多轴加工中心电气控制系统设计与实现研究

多轴加工中心电气控制系统设计与实现研究

陈义波

（身份证号码：42052919880402XXXX）

摘要：加工中心是机电一体化综合应用的高端产品，是现代制造业的基础装备。然而，在经过多年运行后，由于数控系统的更新换代、系统备件难以购买等原因给机床的维护带来困难。如重新购买新设备则需花费巨大的一次性投入，所以可通过更换机床数控系统的方式进行升级改造，其改造的投入往往只占到新设备价格的10％-30％。在这类改造中，通常只须对机床的控制部分进行改造，机床的机械结构、主要传动方式等均可不变。由于当前不同品牌与型号的数控系统间通用性及兼容性较差，因此，研究加工中心的控制原理、系统选择与配置、控制功能开发、调试及性能优化等关键技术，对升级改造某一特定的加工中心具有十分重要意义。

关键词：加工中心；控制系统；FANUC；0iMC；设计

1.引言

加工中心是一种带有刀具自动交换功能的数控机床，工件经过夹具一次装夹后，数控系统就能控制机床自动选择刀具，可以一次性完成工件多个面的多工序加工。由于加工中心工序集中与自动换刀的功能特点，就减少了工件装夹、换刀和机床调整等的时间，使机床的有效加工时间达到机床开动总时间的80％左右（普通机床为15～20％）；同时减少了不同工序（不同加工设备）之间的工件搬运和存放时间，极大地提高了生产效率，创造了明显的经济效益。所以，加工中心适用于零件形状复杂、精度要求高的中小批量生产。

加工中心比普通数控机床多了一项自动换刀功能，工件在单次装夹后，可通过数控系统CNC的相关程序控制实现自动换刀，实现对工件的不同面的复杂工序加工。这样就提高了机床的有效工作时间，达到提高效率、创造经济效益的目的。随着大型机械装备制造行业、汽车、航空、模具工业的发展，加工中心正以其独特的优势成为最重要的生产设备，因此，未来很长一段时间内，研究加工中心及其控制系统都有很强的应用价值。

在目前的机械制造业中，产品逐步向大型化、精密化、个性化、小批量的趋势发展，全球对加工中心的市场需求在持续增强心1。特别是在大型的机械装备制造行业、汽车工业、航空、模具工业等里，加工中心以其强大的加工能力逐渐成为最重要的生产设备类型。所以，在当前及今后一段很长时间里，研究加工中心及其控制系统具有很强的现实意义。

2.加工中心的组成与控制原理研究

加工中心是功能与性能更加完善的数控机床，与普通数控机床的明显区别是具有自动换刀装置，可实现工件的多序加工，广泛适用于加工形状复杂、精度要求高的各类零件。数控是数字控制（NumericalControl，NC）的简称，广义上是指利用数字化信息实行控制，也就是利用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以是各种生产过程⋯3。对于机床的控制就是利用数字化信息对机床轨迹和状态实行控制。数控系统与被控机床本体合称为数控机床，它是典型的融机、电、液、气、光等学科于一体设备，使传统的机械加工实现了自动化操作。

2.1数控机床的结构组成

数控机床的主要部件包括输入输出装置、数控装置、伺服系统、机床PLC、机床本体等其中最核心的部件为数控装置，相当于人的大脑，是数控机床控制中枢，硬件与软件结构复杂；伺服系统为数控机床的执行机构，相当于人的四肢，对机床运动性能起着至关重要的作用，是数控机床精度与速度的主要决定因素；机床本体方面是机床运动载体，当于人的骨胳，对机床的长期稳定运行起关键作用。现代数控系统采用可编程逻辑控制器（PLC）取代了传统的机床电器逻辑控制装置，即继电器控制线路。用PLC控制程序实现数控机床的各种继电器控制逻辑。PLC可位于数控装置之外，称为独立型PLC；也可以与数控装置合为一体，称作内置型PLC。

2.2数控机床的加工原理

数控机床的加工过程是根据被加工零件的图样和工艺要求，编制成以数码表示的程序，输入到机床的数控装置或控制计算机中，以控制工件和工具的相对运动，使之加工出合格零件。承担其重要控制任务的部件就是数控装置，数控装置的工作是在硬件的支持下执行软件的过程。

3.多轴加工中心电气控制系统设计与实现研究

3.1系统结构

加工中心不同与普通数控机床的地方在于可以自动换刀，实现工件的复杂加工，应用广泛。数控机床主要由CNC、I/O单元、伺服系统、PLC、机床本身构成，加工过程主要是根据工件的图样及工艺要求，编成相应的G代码程序或Sinutrain的图形化编程程序，输入给CNC的Prog中，从而达到控制工件和刀具按照给定轨迹运动的目的，得到合格的零件。伺服系统作为CNC与机床的中间环节，是机床工作的动力所在，其中，主轴伺服通过速度进行控制，进给伺服则通过速度和位置进行控制，同时进行的还有检测和反馈装置，通过位置和速度的检测完成闭环和半闭环控制。机床的辅助运动主要由PLC完成。

3.2控制系统选型

本设计在老式立铣基础上进行加工中心的电气控制设计，原系统已不能正常工作，为保证设备可靠性，采用日本FANUC的0i-MF系统作为机床的数控系统，性价比高、系统稳定。

1、CNCCNC作为控制系统的核心单位，相当于人的大脑，内置各类主控电路，完成相应的数据处理，尤其是进行位置控制、主体控制以及系统监控等操作。

2、PMC可编程机床控制器，主要是通过与FANUC搭配使用的LADDERIII软件进行控制程序的编程与在线传输。工作中主要负责机床的各类触发动作进行直接控制，比如急停、点动、手脉单元的倍率控制等。

3、伺服放大器主要实现对电机的驱动，工作时接收发自CNC输出的速度给定值，通过控制转换及功率放大，输出电机工作所需的驱动电源，进而驱动各坐标轴的相关动作。伺服放大器的内部功能主要有：电源模块、控制模块、功率模块三部分，而放大器部分主轴放大器和进给放大器不可以通用。通常各轴位置信号的控制是在CNC中的轴卡上进行，轴卡与主板之间通过扩展卡槽联接。

4、MDI/LCD系统的基本输入/输出装置。

5、I/O模块Input/Output作为一个机床和CNC之间信号的中转站，具有信号处理、信息隔离、放大转换的功能。

6、MCP操作面板作为机床的控制面板，主要实现对机床相关运动以及工作方式的直接式控制操作。此外，对于FANUC系统，标配的CF卡接口、USB接口、RS-232串行口、标准嵌入式以太网接口、手脉接口属于配套附属专用装置。

3.3自动换刀

对于一台有换刀机械手的加工中心，本次采用机械手换刀方式。换刀时，主轴沿Z轴快速上升到换刀位置，定向准停；刀库将根据要的新刀刀号将所要的新刀旋转到固定位置，刀套翻下，由机械手完成换刀操作。自动换刀程序由梯形图设计实现。

4.系统连接调试

一台立式加工中心电气控制的完成需要在CNC、MCP、驱动、电机、检测装置之间实现兼容，所以相互联接之间有特定的要求。机床电源采用三相五线制，380V交流电给伺服变压器，得到的200V交流电供给日式伺服模块。控制变压器取380V交流电，得到单相220V交流电和24V交流电，供给单相交流电机和机床照明。取L+N组合得到220V交流电通过直流稳压电源，得到24V直流电，供给系统、三色灯、I/O单元和直流继电器以及电磁继电阀。此外，在系统连接的过程中，需特别注意的是I/OLink的连接一定要按照JD1A到JD1B的顺序。通电测试前，需要按照电气原理图一步步检查各项电源，所有指标都正常后，方对CNC和驱动装置通电，进行调试。调试时，主要进行全清、汉化、基本参数设置，根据所选电机型号配轴，对PMC进行调试等步骤。若需使机床精度和稳定性更高，则要进行伺服优化。

结语

多轴加工中心是数控机床的先进代表，具有功能多、性能好的显著优点，研究加工中心电气控制系统的设计与调试问题，特别是研究如何提高加工中心的运动控制性能是具有非常重要的工程指导意义。本论文以xH715三轴立式加工中心控制系统的设计为研究载体，对多轴加工中心的结构原理、数控系统选型与配置、自动换刀等功能开发、数控系统连接与调试、控制性能提升等重要问题进行了深入细致的研究与探索。本次对加工中心的数控系统更新改造研究工作，不同于传统的机床新品设计，它是结合原机床的状况拟定设计目标并实施的部分性改造活动，对其中的关键运动、传动部件进行保留修复，对控制部件进行更新，以达到或超过设备原使用性能和加工精度。这种方式降低了资金投入，并可在改造中对一些功能做调整，使其具有更大的灵活性。与发达国家相比，我国数控机床的占有率还有相当差距，对于具有多工艺、高效率特点的加工中心而言，其新机与改造市场都将具有巨大的发展空间。

参考文献：

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