基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)研究

王浩

摘要：隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展也有了非常顯著的提高，機(jī)械不斷取代手工完成了很多人類不容易完成的工作。數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)更好地解決了一些復(fù)雜而又精密零件的生產(chǎn)問題，使用PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。文章分析了數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，探討了基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：PLC；數(shù)控機(jī)床；電氣控制；邏輯處理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG659文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2014）21-0012-02

隨著科技的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的研究也有了新的發(fā)展，可編程邏輯控制器（PLC）取代了傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的機(jī)床控制器都是用繼電器和接觸器來控制的。因?yàn)榧夹g(shù)的不完善導(dǎo)致控制器的線路很多結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，護(hù)理成本高，也很容易發(fā)生故障，所以傳統(tǒng)的繼電器和接觸器對(duì)機(jī)床的控制方案也逐漸被淘汰。采用可編程邏輯控制器的電氣控制系統(tǒng)不需要經(jīng)常地更換零件，想要加工不同的工藝只要修改相關(guān)的參數(shù)和代碼就可以轉(zhuǎn)變工藝，這樣不僅節(jié)約大量的成本，也減少了因?yàn)楦鼡Q零件及工藝所浪費(fèi)的時(shí)間，進(jìn)一步體現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的自動(dòng)化能力。

1數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

1.1數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

用數(shù)字化信息技術(shù)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制的技術(shù)就是數(shù)字控制技術(shù)。數(shù)控機(jī)床就是用數(shù)字控制技術(shù)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡和對(duì)零件的加工過程進(jìn)行控制，是數(shù)字和機(jī)床的運(yùn)作的完美融合。像自動(dòng)洗衣機(jī)、電冰箱等電氣對(duì)數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用有著非常大應(yīng)用，最具有代表性的機(jī)電一體化產(chǎn)品就是數(shù)控機(jī)床，它對(duì)控制編碼和規(guī)定內(nèi)的符號(hào)有很強(qiáng)的邏輯處理能力，與普通的機(jī)床相比更具有現(xiàn)代化機(jī)械加工設(shè)備的先進(jìn)性。數(shù)控機(jī)床所有的機(jī)電一體化產(chǎn)品相同，由以下幾大組成部分：機(jī)床主體、電氣控制單元、執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)部分。

1.1.1機(jī)床主體。數(shù)控機(jī)床的主體是機(jī)床的重要組成部分，它是直接作用在零件上的。主要的作用就是對(duì)零件進(jìn)行加工。

1.1.2電氣控制單元。電氣控制系統(tǒng)是由電源模塊、電機(jī)模塊、運(yùn)動(dòng)控制器（SIMOTION）等部分組成。現(xiàn)階段的數(shù)控機(jī)床的電源模塊有兩種：一種可以將一個(gè)固定的電流轉(zhuǎn)化成預(yù)定電流，并且與運(yùn)動(dòng)控制器能進(jìn)行通信的可調(diào)電流；還有一種是不能轉(zhuǎn)化電流，不能與運(yùn)動(dòng)控制器通信的不可調(diào)電流。電動(dòng)機(jī)模塊有兩種，分別是裝機(jī)裝柜型和書本型。它的作用就是把通過的電流轉(zhuǎn)變成適合電動(dòng)機(jī)使用的交流電。電氣控制單元是數(shù)控機(jī)床的重要指揮中心，而電氣控制系統(tǒng)的主要組成部分就是運(yùn)動(dòng)控制器，它的主要功能就是對(duì)主體工作部分的運(yùn)動(dòng)、邏輯、工藝的控制，它的正常運(yùn)行對(duì)電氣控制系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮著重要的作用。

1.1.3電氣控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。這部分是數(shù)控機(jī)床對(duì)零件加工部分的直接作用者，通過對(duì)電磁閥的控制來完成機(jī)械的各種活動(dòng)，通過對(duì)換刀角度的自由進(jìn)一步提高數(shù)控車床的工作效率；在對(duì)機(jī)床進(jìn)行換刀時(shí)會(huì)改變刀具原有的運(yùn)動(dòng)軌跡；刀具在加工的過程中，會(huì)出現(xiàn)磨損或斷裂的現(xiàn)象，通過光纖傳感器對(duì)刀具進(jìn)行檢測(cè)，保證加工的質(zhì)量。

1.1.4PLC數(shù)控機(jī)床的核心控制部分。數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)的核心部分就是軟件對(duì)程序的分析及使用。工控機(jī)通過對(duì)輸入信息的讀取將正確的信息傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)根據(jù)接收到的信息對(duì)電動(dòng)機(jī)模塊進(jìn)行控制，進(jìn)而對(duì)數(shù)控機(jī)床的工作區(qū)域進(jìn)行控制。同時(shí)，光柵尺檢測(cè)到加工區(qū)域的信息，通過傳感器將信息轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，通過傳感器的檢測(cè)將數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)傳遞給數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)。

1.2數(shù)控機(jī)床的特殊結(jié)構(gòu)

在數(shù)控機(jī)床的加工過程中，由于機(jī)械磨損或是人員操作不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)一些問題。為了預(yù)防在操作過程中對(duì)操作人員和加工零件造成不必要的傷害和損失，就要進(jìn)行緊急停止或者是超程處理。

1.2.1通常情況下，急停按鈕是不會(huì)接通的，它的開關(guān)接觸點(diǎn)處于一種關(guān)閉的狀態(tài)。每當(dāng)按下急停按鈕之后，急停按鈕的接觸點(diǎn)就會(huì)斷開，這個(gè)時(shí)候系統(tǒng)中急停按鈕所控制的回路繼電器就會(huì)斷開，為移動(dòng)裝置提供動(dòng)力的電源隨之被切斷，與此同時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)發(fā)出急停的信息，使設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)，這個(gè)信息也是對(duì)系統(tǒng)的程序進(jìn)行復(fù)位。

1.2.2通常情況下，超程限位的程序是處于松開的狀態(tài)。在操作數(shù)控機(jī)床時(shí)，壓下某條軸的超程限位開關(guān)，其接觸點(diǎn)就會(huì)斷開，使其所在的控制回路中的繼電器斷電，同時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出超程報(bào)警信息。

2基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CPU是可編程邏輯控制器（PLC）的核心內(nèi)容，PLC的主要性能就是對(duì)系統(tǒng)的綜合控制力、依據(jù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)各部分的通信能力和計(jì)算機(jī)技術(shù)所具有的可編程能力的自動(dòng)控制器。PLC具有很廣泛的通用性和對(duì)電氣控制設(shè)備所需要的高度可靠性和抗干擾能力。PLC的工作方式是對(duì)系統(tǒng)程序的循環(huán)掃描，它通過對(duì)樣本的采集輸入，對(duì)程序進(jìn)行分析，最后按照程序輸出一系列控制指令，所以，機(jī)床的輔助電氣的主要控制系統(tǒng)是PLC。

2.1數(shù)控機(jī)床電氣控制的方式選擇

決定數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)成敗的因素就是數(shù)控機(jī)床電氣控制的方式，想要在加工上使機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和加工產(chǎn)品精度達(dá)到更高的層次，就要關(guān)注電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。所以，數(shù)控機(jī)床的性能可以決定產(chǎn)品的精度和速度。對(duì)加工零件的條件進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了解，根據(jù)其特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行程序上的編輯，對(duì)于X軸與Y軸的確定采用的是對(duì)PLC控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)部分、光柵尺等進(jìn)行封閉式的控制方式。這種處理方式，使PLC的文件處理能力、人機(jī)交互能力及對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力得到正常的發(fā)揮。運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)就是穩(wěn)定性與高速性，光柵尺的作用就是對(duì)程序提供作用點(diǎn)的精確信息。同時(shí)，可以通過接入傳感器的方式提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)控制卡的實(shí)用性小，在使用上只能接入不多的幾根軸，而運(yùn)動(dòng)控制器使用不僅能使接入軸的數(shù)目增加，還可以在以后的系統(tǒng)升級(jí)中帶來便利。運(yùn)動(dòng)控制器還有個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)，就是可以執(zhí)行自動(dòng)編輯的功能。

2.2數(shù)控機(jī)床的功能分析

數(shù)控機(jī)床的種類有很多，我們可以簡(jiǎn)單分析一下數(shù)控機(jī)床中的一種機(jī)床，不僅有X、Y軸，還有四個(gè)Z軸，在進(jìn)行工作的時(shí)候可以達(dá)到X、Y、Z軸三軸聯(lián)動(dòng)，軸與軸之間可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，也能分開運(yùn)動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)全閉合環(huán)的控制，可以利用X、Y軸的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行定位，從而提高加工精度。通過對(duì)變頻器的控制，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)主軸電機(jī)的同步控制。運(yùn)用X、Y軸進(jìn)行限位的雙重保護(hù)，再對(duì)Z軸的下側(cè)進(jìn)行限位。為了提高數(shù)控機(jī)床的加工效率，使主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到更高水平，就要對(duì)電機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并配備專業(yè)的冷卻水泵，為機(jī)床提供更好的溫度保護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)換刀的有效性，對(duì)主軸配備了專用的機(jī)械換刀手和刀庫。機(jī)械手對(duì)機(jī)床換刀后，自動(dòng)對(duì)刀具的深度和位置進(jìn)行測(cè)量，提高了加工的質(zhì)量，在檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具有磨損或斷裂的情況，機(jī)床的檢測(cè)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)提示，可以通過系統(tǒng)的指令完成自動(dòng)換刀及手動(dòng)換刀。

3結(jié)論

伴隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床上PLC對(duì)邏輯處理的功能也越來越完善，但其作用還未充分發(fā)揮出來，因此，就需要設(shè)計(jì)一套非常合適和完整的電氣控制系統(tǒng)跟它配合，使其他部分的選型有一個(gè)非常好的兼容性。選型性能對(duì)電氣控制系統(tǒng)是非常重要的，其各個(gè)獨(dú)立選型的性能的兼容性對(duì)各個(gè)部分的正常發(fā)揮也有重要的作用。PLC的應(yīng)用在功能和成本上對(duì)數(shù)控機(jī)床的使用上有著非常大的優(yōu)勢(shì)，我國對(duì)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用和生產(chǎn)已經(jīng)非常廣泛了。由于科技水平還不夠高，我國生產(chǎn)加工技術(shù)和工藝的提高還存在非常多的制約因素。所以，改良電氣控制技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)生產(chǎn)安全、加工精度和生產(chǎn)效率具有重要的意義。

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