PLC 技術在數控機床電氣控制中的應用研究*

何士林

（武昌工學院，湖北 武漢 430065）

在我國產業化快速發展的過程中，機床是汽車、機械生產以及軍工行業的主要工具，在國民經濟體系中占有重要地位。而PLC 作為一種可編程控制裝置，是機床的核心器件之一。PLC 具有抗干擾性，運行可靠，由多個標準模塊構成，可大幅度提高故障維修準確率和維修效率，在數控機床的控制系統中加入PLC技術，從而增加系統的準確性，可以實現對機床的高精度控制，減少人工成本的投入，更加精準、快速地完成任務，提高生產效率和生產安全性，在現代工業生產中具有很強的應用價值，可以進一步推動我國數控機床朝著自動化、智能化的方向發展。

1 PLC技術在數控機床電氣控制中的應用分析

1.1 對PLC的分析

PLC 作為一種可編程裝置，其處理器非常復雜，CPU、電源、儲存器、輸入單元和輸出單元是它的基本單元。其中，CPU 是計算設備的核心組件，用于邏輯運算，相關數據由存儲器儲存到PLC 中。電源是向PLC 設備供電、保證PLC 正確運行的結構部件。外部或內部的信號由輸入單元接收，主要由輸出單元發出相應指令來控制相關的設備。PLC 控制的關鍵是編程語言簡單、操作簡明、可靠性高、抗干擾能力強，在現代化工業運用中的實用性強[1]。將PLC 技術運用于數控機床電氣控制，可以提高機床的準確性、智能性以及自動化水平，同時也可以根據被控對象進行輸入和輸出的調節，實現機床的高精度控制，全面推進工業的智能化和自動化。

1.2 對伺服系統的分析

伺服系統也稱為隨動系統，是指被控量為位移、速度和加速度的反饋控制系統，最初用于國防軍工、航空航天、船舶等領域，但隨著科技的不斷進步和社會的不斷發展，伺服系統也逐漸運用到了國民經濟的許多方面，如數控機床、電動汽車、機器人控制等。其具有快速響應、穩定性好、柔性好、精度高等優點，沒有超調和低速大轉矩，調速范圍寬，可以使我國工業朝智能化、綠色化、高精度方向發展。

1.3 對數控機床的分析

數控機床（全稱為數字控制機床）是一種裝有程序控制系統的自動化機床。它分為四大系統，分別是控制系統、位置檢測系統、伺服系統和計算機系統。數控機床根據計算機的程序編程控制，經過一系列數控運算分析，將編好的數字、文字、符號等程序指令，經過配備好的接口和伺服控制裝備，按要求將要加工的零件自動加工出來。對比傳統機床，數控機床有著更高的精度，可以進行更復雜的加工步驟，加工效率更高，人力投入成本也更少[2]。

2 PLC技術在數控機床電氣控制中的實際應用

2.1 總體結構設計

該設計系統通過多個西門子S7-1200 系列PLC 模塊來實現機床的點到點移動，機床接收到PLC的輸出信號后，通過伺服系統對機床進行控制，以實現自動運行的功能，同時還具有手動加工和自動加工的功能。

整個系統將建立一個模塊化控制系統，通過對按鍵的控制讓機床啟動。整體控制是對機床進行集中控制的同時提高效率，機床上單獨的加工器件也可以單獨成為一個子系統，能夠受到相應的控制并獨立應對突發狀況。同時，機床上的各個器件互相影響，在機床運行的過程中，若一個器件出現緊急狀況需要停止，則機床上所有器件都要停止。PLC 技術在數控機床應用中的總體設計流程如圖1所示。

圖1 總體設計流程圖

手動加工要求：通過數控機床的顯示屏可以觀測到機床上的各種參數，從而確定機床的安全狀況和加工位置的定位。

自動加工要求：通過輸入的程序來對機床進行校驗，調整機床的加工狀態。首先按下啟動按鈕啟動機床上伺服、加工設備的運動指令，然后根據設定好的程序來進行加工，同時也可以在顯示屏上觀測到相對應的加工數據。

主電路圖和系統的整體接線圖分別如圖2、圖3所示，由電網進380 V交流電，先接入隔離開關，控制機床的總電源，在總電源上電后方可操縱數控機床，K1是交流伺服驅動器的開關，K10 是直流驅動器的電源開關，K11 是步進驅動器的電源開關。此外，還應在各支路上安裝熔斷器，以實現對各類元器件的保護。

圖3 系統的整體接線圖

2.2 西門子S7-1200系列PLC控制流程

PLC 控制分為3 個環節，第一個環節是輸入處理。將輸入信息進行掃描采樣，把得到的信息在寄存器中儲存起來，完成采樣后進入下一步的程序處理階段。在采樣結束進入下一次掃描周期前，寄存器中的信息與外界相互隔離，不會發生變化，等到了下一個掃描周期時才能再次被讀寫[2]。第二個環節是程序執行。在程序執行階段，PLC 系統依次掃描信息，先掃描梯形圖中多個觸點控制的控制線路，然后根據程序進行邏輯運算，在內部處理器中刷新線圈以控制相對狀態，最后將運算結果儲存到輸出的寄存器中。第三個環節是輸出處理。輸出階段是所有程序全部執行完畢后，集中將輸出寄存器中的數據全部轉換成實際控制所需要的電壓、電流，使得輸出端能夠對外界發出控制信號，然后通過相對應的外部電路驅動設備，有效驅動被控設備，最后實現PLC 控制[3]，I/O 分配表（部分）如表1 所示。

表1 部分I/O分配表

2.3 PLC控制數控機床的具體實現

在數控機床中，PLC 主要負責控制系統的運行和加工過程。PLC可以對操作者通過人機界面輸入的加工參數進行掃描接收，經過運算處理后，控制數控機床的伺服系統、步進系統或液壓系統等執行機構，通過調節執行機構的控制信號來實現對工件的加工[4]。

在具體實現上，PLC 需要根據數控加工的特點編寫相應的程序，對機床的各個執行工件進行控制。例如，在車削加工過程中，PLC 可以控制刀架的移動和方向，并進行自動切換刀具等操作。在銑削加工過程中，PLC 可以控制銑頭的旋轉角度和速度，從而實現不同形狀的零件加工。PLC 對數控機床的控制也要實現不同的功能，要加入不同的加工操作模塊，如裝備保護模塊、手動加工模塊、自動加工模塊。裝備保護模塊實現對線路的保護和發出警報，包括斷電保護、掉電壓保護、過電流保護等，以保證操作人員的人身安全和財產安全；手動加工模塊實現操作者在加工過程中手動修改各個器件的參數，以提高效率；自動加工模塊可實現在加工過程中由設備自動循環加工。通過這樣的方式，PLC 可以實現高效、準確、穩定的數控機床控制。

2.4 PLC對伺服電機的控制

PLC 控制伺服系統時一般通過編程來實現對脈沖的計數。具體而言，PLC 可以使用計數器模塊或者計時器模塊來記錄伺服系統接收到的脈沖信號次數，從而實現對位置、速度等參數的精確控制。在程序設計中，需要根據伺服系統的規格參數和運動要求確定脈沖數的計算公式，并結合計數器或計時器模塊進行編程來實現。伺服電機相較于普通的電機來說，定位更加精確，通常所說的伺服控制，其實就是對伺服電機的位置控制。伺服電機最主要的應用還是定位控制，定位控制時有兩個物理量需要控制，即速度和位置，確切地說，就是控制伺服電機以多快的速度到達什么地方并準確地停下。伺服驅動器通過接收的脈沖頻率和數量來控制伺服電機運行的距離和速度。設定伺服電機每10 000 個脈沖轉一圈，如果PLC 在1 min內發送10 000個脈沖，那么伺服電機就以1 r/min的速度走完一圈；如果在1 s 內發送10 000 個脈沖，那么伺服電機就以60 r/min 的速度走完一圈。所以，PLC 是通過控制發送的脈沖來控制伺服電機的，用物理方式發送脈沖，使用PLC 的晶體管輸出是最常用的方式。

在自動控制系統中，對伺服系統有如下幾個要求：1）擁有良好的穩定性能；2）擁有良好的動態性能。綜合考慮后，本研究中數控機床的伺服系統應采用半閉環控制，相較于開環伺服系統，半閉環控制系統有位置反饋，能夠在一定程度上保持位置的精準度，而與全閉環控制系統相比，可以降低設計的復雜性。

伺服系統中的電動機軸的角位移是由伺服電機接收到的電信號轉化而來的。然后根據指令來進行對電機的控制，根據轉矩的變化來實現加速、減速、勻速等，并與實際的指令脈沖數相比較，從而準確控制被控對象。

3 PLC技術控制的數控機床的維修和調試

3.1 PLC技術控制的數控機床的維修

PLC 技術在數控機床的維修中占有重要的比例，在數控機床發生故障時，技術維修人員可以對PLC梯形圖中的項目視圖進行直接的觀察，了解PLC 的I/O口狀況，從而確定是軟件問題還是硬件問題。若是硬件故障問題，可以先確定是機床的哪個設備出現了問題，然后根據各個設備的基礎，采取針對性的改進維修措施，從而提高維修效率，降低維修成本[5]。

3.2 PLC技術控制的數控機床的現場調試

PLC 在下載到設備前應先對PLC 程序進行調試，對所編寫的PLC 程序進行編譯，要確保每個功能模塊都達到了0警告、0錯誤的標準。

PLC 安裝完成后，需要進行現場調試，直至驗收完成。根據圖紙設計將軟件控制系統與執行機構連接，在檢測點安裝檢測儀器，通過實際控制，現場觀察設備運行狀況。調試過程中，應仔細參考說明書，核對接線是否正確，是否存在虛接、壓皮、錯接現象，是否出現接點松動、線圈插槽松動等現象，并用萬用表來對線路進行檢測看是否導通，在沒有用到輸入輸出接口時，檢測是否與其他線路短接，然后根據現場實際操作條件和設備操作人員的要求，對程序進行配置和修改，直至系統運行效果良好[6-10]。

4 結論

隨著人工智能和互聯網技術的不斷進步與發展，用PLC技術對數控機床進行控制也會有以下幾種趨勢：

1）智能化。未來的PLC 控制系統將具有更強大的人工智能性，能根據不同的生產要求智能控制機床運行，從而提高生產效率和質量。2）互聯網化。用PLC 技術對數控機床進行控制將與互聯網技術相融合，形成更加智能的產業線，產業線上的設備可以通過互聯網技術進行相互通信，實現生產數據的共享和分析，并實現遠程監控和管理。3）開放性。未來的PLC 控制系統將會越來越開放，能夠適配各種硬件平臺和軟件系統，并具備較高的兼容性和可擴展性。

總之，用PLC 技術對數控機床進行控制具有很強的可行性，可大大降低人工成本和物料成本，有利于我國實現科技興國、科技強國。