基于PLC的數控機床電氣控制系統研究

李春敏

（天津渤海職業技術學院，天津 300402）

基于PLC的數控機床電氣控制系統研究

李春敏

（天津渤海職業技術學院，天津 300402）

隨著社會的發展，工業控制系統也逐漸實現智能化。本文對PLC自動控制系統進行分析，并且對基于PLC的數控機床控制系統設計問題進行探討，旨在提高機床生產安全性和穩定性。

PLC；數控機床；電氣控制系統

1 PLC自動控制系統概述

PLC在數控機床中的應用，極大提高了機床工作效率，傳統機床電氣控制系統采用繼電器與接觸器，內部控制系統結構復雜，故障率較高，與傳統機床控制系統相比，PLC電氣控制系統不需要經常更換零件，只需要對系統的參數進行更改，就可以對多種工藝形式的零件進行加工，不僅節約了成本，也提高了生產效率，降低零件生產過程中的時間消耗，體現出數控機床控制系統的生產優勢。

2 數控機床電氣控制系統的基本結構

數控機床可以實現對控制編碼和規定內的所有符號進行邏輯處理，與傳統的機床相比較可以發現，數控機床屬于機電一體化產品，主要包括以下四個基礎部分。

2.1 數控機床基礎結構

2.1.1 機床主體。機床是生產元件的主要部件，直接作用在零件上，對零件進行加工，使各種原材料被加工成預先設計的元件形式。

2.1.2 電氣控制單元。電氣控制系統是對機床進行控制的部分，其中包括電源、電機、運動控制器三個主要部分以及其他的輔助部分，電源是為整個機床提供電能的設備，電源的供給方式主要有兩種：一種是將一種固定電流轉化成為預定電流的電流設備，轉化而來的是一種可調節電流，可以和運動控制器保持通信；另一種則是不能轉化的電流，不能與運動控制器保持通信。電機的主要作用是將電流轉換成數控機床電動機可以使用的交流電。電氣控制單元是數控機床的重要指揮中心，運動控制器是電氣控制系統的主要部分，其主要功能是對機床主體進行邏輯控制，從而對數控機床的各項工作進行協調，電氣控制系統正常運轉的前提是運動控制器正常運轉。

2.1.3 電氣控制系統的執行部分。這部分主要實現對零件加工過程進行控制，通過電池閥可以對各種原材料的加工活動進行控制，如可以通過調節參數，對刀具的角度進行變化，從而提高零件的生產效率。再比如，還可以實現對刀具的磨損情況的檢測，確保刀具始終保持最佳狀態，提高加工質量。

2.1.4 PLC。PLC是數控機床的核心控制部分，與傳統機床最大的區別就是數控機床加載PLC自動控制系統，PLC可以實現對程序的分析和使用，在數控機床工作過程中，工控機可以將用戶輸入的信息傳遞給運動控制器，運動控制器接收到信息之后對電動機模塊進行控制，進而對數控機床的工作區域進行控制［1］。同時，傳感器會對數控機床在工作中的狀態、參數等進行檢測，將檢測到的各種參數轉換為數據信息傳遞給PLC電氣控制系統，從而實現對數控機床的有效控制。

2.2 數控機床的特殊結構

在數控機床運行過程中，往往會出現一些突發狀況，如由于機械磨損或者人員操作不當導致的問題。為了預防各種人為操作不當帶來的問題，在數控機床控制系統的設計過程中還設計了特殊結構。第一，緊急按鈕。緊急按鈕主要用于出現突發狀況，從而確保技術人員能夠了解緊急狀況。通常情況下緊急按鈕是不會接通的，當緊急按鈕被按下的時候急停按鈕的接觸點就會斷開，從而使數控機床電氣控制系統中的急停按鈕所控制的回路繼電器斷開，電源也會被切斷，確保安全。當緊急按鈕被按下的同時，還會有報警信號傳給控制系統，控制系統接受信號之后會立即發出讓系統中的各個設備都停止工作的指令，在發出指令的同時，系統的程序也會復位。第二，超程限位。當機床工作正常的時候，其超程限位程序始終都是保持斷開狀態的，當按下某一個超程限位開關時，開關的接觸點就會斷開，從而使繼電器斷電，然后會發出報警信息，控制系統會再對報警的信息進行相應處理，確保故障可以得到及時解除。

3 基于PLC的數控機床電氣控制系統

PLC數控機床電氣控制系統是一個全閉環系統，其中包括電動機、變頻器、光柵尺等幾個部分，PLC電氣控制系統是其中核心的部分，其最大的優點是控制精度高、控制及時。

3.1 PLC電氣控制系統組成

PLC電氣控制系統包括工控機、電源模塊、電動機模塊、傳感器、變頻器、光柵尺等部分，下面就各組成部分進行分別敘述。

3.1.1 電源模塊。電源模塊是對電流形式進行轉換的部分，首先通過變頻器可以將一定頻率的交流電變成直流電，然后再通過逆變器將直流電變成數控機床可以使用的交流電。電源模塊又分為兩種，一種是可調電源模塊，一種是不可調電源模塊。可調電源模塊是根據系統參數設置，將轉化出來的直流電穩定為一個預定的可以變化的數值，并且可以實現和運動控制器通信。

3.1.2 運動控制器。運動控制器是整個系統中的核心部分，其運行速度和可靠性對整個電氣控制系統的工作效率產生重要影響，主要包括運動控制、邏輯控制、工藝控制三個功能。

3.2 電氣控制系統硬件部分

3.2.1 自動換刀。自動換刀是數控機床的一個功能，可以實現機械自動控制換刀，減少傳統人工換刀的時間成本。機械換刀有兩個自由度，可以提高數控機床的工作效率，通過控制電磁閥的開關可以實現伸展機械臂和刀具夾緊功能，從而完成換刀過程中的四個主要動作，分別是機械手伸展、機械手收回、機械手夾緊、機械手松開，通過這四個動作可以自動完成換刀操作。

3.2.2 斷刀檢測。在數控機床運行過程中很容易出現斷刀故障，發現之后應停止機械工作，以防帶來嚴重安全問題。斷刀檢測的核心是一個OC門的光線傳感器，OC門的3根接入線直接接到24V電源上，信號線與24V電阻之間可以構成一個電平輸出。傳感器要及時對刀具進行檢查，看是否出現了磨損或者斷裂，并且將刀具的情況傳給電氣控制系統，如果刀具出現磨損，控制中心要發出指令，暫停機床工作，并且進行自動換刀，然后再通知復位，繼續進行零件加工。

3.2.3 深度檢測。在零件加工過程中，刀具的深度檢測也是控制零件加工的重要過程，由于換刀時主軸夾緊的位置是由機械手或者人工將刀具插入的深度決定的，深度是否滿足加工生產要求，對零件加工有很大影響。因此，必須要對刀具的深度進行檢測，如果深度檢測不合理，則要重新調整刀具的深度。

3.3 數控機床電氣控制的方式

PLC數控機床的電氣控制方式是影響數控機床加工生產水平的關鍵因素，因此，在PLC數控機床研究過程中，必須要對電氣控制方式進行分析［2］。軟件設計是PLC數控機床的核心部分，軟件設計也是硬件結構的核心，在運動控制器中運行的軟件是下位機軟件，當上位機接收到相應的數據，并且對具體的加工工作進行控制的時候，運動控制器還要完成機床狀態的檢測。運動控制器的內部程序是由操作系統調用的，工控機將文件信息讀取之后會直接傳輸給運動控制器，運動控制器接收到數據之后就會對電動機模塊進行控制，從而驅動電動機，帶動工作臺進行相應操作。與此同時，光柵尺對工作臺的工作信息進行檢測，再將其傳遞給運動控制器，從而實現對工作臺位置的調整。在系統中，光柵尺的模擬信號不能被運動控制器讀取，必須要將其轉化為標準的數字信號，才能被運動控制器讀取，從而實現對整個過程的全面控制。

4 結語

隨著信息技術不斷發展，PLC控制系統的應用越來越廣泛，基于PLC的數控機床電氣控制系統極大地提高了機床的工作效率，并且可以實現對對機床加工的自動化控制，未來還要不斷完善PLC電氣控制系統，不斷提高數控機床控制能力。

［1］王玲.基于PLC的數控機床電氣控制系統研究［J］.新技術新工藝，2013（12）：125-127.

［2］折建國.數控機床基于PLC的電氣控制系統研究［J］.工業b，2016（6）：00174.

Research on Electrical Control System of NC Machine Tool Based on PLC

Li Chunmin
（Tianjin Bohai Vocational Technical College，Tianjin 300402）

With the development of the society,the industrial control system is also gradually intelligent.In this pa?per,the PLC automatic control system is analyzed,and based on the PLC CNC machine control system design prob?lems are discussed in order to improve the safety and stability of machine tool production.

PLC；CNC machine tools；electrical control system

TG659

A

1003-5168（2017）08-0066-02

2017-07-03

李春敏（1988-），女，碩士，助教，研究方向：電氣自動化。