普通机床数控化改造中的电气设计

【摘要】在数控机床改造的过程中，如何进行电机参数的计算和选择、数控系统的选择和电气系统的非标准化设计是目前数控化改造工作中普遍存在的问题。本文将从数控系统的设计、加工精度、机床运动坐标轴等的控制设计入手，较详细地阐述了机床的数控化改造电气控制设计的方案，对机床电气系统进行改造设计，使原有的机床在某些方面性能和功能方面有较大的提高，基本可达到普通数控机床的加工要求。

【关键词】机床改造；电气控制；PLC ；步进电机

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

目前许多数控化改造的设计存在诸多问题：选择电机参数时，使用的计算方法欠精确；数控系统类型和功能选择不合理；电气部分的改造不规范等等。因为数控机床电气设计、应用与维修技术工作的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因索的制约，在数控机床电气控制方而还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。本文将对机床数控化改造进行归纳总结和分析，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益，为普通机床数控化改造中的电气设计提供依据。

二、普通机床改数控机床的优点

普通机床虽然有价格便宜、操作简单的优点, 但它存在许多弊端：1）传动链复杂从而导致传动精度低，使产品的加工精度降低，产品的质量稳定性也不是很高；2) 加工工序简单，因而不能加工较复杂的零件，加工零件的品种也比较少；3) 生产效率较低。一个零件一般需要多次装夹和多道工序；4) 由于普通机床几乎所有工作都靠工人手动操作，对工人的熟练程度要求高，因而工人劳动强度大，生产准备时间长。由于普通机床的这些缺点越来越使之在当今日益竞争的社会中处于劣势。

1、普通机床数控化的优点

普通机床经过数控化改造后，可以大大地提高传动进给精度，从而提高机床的加工精度；还可以拓宽普通机床的加工范围，延长机床的役龄；普通机床的数控化改造将在很大程度上盘活企业的固定资产、提高劳动效率，用较少的资金， 将普通机床改造升级为数控机床，带来可观的经济效益，为提高企业的竞争力做出贡献。

2、普通机床数控化的方法

普通机床改造成数控机床的方法要有两个步骤：第一步骤：技术可行性分析和经济可行性分析；第二步骤：技术上的改进措施。分为两方面：一方面是机械上的改进，另一方面是电气系统的改进。

对普通机床进行数控化改造，关键技术在于对机床精度的恢复。旧机床一般在工作车间已经工作多年，其中导轨、溜板等都有不同程度的磨损。在有条件的时候，按常规机床大修的方法，对机床导轨进行磨削，磨削量以保持床面有一定的表面硬化层为宜。若旧机床磨损严重，磨削后，表面硬化层已去除，可采用电刷镀的方法加工耐磨表层。与床身相匹配的溜板，一般可采用刮研的方法修配恢复精度。在导轨磨损量较大的情况下，也可采用贴塑工艺恢复机床导轨精度。主轴精度的修复是改造机床维修的另一个侧重点。可采用更换主轴轴承等传统方法配合电刷镀工艺完成。主轴箱通常需单独修复，并调试验收精度。有些磨损量小的机床也可以采用表面工程技术在现场操作，恢复机床精度。

三、电气系统设计

1、 SIEMENS 802C 数控系统组成

控制系统是数控机床的“大脑”，由一种专用计算机，完成插补运算、数据处理、输入输出等控制任务。数控加工程序经数控系统运算处理后，输出司服控制信号、主轴驱动控制信号及其开关状态量信号等。从其功能和经济性两方面考虑。本设计选用 SIEMENS 802C 数控系统，其功能齐全，可构成全闭环后、半闭环的位置控制系统。数控系统分经济性数控系统和标准型数控系统，经济性数控系统是建立在单片机基础上，一般是由步进电机驱动装置和步进电机，构成位置开环的控制系统。标准型数控系统是建立在微机基础上，功能齐全，可构成全闭环、后半闭环的位置控制系统。根据普通机床的实际功能要求，本设计采用的后一种数控系统。

SIEMENS 802C 数控系统控制 3 个步进电机进给轴和一个主轴，主轴采用交流司服电机或变频电动机，特别适合机床的数控化改造。西门子数控系统组成系统如图 1 所示。

2、驱动电路设计

驱动电路设计，采用对驱动器在三相六拍的基础上进行 5 细分(30 拍)，10 细分（60 拍）。细分后电动机运行的步距角将要缩小相应的倍数（如步距角为 0.75 的电动机，10 细分后电动机运行的步距角为 0.075 ）。细分后消除了小步进电动机的低频振荡，提高了电动机的分辨率和运行特性，由于制造工艺的问题，实际上的分辨率会稍低于理论细分的精度。如图 2 所示，三相混合式步进电机驱动器 SH-32206，80～220V 交流供电，可适应最恶劣电网环境。脉冲信号、方向信号和脱机信号接 CNC 装置。双极恒相流细分驱动，可以通过驱动器面板上的第 1、2、3、4 四个拨码开关，可供选择 16 种细分模式。输入信号光电隔离。过压、过流保护、脱机保持功能、单/双脉冲模式可选。自动半流。最大输出驱动电流 6A/相。

3、操作面板设计

操作面板由机床操作面板和数控系统操作面板指令部分组成如图 3所示，其中，CRT 程序显示、当前位置及其加工状态等信息；程序编辑键（位于 CRT 右方）可进行程序的输入、修改、调整。现场操作键（位于面板的下方）可实现机床的手动，点动，自动等操作。

图 3 操作面板

程序编辑部分主要由操作面板上各编辑键来实现不同程序的要求，面板各键的名称和功能如表 1 所示。由于响应菜单控件只有一个单击事件CLICK，所以要为不具有下级菜单项添加代码，可以在设计窗口中设置代码。本系统由于菜单项都是为了更快的进入系统的子窗口，所以菜单响应事件的代码非常简单，因为子窗口已经设置了大量的代码，菜单只是调用这些窗口而已，另外，关于“文件”菜单中一些问文件处理可以结合 COMMDIALOG控件来完成。

四、普通机床数控化改造中的电气设计需要注意的问题

1、加工精度的控制

对旧机床改造，除系统升级外，改造者面临的另一关键问题就是机械精度问题。机械精度恢复的如何，直接关系到改造的整体效果。而一般机床经多年使用后，由于使用条件和环境的不同，会造成多方面的磨损或损伤，如轴承、丝杆、导轨等都会直接影响机床的整体精度。本次改造除更换受损的轴承、联轴器等外还对导轨的镶条、贴塑面等结合部件进行铲刮重新装配后，机床的主要几何精度指标均达到相关标准要求。而在测量定位精度时，发现定位精度和重复定位精度指标严重超标，分别为0.035和0.025mm。于是决定启用系统提供的螺距补偿功能。使用激光干涉仪分别对三个轴进行定位检测，检测间距选择 40mm，在整个行程范围内，记录下所有检测点的误差值，将这些误差值输入至系统提供的补偿参数中，再进行测量，结果效果非常明显。补偿后的定位精度和重复定位精度分别为0.015和0.010mm（此精度指标虽不理想，但作为改造机床已能满足一般的加工要求）。

2、数控机床运动坐标的电气控制

电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者做好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。

速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。

五、结束语

综上，机床数控化改造不仅是经济又见效快的途径，而且节约能源、实现废品资源化和保护环境的目的。我们必须加快机床数控化的进度。但是机床的数控化改造不能停留在现有阶段，应紧跟世界潮流，发展多轴联动数控系统，开发高速、高精度、高效加工中心等关键技术，向智能化方高发展。

参考文献

[1] 赵中敏.机床数控化改造的研究[J].煤矿机电.2005(6):77-79.

[2] 张红涛.51单片机和PC 机串行通信系统设计[J].化工自动化及仪表.2005(4):39-41.