基于PLC的數控機床電氣控制

姜丹丹

【摘 要】隨著科技的不斷進步，工業的發展也有了非常顯著的提高，機械不斷取代手工完成了很多人類不容易完成的工作。數控機床的出現更好地解決了一些復雜而又精密零件的生產問題，使用PLC的數控機床電氣控制系統是數控技術發展的必然趨勢。文章分析了數控機床電氣控制系統的基本結構，探討了基于PLC的數控機床電氣控制系統的設計，以供參考。

【關鍵詞】PLC；數控機床；電氣控制；邏輯處理；系統設計

隨著科技的發展，數控機床控制系統的研究也有了新的發展，可編程邏輯控制器（PLC）取代了傳統的數控機床電氣控制系統，傳統的機床控制器都是用繼電器和接觸器來控制的。因為技術的不完善導致控制器的線路很多結構也很復雜，護理成本高，也很容易發生故障，所以傳統的繼電器和接觸器對機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不需要經常地更換零件，想要加工不同的工藝只要修改相關的參數和代碼就可以轉變工藝，這樣不僅節約大量的成本，也減少了因為更換零件及工藝所浪費的時間，進一步體現了數控機床控制系統的自動化能力。

1 數控系統概述

數控機床電氣控制系統由數據傳輸裝置、數控系統、PLC可編程邏輯控制器、主軸驅動系統組成。數據輸入裝置的功能是將指令信息和各種應用數據輸入數控系統。數控系統是數控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結束。PLC可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心，它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使其能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，如此實現對整個機床的控制。PLC控制軟件多集成于數控系統中，而PLC硬件在規模較大的系統中往往采取分布式結構。主軸驅動系統接受來自CNC的驅動指令，經速度與轉矩（功率）調節輸出驅動信號，驅動主電動機轉動。

2數控機床電氣控制系統的基本結構

2.1數控機床基礎結構

用數字化信息技術對設備系統進行有效地控制的技術就是數字控制技術。數控機床就是用數字控制技術對機床的運動軌跡和對零件的加工過程進行控制，是數字和機床的運作的完美融合。像自動洗衣機、電冰箱等電氣對數字控制技術的應用有著非常大應用，最具有代表性的機電一體化產品就是數控機床，它對控制編碼和規定內的符號有很強的邏輯處理能力，與普通的機床相比更具有現代化機械加工設備的先進性。數控機床所有的機電一體化產品相同，由以下幾大組成部分：機床主體、電氣控制單元、執行系統、數據控制系統部分。

2.1.1機床主體。數控機床的主體是機床的重要組成部分，它是直接作用在零件上的。主要的作用就是對零件進行加工。

2.1.2電氣控制單元。電氣控制系統是由電源模塊、電機模塊、運動控制器（SIMOTION）等部分組成。現階段的數控機床的電源模塊有兩種：一種可以將一個固定的電流轉化成預定電流，并且與運動控制器能進行通信的可調電流；還有一種是不能轉化電流，不能與運動控制器通信的不可調電流。電動機模塊有兩種，分別是裝機柜型和書本型。它的作用就是把通過的電流轉變成適合電動機使用的交流電。電氣控制單元是數控機床的重要指揮中心，而電氣控制系統的主要組成部分就是運動控制器，它的主要功能就是對主體工作部分的運動、邏輯、工藝的控制，它的正常運行對電氣控制系統的正常運轉發揮著重要的作用。

2.1.3電氣控制系統的執行部分。這部分是數控機床對零件加工部分的直接作用者，通過對電磁閥的控制來完成機械的各種活動，通過對換刀角度的自由進一步提高數控車床的工作效率；在對機床進行換刀時會改變刀具原有的運動軌跡；刀具在加工的過程中，會出現磨損或斷裂的現象，通過光纖傳感器對刀具進行檢測，保證加工的質量。

2.1.4PLC數控機床的核心控制部分。數控機床的控制系統的核心部分就是軟件對程序的分析及使用。工控機通過對輸入信息的讀取將正確的信息傳遞給運動控制器，運動控制器會根據接收到的信息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。同時，光柵尺檢測到加工區域的信息，通過傳感器將信息轉化成標準信號傳遞給運動控制器，通過傳感器的檢測將數控機床的工作狀態傳遞給數控機床的電氣控制系統。

2.2數控機床的特殊結構

在數控機床的加工過程中，由于機械磨損或是人員操作不當可能會引發一些問題。為了預防在操作過程中對操作人員和加工零件造成不必要的傷害和損失，就要進行緊急停止或者是超程處理。

2.2.1通常情況下，急停按鈕是不會接通的，它的開關接觸點處于一種關閉的狀態。每當按下急停按鈕之后，急停按鈕的接觸點就會斷開，這個時候系統中急停按鈕所控制的回路繼電器就會斷開，為移動裝置提供動力的電源隨之被切斷，與此同時，控制系統對系統發出急停的信息，使設備處于停止狀態，這個信息也是對系統的程序進行復位。

2.2.2通常情況下，超程限位的程序是處于松開的狀態。在操作數控機床時，壓下某條軸的超程限位開關，其接觸點就會斷開，使其所在的控制回路中的繼電器斷電，同時向系統發出超程報警信息。

3基于PLC的數控機床電氣控制系統的設計

CPU是可編程邏輯控制器（PLC）的核心內容，PLC的主要性能就是對系統的綜合控制力、依據網絡對各部分的通信能力和計算機技術所具有的可編程能力的自動控制器。PLC具有很廣泛的通用性和對電氣控制設備所需要的高度可靠性和抗干擾能力。PLC的工作方式是對系統程序的循環掃描，它通過對樣本的采集輸入，對程序進行分析，最后按照程序輸出一系列控制指令，所以，機床的輔助電氣的主要控制系統是PLC。

3.1數控機床電氣控制的方式選擇

決定數控機床系統成敗的因素就是數控機床電氣控制的方式，想要在加工上使機床的運轉速度和加工產品精度達到更高的層次，就要關注電氣控制系統的優劣。所以，數控機床的性能可以決定產品的精度和速度。對加工零件的條件進行分析，對系統的功能進行了解，根據其特點對其進行程序上的編輯，對于X軸與Y軸的確定采用的是對PLC控制系統、運動系統、電機部分、光柵尺等進行封閉式的控制方式。這種處理方式，使PLC的文件處理能力、人機交互能力及對數據的處理能力得到正常的發揮。運動控制器的優點就是穩定性與高速性，光柵尺的作用就是對程序提供作用點的精確信息。同時，可以通過接入傳感器的方式提高系統的可靠性和穩定性。傳統控制卡的實用性小，在使用上只能接入不多的幾根軸，而運動控制器使用不僅能使接入軸的數目增加，還可以在以后的系統升級中帶來便利。運動控制器還有個更大的優點，就是可以執行自動編輯的功能。

3.2數控機床的功能分析

數控機床的種類有很多，我們可以簡單分析一下數控機床中的一種機床，不僅有X、Y軸，還有四個Z軸，在進行工作的時候可以達到X、Y、Z軸三軸聯動，軸與軸之間可以同時運動，也能分開運動。

為了實現對全閉合環的控制，可以利用X、Y軸的運動軌跡對工作臺進行定位，從而提高加工精度。通過對變頻器的控制，以此實現對四個主軸電機的同步控制。運用X、Y軸進行限位的雙重保護，再對Z軸的下側進行限位。為了提高數控機床的加工效率，使主軸的轉速達到更高水平，就要對電機溫度進行實時監測并配備專業的冷卻水泵，為機床提供更好的溫度保護。為了實現自動、手動換刀的有效性，對主軸配備了專用的機械換刀手和刀庫。機械手對機床換刀后，自動對刀具的深度和位置進行測量，提高了加工的質量，在檢測時發現刀具有磨損或斷裂的情況，機床的檢測系統就會出現提示，可以通過系統的指令完成自動換刀及手動換刀。

4結語

數控機床的不斷發展在一定程度上促進了電器控制系統的完善，但是實際運用到數控技術當中的技能趨勢少之又少的，基于此種現象，我們要及時的制定出一套完整的合理的電氣控制系統來與PLC進行配合，因為一套完整的電氣控制系統和選型之間的性能是非常重要的，如果操作不當或者是型號不匹配的話，很有可能會出現電動機的溫度過高，低速鳴叫等問題。再加上數控機床電氣控制系統的靈活性和穩定可靠性都較差，所以本文提出了基于PLC的數控機床電氣控制系統，這一系統可以對數控機床當中的零部件以及相關的加工工藝進行實時的監控，通過測試后發現，這一系統可以很好的達到預期的控制需求，更重要的是讓數控機床自身的靈活性和穩定性都得到了很大的提升，通過對PLC數控機床在電氣控制系統的深加工，進一步實現了數控機床的自動化，在數控機床的應用方面取得了一定的成就。

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（作者單位：山東圣翰財貿職業學院）