数控机床电气控制技术及设计方法探析

数控机床电气控制技术及设计方法探析
作者：席君
来源：《卷宗》2020年第23期

摘 要：数控机床作为微电子、精密机械、计算机、自动感应、液压传动、自动控制等技
术的综合应用，是一种全新的加工设备。伴随计算机技术和数控技术的深入发展以及生产技术
的升级，数控机床的电控技术呈现出飞速发展的势头，也已成为数控机床设计的重要组成部
分。本文结合特定加工中心的实际情况，介绍了数控机床的电气控制技术和设计方法。

关键词：数控机床电气;控制技术;设计方法
数控机床集检测技术、机械制造技术、计算机信息技术、自动控制技术于一体，有效解决
了高混合、小批量生产、精密、零件加工复杂的问题。如今，它已成为中国机械制造业中最常
用的设备之一。因此，数控机床的研究受到了工业界的广泛关注，而作为数控机床主要组成部
分的电气控制系统成为数控机床设计工作的核心。

1 数控机床电气控制系统
伴随计算机技术和数控技术的深入发展以及生产工艺的升级，数控机床的电控技术逐渐形
成一个独立的系统，成为数控机床设计的重要组成部分。如果要提高数控机床的安全性、可靠
性、生产效率和加工精度，就需要加强对数控机床电气控制原理和设计方法的研究。针对立式
加工中心的实际情况，我们重点介绍数控机床的电气控制技术和设计方法。该立式加工中心的
电控系统主要由Bi交流主轴伺服电机、SVPM、13is系列交流进给伺服电机组和FANUCOi-
Mate-MCCNC系列数字交流伺服模块组成，SVPM是进给伺服模块和主轴伺服。驱动串行主轴
和进给轴的模块和功率模块的集成设计显示出高性价比和紧凑结构的优势。

2 数控机床工作原理及构成
1）数控机床工作原理。CNC机床不同于普通机床。其数控机床的工作原理根据零件的要
求，使用CNC语言编写加工顺序和参数程序。在CNC设备对程序进行分析和处理之后，将执
行指令发送到伺服系统，以驱动并完成机床的运动部件。图1显示了正在进行的过程。

2）数控机床构成。CNC机床的复杂配置包括电子控制单元、机体、伺服系统、电源、检
测传感器零件等。其中，伺服系统控制运动零件并执行相关运动以调整运动速度和精度，以满
足零件加工的需要。检测传感器检测转台的角位移和工作台的线性位移，并将检测结果发送到
计算机进行显示或反馈控制。电子控制单元（计算机數控机床、CNC）对各种数字信息进行解
码，计算和逻辑处理，将生成的命令信息发送到伺服系统，然后根据设置的动作将其发送到机
床提示进行处理。电源向机床提供电能以驱动机床，机床主体为各种切削提供了可操作的平
台。

3 数控机床电气控制系统的设计
3.1 硬件电路
1）电源电路和交流主传动电路。需要电源电路根据所有控制设备的相关要求来完成电源
设计。换句话说，伺服驱动器模块和模块风扇由伺服变压器提供220V的电压。从控制变压器
向控制变压器接触器提供1 IOV。Z轴制动器和电磁阀由整流器整流后的27V输出24V供电。
控制变压器的220V输出清楚地分为两个电路，数控机床的电气箱空调和床润滑马达由特定电
路、伺服模块、CNC、DC继电器以及开关电源后的其余电路的24V输出供电。主轴的垂直加
工中心控制要求包括：所涉及的速度必须在很宽的范围内连续可调，无论选择哪种速度，它都
可以提供足够的扭矩和功率，以满足切割需求。制动、正向传动、反向旋转、精确停止都可以
反复实现，并且可以有效实现工具的自动装卸，以支持自动换刀。该立式加工中心的主轴可以
在0至6000fmin的范围内实现无级调速。另外，主轴电机的内置编码器可以检测主轴速度和
主轴位置，主轴的闭环速度主要由主轴控制器来实现。进行控制，但在精确的停止期间需要闭
环位置控制。同时，主轴的实际运行状态可以通过内置在CNC中的PLC发送到CNC，从而可
以控制主轴的各种功能。

2）交流进给传动电路。整个进给系统的能量直接影响着整机的精度指标和工作状态，同
时主要完成立式加工中心的线性坐标轴定位和切削供给。立式加工中心的进给系统主要采用半
闭环控制系统、电机与脉冲编码器同轴，速度和位置同时反馈，X/YfZ轴的滚珠丝杠与伺服电
机配对。伺服系统中的各种非线性环节都是外部闭环，如传动间隙、螺杆刚度、摩擦阻尼等，
以提高数控机床电机控制系统的稳定性。另外，X/Y/Z方向支撑导轨，全部使用直线运动滚动
导轨，该直线运动滚动导轨具有低摩擦、高刚度、高定位精度、高速轴移动速度（24m/min）
具有优势。

3.2 PLC程序
PLC程序通常被认为是CNC机床电气控制的重要组成部分，CNC机床上的PLC程序可以
达到数十到数百毫秒的处理时间，此速度可以满足大多数信息处理要求。对于某些需要高响应
速度的信号，此处理速度也有一些限制。因此，立式加工中心将PLC程序设计分为低级程序
和高级程序。从控制功能的角度来看，低级程序由三个线性轴（高速、进给、原点复归等），
主轴（速度变化、正向/反向旋转、换刀、姿态等），各种电机（冷却、润滑等），操作组
成。板该立式加工中心使用了一部分在x轴+方向上执行的PLC控制程序，如图2所示。

开关及紧急停车系统设计。开关和紧急停止系统负责控制CNC机床的启动和停止，特别
是在异常之后，以防止损坏机床组件和操作机床，而这可能会对操作人员造成人身伤害。因
此，在数控机床电气控制系统的设计中不能忽略此内容设计。该设计开关和紧急停止系统的工
作过程是，当按下系统的主开关时，中间继电器将接通电能，整个系统将开始工作。同时，弱
电流系统通过开关电源供电，按下紧急停止按钮将关闭中间继电器，并关闭进给轴和主轴系统
的电源。在这段时间内，控制信号灯的继电器闭合并打开。红灯会亮起，并且会响起警报，提
醒操作员及时进行故障排除。完全清除故障后，可以重新启动系统。

4 结语
总而言之，气控制系统的形式和整体控制能力与数控机床的生产效率和整体质量密切相
关。在本文中，详细介绍了数控机床的电气控制系统的设计以及立式加工中心的实际情况。实
际上，上述模块化设计思想对于实现电气控制系统的运行可靠性、降低故障率、提高处理效率
以及改善整体工作性能非常重要。
参考文献
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[2]程垦.浅析数控机床电气控制技术和设计方法[J].电子技术与软件工程，2013（16）：
136.

[3]王晓珺，段新文.数控机床电气控制技术及设计方法研究[J].装备制造技术，2012
（12）：103-104.

作者简介
席君（1970-），男，汉族，安徽宿州人，本科，安徽省宿州市工业学校，讲师，研究方
向：电器控制。