分全部展示出來，作為一個示范，以便學員能更加方便操作維修機床。
⑸ 數控系統輸入/輸出控制單元：全面剖析了數控系統控制機床的原理與特點，內容包括伺服模擬信號輸入/輸出；主軸變頻信號模擬量輸出控制；冷卻控制、機床零點信號控制、機床限位信號控制等。
⑹ 強電元器件安裝區：把所有強電元器件統一安裝在此處，如：交流接觸器、直流繼電器、保險管、三相滅弧器等。
⑺ 強電輸出單元：把強電部分通過端子座引出，通過延長連接線對各單元進行連接。
⑻ 開關控制和電壓電流指示單元：通過電壓表和電流表來檢測電源工作情況；用開關來控制及保護電路。
四、數控機床電氣控制電路實驗裝置,數控機床電氣控制電路實驗臺,數控機床電氣控制電路實驗設備產品特點：
1.具有數控車床、車削中心、數控銑床、加工中心等數控機床安裝調試、參數設置、PLC編程、故障診斷與維修、數控編程操作等功能。不同機床的切換通過裝載西門子提供的軟件或進行PLC編程實現
2.該裝置采用開放式結構：將802C系統的控制邏輯輸入/輸出接口進行全面分解展示，并用端子形式引出，再用接線端子可引接到各個模塊板上進行控制。方便學員進行判斷、測量。
3.模塊化設計，既可用于教學、也可用于課程設計、畢業設計和實訓，有利于提高學生設計數控機床電氣控制系統、診斷數控設備故障的能力，使受訓對象最大限度地適應和滿足市場需求。
4.設計有專門的故障設置區和排故操作單元。該故障系統提供全開放的端子接口，教師在故障設置區通過開關設置故障；學生通過對故障的在線分析判斷、測量進行排故操作。
五、數控機床電氣控制電路實驗裝置,數控機床電氣控制電路實驗臺,數控機床電氣控制電路實驗設備產品特色：
1.實驗臺展示通用機床控制線路全局圖，學員可以把此圖作為設計電路的示范圖，以便更加深入了解數控車床的控制方法。.
2.西門子802C數控系統：本實驗臺把802C數控系統的控制接口擴展到實驗臺的面板上，再用接線端子可引接到各個模塊板上進行控制。
3.三相變頻控制單元：通過接插線連接到數控系統上進行變頻控制，增加學員的動手能力，增加對控制過程中的故障問題有更多的了解和分析。
4.全數字伺服驅動控制單元：通過接插線連接到數控系統上進行伺服驅動控制，增加學員的動手能力，讓學員對伺服控制器有個全面的了解和分析能力。
5.四工位電動刀架控制單元：通過接插線連接到數控系統上進行換刀控制，增加學員的動手能力，讓學員對自動刀架的控制過程和原理有更全面的了解。
6.手脈單元：通過接插線連接到數控系統上進行手動控制機床座標運動

六、數控機床電氣控制電路實驗裝置,數控機床電氣控制電路實驗臺,數控機床電氣控制電路實驗設備實訓的功能：

1、本系統對電氣設備維修提供的實訓項目有：

1)數控系統的基本操作
2)低壓電氣元件的原理與接線
3)主軸變頻單元的調試運行與故障診斷實驗
4)全數字交流伺服電機運行與故障診斷實驗
5)數控機床電氣控制設計與分析實驗
6)電動刀架控制原理實驗及接線與故障診斷實驗
7)數控車床系統控制機床螺紋加工實驗
8)數控機床的冷卻與照明及故障診斷實驗
9)數控機床電子手輪實驗
10)加工中心刀具庫的應用
11)變頻器U，V端，外部開路；
12)驅動電源，外部開路；
13)主軸電機電源（380V），外部開路；
14)刀架鎖緊電源，外部開路；
15)24V信號電源，外部開路；
16)驅動電源，外部開路；
17)工作燈電源（24V），外部開路；
18)手輪A＋信號，外部開路；
19)手輪0V信號電源，外部開路；
20)主軸正轉信號（24V）電源，外部開路；
21)冷卻信號（24V）電源，外部開路；
22)刀架鎖緊信號電源，外部開路；
23)X正限信號，外部開路；
24)Z零點信號，外部開路；
25)Z負限位信號，外部開路；
26)0V電源，外部開路；
27)主軸正轉M03信號，外部開路；
28)主軸公共地信號，外部開路；
29)主軸模擬量，外部開路；
30)T1號刀具信號，外部開路；
31)T3號刀具信號，外部開路；
32)冷卻電源，外部開路；
33)刀架反轉信號，外部開路；
34)變壓器電源，外部開路；
35)主軸編碼器A+信號，外部開路；
36)驅動器24V電源，外部開路；
37)主軸編碼器0V電源，外部開路；
38)主軸模擬量輸入/輸出(參數30130號)，內部開路；
39)主軸編碼器脈沖(參數31020)，內部開路；
40)減速開關生效(參數34000)，內部開路；
41)減速開關方向生效(參數34010)，內部開路；
42)減速開關速度生效(參數34040)，內部開路；
43)參考點定位速度生效(參數34070)，內部開路；
44)軸負軟限位設定生效(參數36100)，內部開路；
45)軸正軟限位設定生效(參數36110)，內部開路；
46)反向間隙補償生效(參數32450)，內部開路；
47)機床絲桿螺距設計生效(參數31030)，內部開路；
48)伺服電機編碼器脈沖設計生效(參數31020)，內部開路；
49)伺服電機最大速度設計生效(參數32000)；內部開路；
50)系統點動速度快速生效(參數32010)，內部開路；
51)系統點動速度生效(參數32020)，內部開路；
52)系統控制類型設計生效(參數14510-16)，內部開路；
53)系統驅動控制類型設計生效(參數14510-17)，內部開路；
54)系統控制刀位數設計生效(參數14510-20)，內部開路；
55)系統控制換刀監控時間設計生效(參數14510-21)，內部開路；
56)系統控制刀架卡緊時間設計生效(參數14510-22)，內部開路；
57)系統控制刀架是否有效(參數14512-11-7)，內部開路；
58)系統主軸是否有效(參數14512-11-6)，內部開路；
59)系統冷卻是否有效(參數14512-11-0)，內部開路；
60)系統屏蔽急停有效(參數14512-16-0)，內部開路；
61)系統點動鍵定義X+鍵(參數14510-26)，內部開路；
62)系統點動鍵定義X-鍵(參數14510-27)，內部開路；
63)系統點動鍵定義Y+鍵(參數14510-28)，內部開路；
64)系統點動鍵定義Y-鍵(參數14510-29)，內部開路；
65)系統點動鍵定義Z+鍵(參數14510-30)，內部開路；
66)系統點動鍵定義Z-鍵(參數14510-31)，內部開路；
2、本系統對零件加工提供的實訓項目有：
1) 車削零件外圓程序的編寫；
2) 車削多臺階外圓程序的編寫；
3) 車削圓弧程序的編寫
4) 車削斜面程序的編寫
5) 車削螺紋程序的編寫；
6) 循環指令編程實訓；
7) 數控系統與計算機通訊實訓；
8) 銑削零件平面程序的編寫；
9) 銑削多臺階平面程序的編寫；
10) 銑削圓弧程序的編寫
11) 銑削斜面程序的編寫
12) 銑削鍵槽程序的編寫；
13) 齒輪加工程序的編寫；
14) 加工鍵槽的實訓；
15) 車削C軸編程功能
16) 數控系統與計算機通訊實訓；
17) 數控系統與計算機DNC加工實訓；
18) 文字雕刻自動編程實訓(配合計算機和軟件)；
19) CAD/CAM三維曲面自動編程實訓(配合計算機和軟件)
七、技術性能：
1.輸入電源：三相四線制380V交流電源，50Hz。
2.漏電保護：漏電動作電流≤30mA；具有接地保護。
3.工作環境：溫度-100-+400C。
4.整機功耗：＜3KW
5.考核柜尺寸：1370×600×1890mm
六、結束語：
數控機床電氣控制電路設計是數控機床有效運行的關鍵，在數控機床的電路設計中，需要重點做好相關系統電路的設計，才能保證系統的有效運行。

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