浅析数控机床电气控制系统

摘 要： 数控机床电气控制系统非常复杂，对于初学者而言很有必要理清这一系统的每个部分的组成和每一部分的关键点；电源部分要搞清楚每一支路设备、电压要求和信号流；主轴驱动控制系统要搞清楚控制设备和对主轴做要求的项目的处理方式；进给驱动控制系统要搞清楚控制设备（方式）、指令的处理和检测方式；交流控制线路的各个分支的控制内容；PMC控制电路和控制过程。

关键词： 电源系统 模拟主轴 主轴方向信号 抑制电磁干扰 PMC

数控机床电气控制系统是比较复杂的控制过程，理清和深入剖析这一系统的每一个组成单元对我们认识、应用和维修数控机床都有深远意义。

一、数控机床电源系统（主电路）

1.数控系统的工作电源

电压要求：DC 24V或AC 24V。

方法：系统变压器+开关电源。

电压信号变化为AC380V—AC220V—DC24V—CNC装置。

作用：将数控系统和电网之间的直接的电联系切断（电气隔离），以避免电网电压波动及线路故障对数控系统产生干扰和影响。

开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。

信号变化为AC220V—整流DC300V—高频信号—开关管导通与关断—CNC装置。

2.主轴驱动装置的电源供给

（1）模拟主轴

方案：空气开关+变频器+交流电机。

（2）数字主轴

方案：伺服变压器（或开关电源）+交流伺服驱动器+交流伺服电机。

3.进给驱动装置的电源供给

开环控制：380/85V的变压器+空气开关+步进驱动器+步进电机。

半闭环控制：伺服变压器（或开关电源）+交流伺服驱动器+交流伺服电机。

4.数控系统PMC的I/O电源：采用开关电源（DC24V）

数控机床PMC的输入、输出回路需要24V的直流电源，可以采用一个开关电源提供，但是这个开关电源一定要和为数控系统供电的开关电源共地；如果为数控系统供电的开关电源容量足够，那么也可以同时作为PMC的I/O电源。

5.刀架电机电源供给：采用空气开关

6.冷却电机和电机的电源供给：采用空气开关

7.机床照明和电柜风扇的电源供给

机床照明一般采用AC 36V或AC 24V，由于这两个电压都不是标准电压，因此需采用照明变压器为照明灯具供电。

二、主轴驱动控制系统的组成

主轴驱动系统一般采用变频器+主轴电机的方式，下面是这一系统的组成和信号处理方法。

1.主轴速度信号的处理

主轴运行指令（如M03 S1000）—编译、运算和逻辑处理—主轴速度信号（0—+10V或者4—20mA）—变频器。

2.主轴方向信号的处理

单极性模拟主轴：0—10V，主轴电机的旋转方向则由PLC控制。

双极性模拟主轴：-10V—+10V，而主轴电机的旋转方向不由PLC控制，而是由速度信号的正、负极性决定。

3.主轴速度检测的处理

主轴控制系统一般设计为速度控制系统，目前主轴速度检测最常用的做法是采用脉冲编码器作为检测元件。

4.主轴驱动器故障监控处理

现在使用的变频器和交流伺服驱动器一般具有故障自诊断功能并提供有故障监控可编程I/O端口，其输出形式有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出等形式。I/O端口之间实质上是一种开关关系，开、关的状态分别对应驱动器正常与否；由于数控机床的M、S、T三大辅助功能都是由PLC控制的，故可以将这一开关量作为数控系统PLC的一个输入点，以此监控驱动器是否正常或就绪。自诊断功能实质上反映的是可编程I/O端口开、关的状态。

5.主轴驱动器制动处理：制动组件

主轴驱动器一般都内置有制动组件，在机床主轴要求快速制动时，若内置的制动单元或电阻不足以消耗、吸收再生电能而导致直流部分过压时，外接制动组件，加快消耗再生电能的速度。

6.接地处理：抑制电磁干扰

数控机床工作环境中的电磁和噪声干扰是很严重的，作为精密加工设备的数控机床，其主轴驱动器必须采取有效的抗干扰措施。

变频器主要采取正确的接地措施。变频器的接地处理有两个方面：一是对变频器主回路PE端子正确接地，以提高变频器抑制噪声干扰的能力并减小变频器对外界电气设备的干扰。二是将变频器的控制信号线（采用双绞线或屏蔽线）屏蔽层接地，以排除外界对控制信号传输的干扰。

三、进给驱动控制系统的组成

常用的进给驱动控制系统的方式为：

开环控制：380/85V的变压器+空气开关+步进驱动器+步进电机。

半闭环控制：伺服变压器（或开关电源）+交流伺服驱动器+交流伺服电机。

1.指令信号的处理过程

进给指令（如G01 X100 Z-20 F200）—编译、运算和逻辑处理—指令脉冲信号（0—+10V或者4—20mA）—交流伺服驱动器—交流伺服电机。

2.编码器反馈信号的处理

编码器输出信号的反馈方式主要有2种：可以将编码器输出信号直接送入数控系统的编码器反馈接口；也可以将将编码器的输出信号先送至交流伺服驱动器，再由交流伺服驱动器反馈至数控系统的编码器反馈接口。

四、交流控制电路

交流控制电路主要采用接触器和继电器控制的线路，主要有：电源启动/停止控制（采用接触器）、变频器电源控制（可选）、交流伺服驱动器电源控制（可选）、刀架的正反转控制（对车床而言）、冷却控制、控制，电柜风扇、照明等。控制方式主要通过交流接触器的通断控制。

五、PMC控制电路

1.PMC定义

PMC其实就是PLC（可编程逻辑控制器），但是因为机床控制PLC是专门用于控制机床的，其中有多条专用指令，故而叫做PMC——可编程机床控制器。

2.数控机床PMC的信号处理

3.PMC控制内容

主要有：M、S、T功能（主轴速度大小由主轴驱动系统控制）、操作信号处理、急停控制、坐标轴控制、主轴控制、刀架控制、冷却控制、导轨等。

以上是我对数控机床电气控制系统第一组成部分的一些具体的分析，希望对研究数控机床电气控制系统的初学者有所帮助。

参考文献：

[1]廖兆荣，杨旭丽.数控机床电气控制.北京：高等教育出版社，2008.

[2]邓三鹏.数控机床故障诊断与维修.北京：机械工业出版社，2009.

[3]GSK928TE数控系统使用手册.

[4]GSK980TD数控系统使用手册.

[5]FUNAC数控系统使用手册.