數控機床電氣控制系統的PLC設計

文/徐永梅

數控機床是當前工業生產中必備的設備。在傳統的應用中，數控機床的電氣控制系統大都是采用繼電器和接觸器來進行控制的，這種控制的方式線路結構十分復雜，且在其運行的過程中極易發生系統故障，一旦發生故障，要想進行維修，十分困難，而且維修的成本也十分高昂。采用可編程邏輯控制器PLC進行數控機床電氣控制系統的設計，能優化這一問題，不但節省相關企業的各項成本，還能有效提高生產的效率。

1 數控機床概述

數控機床是指用數字化技術加工作業及運動的過程和結果進行控制的加工機床，其主要由五個部分構成，分別是機床主體、動力源、電氣控制單元、檢測傳感部分和伺服系統。數控機床屬于機床本位當中的核心部分，其中數控系統是對數字控制方式應用的有效體現。

基于PLC的數控機床，包括2類：其一為內裝型的PLC，屬于CNC的裝置，可針對數控機床的實現順序控制；其二為獨立于CNC的PLC裝置，無論是軟件或者硬件功能都非常完備，數控機床或者其他順序的控制領域都可得到滿足，所以第二類的應用更加廣泛。

1.1 數控機床電氣控制系統基本結構分析

數控機床電氣控制系統的構成，主要包括機床、指揮控制、輸入+輸出接口當中的驅動裝置，能夠有效地利用數字輸入進行機床的控制。數控機床電氣控制當中的總體布局，主要是應用了相對簡單的立式結構，由X軸和y軸構成，這樣控制起來會更加簡單。通過數字控制，X軸和y軸會通過電機的運作帶動滾珠杠進行螺旋運動，在此基礎上，加入Z軸結構，這樣會使數控機床在高速運轉的狀態下，更精細地進行機械零部件的加工，并提高加工的精度，這樣十分有益于對效率進行提升，使得精度更高。

除了機床主體以外，數控機床還包括動力源、電氣控制單元、檢測傳感部分和伺服系統。這些共同組成了數控機床，其中動力源視為整個數控機床提供動力的；電氣控制單元的功能比較齊全，既要接受相應的數據，進行數據分析，還要生成相應的指令，然后傳遞到下一環節；檢測傳感部分則是對整臺數控機床工作的狀態進行檢測的模塊，查看其工作的狀態是否出現偏差，在檢測的同時，將檢測的結果反饋給上機位控制系統，并由其進行反饋控制或者進行位置的顯示，從而有效控制數控機床的正常運行；伺服系統則是則是進行精細加工的部位。

1.2 數控機床與PLC之間的連接

在數控機床電氣控制系統的PLC設計中，大都分為通用型的PLC和內裝型的PLC兩種。針對PLC以及CNC的相關設計工作，兩者各自獨立。而且PLC具有十分完備的硬件設置與軟件系統，可獨立完成一些規定控制任務。但是，內裝型PLC在設置方面必須根據數控機床控制順序的相關設計，同時結合其制造的特點進行生成作業，屬于CNC的裝置設計，在電腦網絡資源上能夠與CNC裝置結合在一起進行應用，通過計算機網絡傳輸技術，能夠高質量地完成PLC以及CNC系統之間的數據信號的互動交流以及傳遞。針對CNC的功能基本規劃，設計人員可以進行統一的設計并進行統一的優化處理，從而使其結構變得更加科學、更加嚴謹。這樣，便可實現數控機床與PLC系統之間的有效連接，使數控機床的控制系統變得更加完善，從而更好地展現出數控機床的功效。在實操中，數控機床的工作原理如圖1所示。

2 數控機床電氣控制系統PLC設計的優勢

傳統的數控機床，在電氣控制系統方面普遍采用了繼電器與接觸器，以二者的有效結合來實現對機床的控制的，這種電氣控制的方式，在結構上比較復雜，而且很容易發生系統運行故障，一旦發生系統運行故障，檢測維修也十分困難，同時，檢測維修的成本也較高。隨著可編程邏輯控制器——PLC的發展，將其運用到數控機床電控制系統當中，采用PLC設計電氣控制系統的數控機床，在進行加工作業時，一旦需要更改加工的工藝與產品的參數，操作人員不需要停止數控機床，更換相應的元器件，而是在輸入的界面將需要加工產品的工藝程序代碼與參數輸入進去就可以完成更新，使數控機床能夠生產出想要的產品。這樣一來，就節約了大量的時間和人工成本，并提高企業產品加工的效率，從而實現企業經濟效益的最大化，提高企業的市場競爭力。

3 PLC數控機床的電氣控制系統

在數控機床的運用中，為了更好地實現生產的效率，人們往往會忽略精度的加工。隨著社會的發展，生產對于精度的要求越來越高，采用PLC設計數控機床的電氣化控制系統，通過重新規劃數控機床的變頻器、光柵和電機等部分，將其形成一個更加完善的全閉環控制系統，從而有效地監控數控機床的自動化生產加工作業，這樣就能有效地提高相關企業的生產效率，促進其健康地發展。

3.1 數控機床的硬件構造設置

在數控機床的電氣控制系統中，硬件設計是保障整個系統正常運行的基礎和前提。在進行硬件構造的設置時，其上機和下機位的軟件以及機械電路等所有的硬件設置，能促進機床自身的驅動實施，同時還能促進每一個部分彼此之間實現信息的傳遞，可構成相應的保護，從而保證數控機床的電氣控制系統能夠正常地運行。可以說，硬件設置是整個系統的軀干。因此，針對性地提升數控機床的硬件構造，能對數控機床的電氣控制系統構造產生極大的推動作用。數控機床當中的硬件構成主要包括：機械手的設置和斷刀檢測兩個部分，其中機械手的設置通常會存在兩個相對自由的度，能夠實現刀具的加減更換，同時實現機械臂的自由舒展，加上電磁閥開關，能夠控制機械手進行自由伸出和收回的動作，這樣一來，在應用刀具進行相應零部件的加工作業時，可使其變得更加方便，加工的精度也會變得更高，為了對刀具的準確歸位進行保障，盡量避免機械手在運行中出現偏差的情況，可以應用SIMOTION D進行控制，以增強機械手運動時的活塞磁性。在實際的運用中，當機械手運行到系統預設的位置時，SIMOTION D就會感應到相應的開關是否被接通，一旦感應到系統預設情況出現時，就會自主關閉進氣路，這樣一來，機械手就會準確歸位，實現正常的運行，不會出現任何的偏差。

除了機械手的設置以外，在數控機床的硬件設置中，斷刀檢測也是十分重要的環節。在設置這部分的內容時，設計人員可以采用三根合適的連接線，將光纖傳感器恰當地連接在額定電源上，然后利用電阻形成電平輸出。此時，檢驗人員就可以根據光纖中紅外線的輸入輸出數據，檢測并判斷刀具是否存在斷裂的現象，是否出現了失效的情況，一旦判斷刀具出現了問題，應及時進行處理，更換新的刀具，從而保障數控機床的正常運行。

3.2 數控機床的軟件功能設置

筆者在前文已經說過，硬件設計是數控機床電氣控制系統的軀體，而軟件則相當于整體系統的靈魂。因此，僅進行硬件構造的改造是不夠的，還必須根據硬件設置的變化，設計合適的軟件，使軟件的功能能夠滿足硬件設置的運行需求。只有這樣，才能使數控機床的電氣控制系統更加適應其運行的環境。在更新軟件功能時，應分為上機位軟件和下機位軟件，其中上機位軟件是控制整個計算機運行的軟件，而下機位軟件才是在PLC上運行的系統控制軟件，與上機位和PLC 之間實現通信，并能有效地使伺服系統和檢測傳感部分相結合，根據上機位的命令驅動電機進行加工作業，并將監控到的機床工作狀態反饋給上機位，及時發現可優化的部分，并及時進行優化處理。這樣周而復始，不斷循環，能使各項任務更加有條理地進行下去，從而提高相關企業的工作效率，促進其健康、可持續發展。

圖1：機床工作原理圖

4 結束語

綜上所述，隨著可編程邏輯控制器——PLC的發展的廣泛應用，在數控機床的電氣控制系統中進行PLC的設計，能有效提高數控機床的運行效率，并有效降低相關企業的各方面成本。本文就分析了數控機床電氣控制系統的PLC設計，這僅是筆者的一點個人淺見，希望能對相關企業數控機床電器控制系統的改造升級提供參考。