第八章數控機床電氣控制電路設計實例8.1數控機床電氣控制電路設計原則

8.2TK40A數控車床電氣控制電路

8.3XK714A數控床身銑床電氣控制電路

在前面的章節中，分別介紹了計算機數控系統的各個組成部分、控制系統所用到的元器件和執行部件，可以說是“化整為零”的敘述。本章則通過介紹幾種典型數控機床控制電路實例及分析，則可以說是“集零為整”，使讀者了解數控系統的全貌。本章首先介紹數控機床電氣控制電路設計原則，遵循這些原則是保證產品質量的前提，然后介紹TK40A數控車床和XKA714數控床身銑床的電氣控制電路，并作了簡要的分析。在分析控制電路時，注意掌握分析思路和方法。8.1.1電氣控制電路設計原則1．最大限度的實現機械設計和工藝的要求正如本書第一章緒論中所指出，數控機床是機電一體化產品，數控機床的主軸、進給軸伺服控制系統絕大多數是機電式的，其輸出都包括含有某種類型的機械環節和元件，它們是控制系統的重要組成部分，其性能直接影響數控機床的品質。這些機械環節和元件一旦制造好，其性能就難以更改，遠不如電氣部分靈活易變。因此，數控機床的機械與數控系統的設計人員都必須明確的了解機械環節和元件的參數對整機系統的影響，以便密切配合，在設計階段，就仔細考慮相互之間的各種要求，做出合理的設計。8.1數控機床電氣控制電路設計原則2．保證數控機床能穩定、可靠運行數控機床運行的穩定性、可靠性在某種程度上決定于電氣控制部分的穩定性、可靠性。數控機床在加工車間，使用的條件、環境比較惡劣，極易造成數控系統的故障。尤其工業現場，電磁環境惡劣，各種電氣設備產生的電磁干擾，要求數控系統對電磁干擾應有足夠的抗擾度水平，否則設備無法正常運行，詳細請參閱本書第七章“數控系統的電磁兼容設計”。 3．便于組織生產、降低生產成本、保證產品質量商品生產的基本要求是以最低的成本，最高的質量，生產出滿足用戶要求的產品，數控機床的生產也不例外。電氣控制電路設計時就應該充分考慮元器件品質，供應，并便于安裝、調試和維修，以便于保證產品質量和組織生產。

4、安全電氣控制電路的設計應高度重視保證人身安全、設備安全，符合國家有關的安全規范和標準。各種指示及信號易識別，操縱機構易操作，易切換。

8.1.2數控系統功能的選擇除基本功能外，數控系統生產廠還為機床制造廠提供了多種多樣的可選功能，由于各知名品牌數控系統的基本功能差別不大，所以合理的選擇適合本機床的可選功能，放棄那些可有可無的或不實用的可選功能，對提高產品的功能/價格比是大有好處的，下面列舉幾個例子供讀者參考：（1）動畫/軌跡顯示功能的選擇

該功能用于模擬零件加工過程，顯示真實刀具在毛坯上的切削路徑，可以選擇直角坐標系中的二個不同平面，也可選擇不同視角的三維立體，可以在加工的同時做實時的顯示，也可在機械鎖定的方式下作加工過程的快速描繪，是一種檢驗零件加工程序、提高編程效率和實時監視的有效工具。

（2）

軟盤驅動器的選擇

這是一種數據傳送的極好工具，可以通過它將系統中已經調試完畢的加工程序存入軟盤后存檔，也可以通過它將在其它計算機中生成的加工程序軟盤中的加工程序存入CNC系統，也可以通過它來做各種機床數據的備份和存儲。給編程和操作人員帶來了很大方便。但是，軟盤驅動器畢竟是易耗品,是否采用需衡量比較。另外，若數控系統是基于DOS、WINDOWS等通用操作系統，還應注意病毒的問題。

（3）

DNC-B通信功能的選擇

眾所周知，由非圓曲線或面組成的零件加工程序的編制是十分困難的，通常的辦法是借助于通用計算機的計算，將它們細分為微小的三維直線段組成的加工程序，在模具加工中這種長達幾百KB（4KB約等于10m紙帶長度）甚至數MB的加工程序是經常會遇到的，而一般數控系統提供的程序存儲容量為64--128KB，這給模具加工帶來了很大困難。

DNC-B通信功能具有二種工作方式，其一是一次性的將通用計算機中的程序傳送到數控系統的加工程序的存儲區內（如果它的容量足夠大的話），其二是將通用計算機中的程序一段一段的傳送到數控系統的緩沖存儲器中，邊加工邊傳送，直到加工結束。徹底解決了大容量程序零件的加工問題。雖然選用這項功能需要增加一定的費用，但它確實是一項功能/價格比很高的選項。若系統的加工程序存儲區足夠大，推薦使用DNC-B的第一種工作方式，即一次性的把加工程序傳送到CNC內部，然后在CNC本機上運行該加工程序。而第二種方式則需要在加工的全過程中占用一臺計算機，而且，一旦雙方的通訊出現問題，加工就不得不中斷。在使用第一種方式是，需要注意的是，應該定期檢查CNC的加工程序存儲區剩余空間，刪除不用的加工程序。

（4）

剛性攻螺紋功能

攻螺紋是數控機床的一項常用功能，到底采用什么方式是一個值得考慮的問題，剛性攻螺紋功能必須采用伺服電機驅動主軸，不僅要求在主軸上增加一個位置傳感器，而且對主軸傳動機構的間隙和慣量都有嚴格的要求，電氣設計和調整也有一定的工作量，所以這個功能的成本不能忽略。對用戶來說如果可以通過采用彈性伸縮卡頭進行柔性攻螺紋，或者機床本身的轉速并不高時，就不必選用剛性攻螺紋功能。

（5）

網絡數控功能

近年來發展的數字化網絡制造是指利用網絡技術和數字控制技術進行產品的加工制造，其基礎是網絡數控技術。它是各種先進制造技術的基本單元，為各種先進制造環境提供基本的技術基礎，如遠程制造、遠程診斷與遠程維護。目前，有些數控系統有提供選擇的網絡功能。是否選擇此功能，要考慮本單位的實際需要，和數控應用水平。

8.2.1TK1640數控車床的功能TK1640數控車床如圖8.1所示，是我國寶雞機床廠研制、開發的產品，主軸變頻調速，三檔無級變速，采用HNC-21T車床數控系統實現機床的兩軸聯動。機床配有四工位刀架，可滿足不同需要的加工；可開閉的半防護門，確保操作人員的安全。機床適用于多品種、中小批量產品的加工，對復雜、高精度零件由于機床的自動化而更顯示其優越性。8.2TK40A數控車床電氣控制電路1、TK1640數控車床的組成TK1640數控車床傳動簡圖如圖8.2所示。機床由底座、床身、主軸箱、大拖板(縱向拖板)、中拖板(橫向拖板)、電動刀架、尾座、防護罩、電氣部分、CNC系統、冷卻、潤滑等部分組成。機床主軸的旋轉運動由5.5KW變頻主軸電機經皮帶傳動至Ⅰ軸，經三聯齒輪變速將運動傳至主軸，并得到低速、中速和高速三種無級變速。大拖板左右運動方向為Z坐標，其運動由GK6063-6AC31交流永磁伺服電機與滾珠絲杠直聯實現；中拖板前后運動方向為X坐標，其運動由GK6062-6AC31直流永磁伺服電機通過同步齒形帶及帶輪帶動滾珠絲杠和螺母實現。

1.螺紋車削：為保證主軸一轉，刀架移動一個導程，在主軸箱的左側安裝了一個光電編碼器。主軸至光電編碼器的齒輪傳動比為1:1。光電編碼器配合縱向進給交流伺服電機，保證主軸一轉，刀架移動一個導程(即被加工螺紋導程)。2．TK1640數控車床的技術參數項

目單位技術規格加工范圍床身上最大回轉直徑mmΦ410床鞍上最大回轉直徑mmΦ180最大車削直徑mmΦ240最大工件長度mm1000最大車削長度mm800

主

軸主軸通孔直徑mmΦ52主軸頭型式

ISO702/ⅡNo.6主軸轉速rpm36—2000高速rpm170—2000中速rpm95—1200低速rpm36—420主軸電機功率kw5.5(變頻)

尾

座套筒直徑mmΦ55套筒行程(手動)mm120尾座套筒錐孔

MTNo.4

刀

架快速移動速度X/Zm/min3/6刀位數

4刀方尺寸mm20x20X向行程mm200Z向行程mm800

主要精度機床定位精度Xmm0.030Zmm0.040機床重復定位精度Xmm0.012Zmm0.016

其

它機床尺寸LxWxHmm2140x1200x1600機床毛重kg2000機床凈重kg18008.2.2

TK1640數控車床的電氣控制電路通過對TK1640數控車床的電氣控制線路的分析，進一步闡述電氣控制系統的分析方法，使讀者掌握TK40A的電氣控制線路的原理，了解機床的機械及各部分與電氣控制系統之間的配合關系，了解電氣部分在整個設備中所處的地位和作用，為進一步學習電氣控制系統的相關知識打下一定的基礎。

1．電氣原理圖分析的方法與步驟電氣控制電路一般由主回路、控制電路和輔助電路等部分組成。了解了電氣控制系統的總體結構、電動機和電器元件的分布狀況及控制要求等內容之后，便可以閱讀分析電氣原理圖。⑴分析主回路從主回路入手，根據伺服電機、輔助機構電機和電磁閥等執行電器的控制要求，分析它們的控制內容，控制內容包括啟動、方向控制、調速和制動。

⑵分析控制電路根據主回路中各伺服電機、輔助機構電機和電磁閥等執行電器的控制要求，逐一找出控制電路中的控制環節，按功能不同劃分成若干個局部控制線路來進行分析。而分析控制電路的最基本方法是查線讀圖法。

⑶分析輔助電路輔助電路包括電源顯示、工作狀態顯示、照明和故障報警等部分，它們大多由控制電路中的元件來控制的，所以在分析時，還要回頭來對照控制電路進行分析。⑷分析連鎖與保護環節機床對于安全性和可靠性有很高的要求，實現這些要求，除了合理地選擇元器件和控制方案以外，在控制線路中還設置了一系列電氣保護和必要的電氣連鎖。⑸總體檢查經過“化整為零”

，逐步分析了每一個局部電路的工作原理以及各部分之間的控制關系之后，還必須用“集零為整”的方法，檢查整個控制線路，看是否有遺漏。特別要從整體角度去進一步檢查和理解各控制環節之間的聯系，理解電路中每個元器件所起的作用。

1．TK1640數控車床電氣控制電路分析設備主要器件如下

序號名稱規格主要用途備注

數控裝置HNC-21TD控制系統HCNC軟驅單元HFD-2001數據交換HCNC3.

控制變壓器AC380/220V300W/110V250W/24V100W伺服控制電源、開關電源供電HCNC交流接觸器電源照明燈電源4.

伺服變壓器3PAC380/220V2.5KW為伺服供電HCNC5.

開關電源AC220/DC24V145WHNC-21TD、PLC及中間繼電器明瑋6.

伺服驅動器HSV-16D030X、Z軸電機伺服驅動器HCNC7.

伺服電機GK6062-6AC31-FE（7.5NM）X軸進給電機HCNC8.

伺服電機GK6063-6AC31-FE（11NM）Z軸進給電機HCNC⑴機床的運動及控制要求

正如前述，TK1640數控車床主軸的旋轉運動由5.5kw變頻主軸電機實現，與機械變速配合得到低速、中速和高速三種無級變速。Z軸、X軸的運動由交流伺服電機帶動滾珠絲杠實現，二軸的聯動由數控系統控制并協調。螺紋車削由光電編碼器與交流伺服電機配合實現。

除上述運動外，還有電動刀架的轉位，冷卻電機的啟、停等。⑵主回路分析圖8-3是380V強電回路

圖中QF1為電源總開關。QF3、QF2、QF4、QF5分別為主軸強電、伺服強電、冷卻電機、刀架電機的空氣開關，它的作用是接通電源及短路、過流時起保護作用；其中QF4、QF5帶輔助觸頭，該觸點輸入PLC，作為報警信號，并且該空開的保護電流為可調的，可根據電機的額定電流來調節空開的設定值，起到過流保護作用。KM3、KM1、KM6分別為主軸電機、伺服電機、冷卻電機交流接觸器，由它們的主觸點控制相應電機；KM4、KM5為刀架正反轉交流接觸器，用于控制刀架的正反轉。TC1為三相伺服變壓器，將交流380V變為交流200V供給伺服電源模塊；RC1、RC3、RC4為阻容吸收，當相應的電路斷開后，吸收伺服電源模塊、冷卻電機、刀架電機中的能量，避免產生過電壓而損壞器件。

⑶電源電路分析圖8.4為電源回路圖

圖中TC2為控制變壓器，原方為AC380V，副方為AC110V、AC220V、AC24V，其中AC110V給交流接觸器線圈、為強電柜風扇提供電源；AC24V給電柜門指示燈、工作燈提供電源；AC220V通過低通濾波器濾波給伺服模塊、電源模塊、24V電源提供電源；VC1為24V電源，將AC220V轉換為AD24V電源，給世紀星數控系統、PLC輸入/輸出、24V繼電器線圈、伺服模塊、電源模塊、吊掛風扇提供電源；QF6、QF7、QF8、QF9、QF10空開為電路的短路保護。⑷控制電路分析a．主軸電機的控制先將QF2、QF3空開合上，見圖8.3強電回路，當機床未壓限位開關、伺服未報警、急停未壓下、主軸未報警時，KA2、KA3繼電器線圈通電，繼電器觸點吸合，并且PLC輸出點Y00發出伺服允許信號，KA1繼電器線圈通電，繼電器觸點吸合，KM1交流接觸器線圈通電，交流接觸器觸點吸合，KM3主軸交流接觸器線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，主軸變頻器加上AC380V電壓，若有主軸正轉或主軸反轉及主軸轉速指令時（手動或自動），PLC輸出主軸正轉Y10或主軸反轉Y11有效、主軸AD輸出對應于主軸轉速的直流電壓值（0-10V），主軸按指令值的轉速正轉或反轉；當主軸速度到達指令值時，主軸變頻器輸出主軸速度到達信號給PLC輸入X31(未標出)，主軸轉動指令完成。b．刀架電機的控制

當有手動換刀或自動換刀指令時，經過系統處理轉變為刀位信號，這時是PLC輸出Y06有效，KA6繼電器線圈通電，繼電器觸點閉合，KM4交流接觸器線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，刀架電機正轉，當PLC輸入點檢測到指令刀具所對應的刀位信號時，PLC輸出Y06有效撤消、刀架電機正轉停止；PLC輸出Y07有效，KA7繼電器線圈通電，繼電器觸點閉合，KM5交流接觸器線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，刀架電機反轉，延時一定時間后（該時間由參數設定，并根據現場情況作調整），PLC輸出Y07有效撤消，KM5交流接觸器主觸點斷開，刀架電機反轉停止。選刀完成。為了防止電源短路，在刀架電機正轉繼電器線圈、接觸器線圈回路中串入了反轉繼電器、接觸器常閉觸點，見圖8.5。請注意，刀架轉位選刀只能一個方向轉動，取刀架電機正轉。刀架電機反轉只為刀架定位。c．冷卻電機控制當有手動或自動冷卻指令時，這時PLC輸出Y05有效，KA8繼電器線圈通電，繼電器觸點閉合，KM6交流接觸器線圈通電，交流接觸器主觸點吸合，冷卻電機旋轉，帶動冷卻泵工作。伺服電機的控制見第四章“數控機床進給驅動系統”。8.3