数控机床电气控制电路设计及探索

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。
一、数控机床的主要特点：
数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：
1.对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法；
2.加工精度高，具有稳定的加工质量；
3.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
4.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
5.机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
6.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
7.有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；
8.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高；
9.可靠性高。
二、数控机床的组成及各部分功能：
数控机床的主要组成部分包括五点，即输入输出系统、伺服系统、机床本体、测量反馈系统以及数控装置系统。不同的模块发挥不同的作用，各模块之间相对联系又相互独立，对发挥数控自动化具有重要作用。
输入输出系统的主要作用是对于数控机床的基础程序进行编辑，实现程序代码以及数据信息的输入和输出，还能够实现数据的存储、显示及打印等功能。
伺服系统主要是负责驱动，该部分包括伺服电机以及电路，系统会根据数控装置下达的操作指令，进行机床的驱动操作执行。
机床本体的作用作为数控装置的载体，为相应的加工工件提供场所，能实现产品在其中进行有效的加工处理。
测量反馈系统主要负责机床的速度以及位移情况的检测工作，并将监测到的相关信息传达给数控装置系统，便于数控装置系统按照收到的反馈信息，对机床运动操作进行适当的调整。
数控装置系统的主要作用是对输出输入的信息进行接收，并根据相关程序要求进行相应的计算和分析。
三、数控机床电气控制电路设计原则：
1.保证机床稳定可靠运行
通常情况下，数控机床的稳定和可靠性在一定程度上受到电气控制电路的稳定和可靠性影响，而在一般的数控机床运行空间中，相关的工作环境并不好，会导致数控机床控制系统在运行中出现故障问题，影响生产制造工作的有效开展。在一些工业制造厂房中，因为厂房中的设备以及电路设计比较复杂，因此工作环境中的电磁干扰较多，且存在很多的粉尘，数控机床在这样的环境下工作，必须要保证自身的抗干扰能力达到要求，为机床设备自动化提供有效的控制电路。
2.实现电气控制电路的最优化设计
数控机床中，机电一体化技术应用比较突出。在伺服系统以及主轴进给和一些机械元件中，电气控制系统是维持系统运行的关键要素。电气控制电路的工作能力也直接影响着机床加工产品的质量和工艺水平。在进行电气控制电路的设计中，要切实加强对于机械元件以及相关环节的有效控制，保证电气控制电路和相关元件配合的有效性。在具体的设计过程中，需要对数控机床控制实现中的相关要求进行相应的分析，保证设计的最优化。
3.安全性
在数控机床控制电路的设计中，电路的安全性和使用电路的设备安全性是至关重要的，必须要保证电路设计符合相关标准，在具体设计中，要严格根据相关要求进行管理，及时发现故障和安全警示信号。还要保证电路的设计要便于操作和切换。
四、数控机床的设计中的关键部分：
1.电源线路设计
在数控机床的控制系统中，相关硬件电路控制中的电源线路设计至关重要。在设计时，需要将电源功率的大小、电流和电压是否稳定等因素考虑在内，因为这些变量对于控制计算机的使用影响较大。在数控机床电气控制电路的设计中，电源线路最为关键，其质量直接影响着数控机床在操作使用中的稳定性和连续性。在机床的控制系统中，变频器将系统中导入的交流电转化成直流电，这样才能保证满足系统对于电流的需求。在进行电源线路的设计中，需要对于突发环节进行思考。例如，设计中对于开关过程中的信号问题进行解决，保证断电后信号及时清零，而电源接通后，主动恢复信号，提升系统运行的有效性。
2.刀具交换装置传动电路设计
针对刀具交换装置传动电路的设计十分关键，在具体的设计中，要确保用电动机驱动凸轮机构来实现刀具的运行。还可以以接近开关实现技术结合凸轮机械手来获取准确定位，确保系统电路之间不会相互干扰。在换刀设计上，也要具体问题具体分析，一般小直径刀具的更换比较简单，可以根据需要来设定更换方式，而大直径的刀具更换较难，因此可以设计固定套刀结构。
3.PLC系统的设计
PLC系统以计算机为核心技术，发挥对于电气系统中的继电器进行逻辑编辑控制。该程序在进行数控机床信息处理的过程中，速度很快，处理效率较高，这些用于一些常规的数据信息处理是可行的，而在一些信息处理中，对于速度要求更为严格，需要进一步提升系统的反应速度，因此可以通过PLC系统设计来实现。
五、教学设备的推荐与介绍：

MYK-04B 数控机床四合一电气控制实训系统

本系统可以使学生掌握数控机床系统控制原理、电气设计方法、元器件的选择、机床电气安装及调试、故障诊断维修、零件程序编制及图形模拟加工过程等多项实验内容，达到工业生产现场实习效果。该设备采用开放式结构、模块化设计，既可用于教学、也可用于课程设计、毕业设计和实训，有利于提高学生设计数控机床电气控制系统、诊断数控设备故障的能力，使受训对象最大限度地适应和满足市场需求。
一、数控机床电气控制电路实验装置,数控机床电气控制电路实验台,数控机床电气控制电路实验设备产品组成部分：
本系统系统由数控控制台和三坐标演示平台等部件组成实训考核教学设备。系统采用西门子802C数控系统，数控机床的X、Y、Z轴由伺服电机控制，主轴电机由变频器控制，并带有光电编码器，冷却泵电机，三坐标演示平台X、Y、Z轴拖板采用滚珠丝杆进行传动，实验台上还配有模拟六工位刀架模块，学生可以学习到802C伺服电机的控制、变频器控制、四工位电动刀架、霍尔元件、接近开关的原理和PLC指令、编程、接线及在数控机床中的应用、数控车床编程、铣削加工机床编程、车削加工中心C轴编程、维修等。
二、数控机床电气控制电路实验装置,数控机床电气控制电路实验台,数控机床电气控制电路实验设备配置：
1.由控制屏和实训桌及演示平台桌组成。控制台为铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板；实训桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板。演示平台桌为密度板制作。
2.三相380V交流电源供电，漏电保护器控制总电源，控制屏的供电由钥匙开关和启停开关控制。电压表监控电网电压，电流表监控设备工作总电流，并设有指示灯指示和保险丝保护。
3.数控系统单元：“SINUMERIK 802C base line”数控系统，可控制3个模拟量控制进给轴和1个模拟主轴及C轴。
4.驱动模块：X/Y/Z/C进给轴采用交流伺服电机和驱动器构成半闭环系统。
5.三相交流伺服电机直接安装在三坐标演示平台上，与滚珠丝杆通过联轴器联接，便于观察电机运动。演示效果逼真与实际机床无异。
6.主轴模块：主轴电机采用变频器控制，并设计有主轴编码器与它通过同步带进行连接，用于速度反馈。
7.刀架控制模块：展现车床四工位电动刀架和六工位模拟加工中心刀库（车削中心刀库）的电控原理。
三、数控机床电气控制电路实验装置,数控机床电气控制电路实验台,数控机床电气控制电路实验设备总体布局方案：
1.本控制柜整体外壳为铁质钣金喷塑结构，坚固耐用。输入三相四线制380V交流电源。
2.柜体下面部分设计有两扇活动门，打开门里面空间宽敞，可安放仪器或其它物品；
3.柜体中间部分，左边装有总电源开关带漏电保护功能，总电源指示，柜体内部风机开关等；右边安装有一扇外翻的故障门，有专用钥匙锁上，设计比较隐蔽。打开故障门里面有28个考核开关，具备28项单项故障设计。
4.柜体上面部分是控制台的主控制区域，它分8个主控制单元：
⑴ 数控系统控制单元：本单元是整个控制台的大脑，本控制台采用西门子802C系统；通过电脑平台进行更换控制软件，实现车床软件、铣床软件、铣削中心软件、车削中心软件等不同界面的操作。
⑵ 全数字伺服驱动控制单元：它分X、Y、Z三个轴控制子单元。每个单元分别剖析了伺服驱动器的内部结构原理图、控制方式和接线方法等。本单元把各连接端子引到面板上，通过连接线的连接并可控制电机运行，方便学员进行操作连接。
⑶ 三相变频控制单元：剖析变频控制原理，控制方式和接线方法等。本单元把各连接端子引到面板上，通过连接线的连接并可控制电机运行，实现无级调速，方便学员进行操作连接。
⑷ 数控机床控制线路全局图：把数控机床的强电控制部分、继电器控制部分、数控系统的输入/输出部分全部展示出来，作为一个示范，以便学员能更加方便操作维修机床。
⑸ 数控系统输入/输出控制单元：全面剖析了数控系统控制机床的原理与特点，内容包括伺服模拟信号输入/输出；主轴变频信号模拟量输出控制；冷却控制、机床零点信号控制、机床限位信号控制等。
⑹ 强电元器件安装区：把所有强电元器件统一安装在此处，如：交流接触器、直流继电器、保险管、三相灭弧器等。
⑺ 强电输出单元：把强电部分通过端子座引出，通过延长连接线对各单元进行连接。
⑻ 开关控制和电压电流指示单元：通过电压表和电流表来检测电源工作情况；用开关来控制及保护电路。
四、数控机床电气控制电路实验装置,数控机床电气控制电路实验台,数控机床电气控制电路实验设备产品特点：
1.具有数控车床、车削中心、数控铣床、加工中心等数控机床安装调试、参数设置、PLC编程、故障诊断与维修、数控编程操作等功能。不同机床的切换通过装载西门子提供的软件或进行PLC编程实现
2.该装置采用开放式结构：将802C系统的控制逻辑输入/输出接口进行全面分解展示，并用端子形式引出，再用接线端子可引接到各个模块板上进行控制。方便学员进行判断、测量。
3.模块化设计，既可用于教学、也可用于课程设计、毕业设计和实训，有利于提高学生设计数控机床电气控制系统、诊断数控设备故障的能力，使受训对象最大限度地适应和满足市场需求。
4.设计有专门的故障设置区和排故操作单元。该故障系统提供全开放的端子接口，教师在故障设置区通过开关设置故障；学生通过对故障的在线分析判断、测量进行排故操作。
五、数控机床电气控制电路实验装置,数控机床电气控制电路实验台,数控机床电气控制电路实验设备产品特色：
1.实验台展示通用机床控制线路全局图，学员可以把此图作为设计电路的示范图，以便更加深入了解数控车床的控制方法。.
2.西门子802C数控系统：本实验台把802C数控系统的控制接口扩展到实验台的面板上，再用接线端子可引接到各个模块板上进行控制。
3.三相变频控制单元：通过接插线连接到数控系统上进行变频控制，增加学员的动手能力，增加对控制过程中的故障问题有更多的了解和分析。
4.全数字伺服驱动控制单元：通过接插线连接到数控系统上进行伺服驱动控制，增加学员的动手能力，让学员对伺服控制器有个全面的了解和分析能力。
5.四工位电动刀架控制单元：通过接插线连接到数控系统上进行换刀控制，增加学员的动手能力，让学员对自动刀架的控制过程和原理有更全面的了解。
6.手脉单元：通过接插线连接到数控系统上进行手动控制机床座标运动

六、数控机床电气控制电路实验装置,数控机床电气控制电路实验台,数控机床电气控制电路实验设备实训的功能：

1、本系统对电气设备维修提供的实训项目有：

1)数控系统的基本操作
2)低压电气元件的原理与接线
3)主轴变频单元的调试运行与故障诊断实验
4)全数字交流伺服电机运行与故障诊断实验
5)数控机床电气控制设计与分析实验
6)电动刀架控制原理实验及接线与故障诊断实验
7)数控车床系统控制机床螺纹加工实验
8)数控机床的冷却与照明及故障诊断实验
9)数控机床电子手轮实验
10)加工中心刀具库的应用
11)变频器U，V端，外部开路；
12)驱动电源，外部开路；
13)主轴电机电源（380V），外部开路；
14)刀架锁紧电源，外部开路；
15)24V信号电源，外部开路；
16)驱动电源，外部开路；
17)工作灯电源（24V），外部开路；
18)手轮A＋信号，外部开路；
19)手轮0V信号电源，外部开路；
20)主轴正转信号（24V）电源，外部开路；
21)冷却信号（24V）电源，外部开路；
22)刀架锁紧信号电源，外部开路；
23)X正限信号，外部开路；
24)Z零点信号，外部开路；
25)Z负限位信号，外部开路；
26)0V电源，外部开路；
27)主轴正转M03信号，外部开路；
28)主轴公共地信号，外部开路；
29)主轴模拟量，外部开路；
30)T1号刀具信号，外部开路；
31)T3号刀具信号，外部开路；
32)冷却电源，外部开路；
33)刀架反转信号，外部开路；
34)变压器电源，外部开路；
35)主轴编码器A+信号，外部开路；
36)驱动器24V电源，外部开路；
37)主轴编码器0V电源，外部开路；
38)主轴模拟量输入/输出(参数30130号)，内部开路；
39)主轴编码器脉冲(参数31020)，内部开路；
40)减速开关生效(参数34000)，内部开路；
41)减速开关方向生效(参数34010)，内部开路；
42)减速开关速度生效(参数34040)，内部开路；
43)参考点定位速度生效(参数34070)，内部开路；
44)轴负软限位设定生效(参数36100)，内部开路；
45)轴正软限位设定生效(参数36110)，内部开路；
46)反向间隙补偿生效(参数32450)，内部开路；
47)机床丝杆螺距设计生效(参数31030)，内部开路；
48)伺服电机编码器脉冲设计生效(参数31020)，内部开路；
49)伺服电机最大速度设计生效(参数32000)；内部开路；
50)系统点动速度快速生效(参数32010)，内部开路；
51)系统点动速度生效(参数32020)，内部开路；
52)系统控制类型设计生效(参数14510-16)，内部开路；
53)系统驱动控制类型设计生效(参数14510-17)，内部开路；
54)系统控制刀位数设计生效(参数14510-20)，内部开路；
55)系统控制换刀监控时间设计生效(参数14510-21)，内部开路；
56)系统控制刀架卡紧时间设计生效(参数14510-22)，内部开路；
57)系统控制刀架是否有效(参数14512-11-7)，内部开路；
58)系统主轴是否有效(参数14512-11-6)，内部开路；
59)系统冷却是否有效(参数14512-11-0)，内部开路；
60)系统屏蔽急停有效(参数14512-16-0)，内部开路；
61)系统点动键定义X+键(参数14510-26)，内部开路；
62)系统点动键定义X-键(参数14510-27)，内部开路；
63)系统点动键定义Y+键(参数14510-28)，内部开路；
64)系统点动键定义Y-键(参数14510-29)，内部开路；
65)系统点动键定义Z+键(参数14510-30)，内部开路；
66)系统点动键定义Z-键(参数14510-31)，内部开路；
2、本系统对零件加工提供的实训项目有：
1) 车削零件外圆程序的编写；
2) 车削多台阶外圆程序的编写；
3) 车削圆弧程序的编写
4) 车削斜面程序的编写
5) 车削螺纹程序的编写；
6) 循环指令编程实训；
7) 数控系统与计算机通讯实训；
8) 铣削零件平面程序的编写；
9) 铣削多台阶平面程序的编写；
10) 铣削圆弧程序的编写
11) 铣削斜面程序的编写
12) 铣削键槽程序的编写；
13) 齿轮加工程序的编写；
14) 加工键槽的实训；
15) 车削C轴编程功能
16) 数控系统与计算机通讯实训；
17) 数控系统与计算机DNC加工实训；
18) 文字雕刻自动编程实训(配合计算机和软件)；
19) CAD/CAM三维曲面自动编程实训(配合计算机和软件)
七、技术性能：
1.输入电源：三相四线制380V交流电源，50Hz。
2.漏电保护：漏电动作电流≤30mA；具有接地保护。
3.工作环境：温度-100-+400C。
4.整机功耗：＜3KW
5.考核柜尺寸：1370×600×1890mm
六、结束语：
数控机床电气控制电路设计是数控机床有效运行的关键，在数控机床的电路设计中，需要重点做好相关系统电路的设计，才能保证系统的有效运行。

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