隨著控制理論與自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的使用率也在逐年增加，，因其技術(shù)的復(fù)雜性、多樣性和多變性等技術(shù)特點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)在使用中難免出現(xiàn)多種問(wèn)題，本文就數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)技巧進(jìn)行了分析。

1 數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

　　(1)高可靠性。數(shù)控機(jī)床是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備，本身要具有高可靠性。因此，在電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和部件的選用上，普遍應(yīng)用了可靠性技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)及冗余技術(shù)。所有部件選用的是最成熟的、且符合有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并取得授權(quán)認(rèn)證的新型產(chǎn)品。電氣系統(tǒng)要在保證可靠性基礎(chǔ)上。還具有先進(jìn)性，如新型組合功能電器元件的使用、新型電子電器及電力電子功率器件的使用等等。

　　(2)穩(wěn)定性。要在電氣系統(tǒng)中采取一系列技術(shù)措施，使其適應(yīng)較寬的環(huán)境條件，如要能適應(yīng)交流供電系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的噪聲干擾有一定的抑制作用，同時(shí)還符合電磁兼容的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，系統(tǒng)內(nèi)部既不相互干擾，還能抵抗外部干擾，也不向外部輻射破壞性干擾。

　　(3)安全性。電氣系統(tǒng)的連鎖要有效；電器裝置的絕緣要保證完好，防護(hù)要齊全，接地要牢靠，以使操作人員的安全有保證；電器部件的防護(hù)外殼要具有防塵、防水、防油污的功能；經(jīng)常移動(dòng)的電纜，要有護(hù)套或拖鏈防護(hù)，防止纜線磨斷或短路而造成系統(tǒng)故障；要有抑制內(nèi)部器件異常溫升的措施，特別是在夏季，要有強(qiáng)迫風(fēng)冷或致冷器冷卻；有防觸電、防碰傷設(shè)施。

易損部件要便于更換或替換，保護(hù)元、器件的保護(hù)動(dòng)作要靈敏，但也不能誤動(dòng)作；故障排除后，功能要能恢復(fù)。

　　(4)要具有良好的控制特性。所有被控制的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)要平穩(wěn)，快速響應(yīng)，特性硬，無(wú)沖擊，無(wú)震動(dòng)，無(wú)異常噪聲，無(wú)異常溫升。電氣系統(tǒng)要用指示燈做操作顯示，電器元件要有狀態(tài)指示、故障指示，有明顯的安全操作標(biāo)識(shí)。電氣系統(tǒng)要體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，如操作部位與人體平均高度、距離相適應(yīng)，體現(xiàn)操作方便舒適及便于觀察的特點(diǎn)，尤其要隨時(shí)摸得到急停按鈕，保證緊急情況下的快速操作；機(jī)床電器顏色不僅符合標(biāo)準(zhǔn)：還要美觀、明顯。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及組成

　　控制系統(tǒng)由PC機(jī)(工控機(jī))、SIMOTIONO、電源模塊、電機(jī)模塊、電機(jī)、光柵尺、SMC30(傳感器模塊)、分布式I/O ET200M(包括數(shù)字量模塊和模擬量模塊)、機(jī)械手、主軸變頻器、高速主軸以及多個(gè)傳感器以及限位開關(guān)組成。

　　數(shù)控機(jī)床的種類很多，不同數(shù)控機(jī)床的功能，要求也不一樣，設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)用戶的要求，不斷地改變?cè)O(shè)計(jì)電路和動(dòng)作順序控制程序。這樣在一定程度上，增加了設(shè)計(jì)人員的工作量，同時(shí)也增加了機(jī)床的故障發(fā)生率，降低了機(jī)床的可靠性。

　　隨著機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程的不斷完善和規(guī)范化，模塊化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。數(shù)控系統(tǒng)中可保持?jǐn)?shù)據(jù)為模塊化設(shè)計(jì)提供了可能，下面針對(duì)FANUC 0i系統(tǒng)，利用可保持?jǐn)?shù)據(jù)K繼電器來(lái)完成功能模塊選擇的實(shí)例程序框圖。

　　設(shè)計(jì)人員把各種機(jī)床的常用功能總結(jié)以后，就可以編制成一個(gè)功能模塊集合形式的標(biāo)準(zhǔn)程序。以后在機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，只要進(jìn)行模塊組合即可，設(shè)計(jì)人員只要改變相應(yīng)的K數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行不同模塊的組合，就能設(shè)計(jì)出具有不同功能的各種數(shù)控機(jī)床。這樣減少了重復(fù)設(shè)計(jì)、調(diào)試的工作，同時(shí)也方便了機(jī)床的統(tǒng)一管理和維修。

　　2.1 上位機(jī)

　　上位機(jī)是一臺(tái)PC機(jī)(工控機(jī))主要負(fù)責(zé)從加工文件中讀取需要鉆孔的孔位和孔徑信息，以及為用戶提供友好的界面設(shè)定加工參數(shù)，最后通過(guò)TCP/IP協(xié)議，把這些數(shù)據(jù)傳到運(yùn)動(dòng)控制器。

2.2機(jī)械部分

　　設(shè)計(jì)與分析將根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)原理提出數(shù)種機(jī)械設(shè)計(jì)方案，并對(duì)這些方案進(jìn)行比較選擇，闡明設(shè)計(jì)方案選擇的理由，以及所采用方案的特點(diǎn)；同時(shí)，就設(shè)計(jì)過(guò)程闡述本人對(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)的一些表述。本設(shè)計(jì)是一個(gè)主要用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的數(shù)控銑床系統(tǒng)，是要對(duì)零件進(jìn)行銑削加工的。我們要論證教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的數(shù)控銑床系統(tǒng)的總體方案，就需要對(duì)該系統(tǒng)有一個(gè)整體的了解。要進(jìn)行總體方案論證，先要熟悉設(shè)計(jì)參數(shù)，我們才能以此為依據(jù)進(jìn)行取舍。下面就是筆者這次設(shè)計(jì)的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)用的數(shù)控銑床系統(tǒng)，其工作參數(shù)如下：

　　2.3電源模塊

　　一般變頻器的工作方式，為先把一定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟姡儆赡孀兤靼阎绷麟娮優(yōu)橹付l率的交流電。SIMOTIONO運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用通過(guò)電源模塊把工業(yè)交流電變?yōu)橹绷麟姡俜峙浣o多個(gè)電機(jī)模塊的方式。電源模塊分為可調(diào)電源模塊和不可調(diào)電源模塊。可調(diào)電源模塊，可以根據(jù)參數(shù)把它轉(zhuǎn)化出來(lái)的直流電穩(wěn)定到一個(gè)指定的可變值，并且具有與SIMOTIONO通信的功能；不可調(diào)電源模塊，只能輸出一個(gè)固定的直流電壓，而且不能同SIMOTIONO通信。

　　系統(tǒng)斷電后信號(hào)狀態(tài)的保存。數(shù)控機(jī)床斷電后，機(jī)床的狀態(tài)信號(hào)是不保存的，即在斷電時(shí)，狀態(tài)信號(hào)復(fù)位歸零。機(jī)床通電后，數(shù)控系統(tǒng)重新檢測(cè)各個(gè)狀態(tài)信號(hào)。在一般情況下，狀態(tài)信號(hào)通過(guò)外部輸入狀態(tài)確定，只要輸入狀態(tài)在斷電前后沒有變化，通電后信號(hào)自行恢復(fù)。但在特殊情況下，狀態(tài)信號(hào)是由機(jī)床斷電時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定的，重新通電后系統(tǒng)無(wú)法恢復(fù)這種狀態(tài)信息，在這種情況下，狀態(tài)的保存就顯得尤其重要。下面針對(duì)FANUC 0i系統(tǒng)，利用可保持?jǐn)?shù)據(jù)(K數(shù)據(jù))來(lái)完成數(shù)控車床尾架單限位開關(guān)限位狀態(tài)保存的機(jī)床電氣設(shè)計(jì)PLC編制程序。

3 電氣控制系統(tǒng)方案

　　3.1 PLC與PC機(jī)相聯(lián)系的控制系統(tǒng)

　　要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床的有效控制，這樣的電氣控制系統(tǒng)有多種方案可以選擇。其中最主要的，是采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)。采用了集成DSP芯片的控制板與PC機(jī)相聯(lián)系的控制系統(tǒng)，采用PLC與PC機(jī)相聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

　　各控制系統(tǒng)方案的特點(diǎn)與比較：采用單片機(jī)的控制系統(tǒng)，所謂單片機(jī)即是一塊集成了CPU、RAMLROM(EPROM或EEPROM)、定時(shí)，計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘、多種功能的串行和并行YO口的芯片。如Intel公司的8031系列等。除了以上基本功能外，有的單片機(jī)還集成有A/D/D/A，如Intel公司的8098系列。

　　3.2單片機(jī)具有的特點(diǎn)

　　概括起來(lái)說(shuō)，單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：

　　(1)可靠性好。芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，其抗工業(yè)噪聲干擾優(yōu)于一般通用CPU；程序指令，常數(shù)，表格固化在ROM中不易破壞；許多信號(hào)通道都在一個(gè)芯片內(nèi)部，故可靠性高。

　　(2)易于擴(kuò)展。片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必須的部件，芯片外部有許多供擴(kuò)展用的三總線及并行、串行I/O管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

　　(3)控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中，均有豐富的條件分支、I/O口的邏輯操作以及位處理指令。一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度，均高于同一檔次的微處理器。

　　(4)單片機(jī)一般采用了面向控制的指令。

　　(5)價(jià)格低廉。如低檔單片機(jī)價(jià)格只有幾元錢。開發(fā)環(huán)境完備，開發(fā)工具齊全，應(yīng)用資料眾多。后備人才充足。并且國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校都開設(shè)了單片機(jī)課程和單片機(jī)實(shí)驗(yàn)。

　　3.3 采用可編程邏輯控制器

　　采用PC與PLC相聯(lián)系的控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器。PLC(Programmable Logic Controller)是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為了工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，主要用于代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出第一臺(tái)PLC，在美國(guó)通用汽車自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功。這種控制裝置將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，具有高可靠性，靈活通用，易于編程，使用方便等特點(diǎn)，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，它的功能早已大大超出了邏輯控制的范圍，因此近年來(lái)在工業(yè)自動(dòng)控制，機(jī)電一體化，改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面得到廣泛地應(yīng)用。

　　雖然各種PLC的組成各不相同，但是在結(jié)構(gòu)上是基本相同的，一般由CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備(I/0)和其他的可選部件組成。CPU是PLC的核心，用于輸入各種指令，完成預(yù)定的任務(wù)。自整定、預(yù)測(cè)控制和模糊控制等先進(jìn)的控制算法，也已經(jīng)在CPU中得到了應(yīng)用。存儲(chǔ)器包括隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM，通常將程序以及所有的固定參數(shù)固化在ROM中，RAM則為程序運(yùn)行提供了存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與計(jì)算中間變量的空間；輸入輸出系統(tǒng)I/O，使過(guò)程狀態(tài)和參數(shù)輸入到PLC的通道，以及實(shí)時(shí)控制信號(hào)輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、脈沖量輸入等，使

　　PLC的應(yīng)用十分廣泛。在本控制系統(tǒng)中，PLC模塊除了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)床各軸的順序運(yùn)動(dòng)控制功能，還能實(shí)現(xiàn)X、Y軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制功能。所以選擇PC與PLC相聯(lián)系的控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　數(shù)控機(jī)床的復(fù)雜性、多樣性和多變形，使得其在應(yīng)用中難免會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，本文在對(duì)數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì)技巧分析基礎(chǔ)上，提出了幾點(diǎn)建議。但在今后的應(yīng)用中肯定還會(huì)遇到很多問(wèn)題，需要我們來(lái)共同探討，共同解決。