基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)研究

李春敏

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)研究

李春敏

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)也逐漸實(shí)現(xiàn)智能化。本文對(duì)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并且對(duì)基于PLC的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行探討，旨在提高機(jī)床生產(chǎn)安全性和穩(wěn)定性。

PLC；數(shù)控機(jī)床；電氣控制系統(tǒng)

1 PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，極大提高了機(jī)床工作效率，傳統(tǒng)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)采用繼電器與接觸器，內(nèi)部控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，與傳統(tǒng)機(jī)床控制系統(tǒng)相比，PLC電氣控制系統(tǒng)不需要經(jīng)常更換零件，只需要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行更改，就可以對(duì)多種工藝形式的零件進(jìn)行加工，不僅節(jié)約了成本，也提高了生產(chǎn)效率，降低零件生產(chǎn)過(guò)程中的時(shí)間消耗，體現(xiàn)出數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

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

數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制編碼和規(guī)定內(nèi)的所有符號(hào)進(jìn)行邏輯處理，與傳統(tǒng)的機(jī)床相比較可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)控機(jī)床屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品，主要包括以下四個(gè)基礎(chǔ)部分。

2.1 數(shù)控機(jī)床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

2.1.1 機(jī)床主體。機(jī)床是生產(chǎn)元件的主要部件，直接作用在零件上，對(duì)零件進(jìn)行加工，使各種原材料被加工成預(yù)先設(shè)計(jì)的元件形式。

2.1.2 電氣控制單元。電氣控制系統(tǒng)是對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制的部分，其中包括電源、電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器三個(gè)主要部分以及其他的輔助部分，電源是為整個(gè)機(jī)床提供電能的設(shè)備，電源的供給方式主要有兩種：一種是將一種固定電流轉(zhuǎn)化成為預(yù)定電流的電流設(shè)備，轉(zhuǎn)化而來(lái)的是一種可調(diào)節(jié)電流，可以和運(yùn)動(dòng)控制器保持通信；另一種則是不能轉(zhuǎn)化的電流，不能與運(yùn)動(dòng)控制器保持通信。電機(jī)的主要作用是將電流轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床電動(dòng)機(jī)可以使用的交流電。電氣控制單元是數(shù)控機(jī)床的重要指揮中心，運(yùn)動(dòng)控制器是電氣控制系統(tǒng)的主要部分，其主要功能是對(duì)機(jī)床主體進(jìn)行邏輯控制，從而對(duì)數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，電氣控制系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提是運(yùn)動(dòng)控制器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.3 電氣控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。這部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)零件加工過(guò)程進(jìn)行控制，通過(guò)電池閥可以對(duì)各種原材料的加工活動(dòng)進(jìn)行控制，如可以通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)刀具的角度進(jìn)行變化，從而提高零件的生產(chǎn)效率。再比如，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的磨損情況的檢測(cè)，確保刀具始終保持最佳狀態(tài)，提高加工質(zhì)量。

2.1.4 PLC。PLC是數(shù)控機(jī)床的核心控制部分，與傳統(tǒng)機(jī)床最大的區(qū)別就是數(shù)控機(jī)床加載PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的分析和使用，在數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中，工控機(jī)可以將用戶輸入的信息傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器接收到信息之后對(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［1］。同時(shí)，傳感器會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床在工作中的狀態(tài)、參數(shù)等進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息傳遞給PLC電氣控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的有效控制。

2.2 數(shù)控機(jī)床的特殊結(jié)構(gòu)

在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)一些突發(fā)狀況，如由于機(jī)械磨損或者人員操作不當(dāng)導(dǎo)致的問(wèn)題。為了預(yù)防各種人為操作不當(dāng)帶來(lái)的問(wèn)題，在數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中還設(shè)計(jì)了特殊結(jié)構(gòu)。第一，緊急按鈕。緊急按鈕主要用于出現(xiàn)突發(fā)狀況，從而確保技術(shù)人員能夠了解緊急狀況。通常情況下緊急按鈕是不會(huì)接通的，當(dāng)緊急按鈕被按下的時(shí)候急停按鈕的接觸點(diǎn)就會(huì)斷開(kāi)，從而使數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的急停按鈕所控制的回路繼電器斷開(kāi)，電源也會(huì)被切斷，確保安全。當(dāng)緊急按鈕被按下的同時(shí)，還會(huì)有報(bào)警信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接受信號(hào)之后會(huì)立即發(fā)出讓系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備都停止工作的指令，在發(fā)出指令的同時(shí)，系統(tǒng)的程序也會(huì)復(fù)位。第二，超程限位。當(dāng)機(jī)床工作正常的時(shí)候，其超程限位程序始終都是保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)的，當(dāng)按下某一個(gè)超程限位開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)的接觸點(diǎn)就會(huì)斷開(kāi)，從而使繼電器斷電，然后會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，控制系統(tǒng)會(huì)再對(duì)報(bào)警的信息進(jìn)行相應(yīng)處理，確保故障可以得到及時(shí)解除。

3 基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

PLC數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)是一個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)，其中包括電動(dòng)機(jī)、變頻器、光柵尺等幾個(gè)部分，PLC電氣控制系統(tǒng)是其中核心的部分，其最大的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高、控制及時(shí)。

3.1 PLC電氣控制系統(tǒng)組成

PLC電氣控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、電源模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、傳感器、變頻器、光柵尺等部分，下面就各組成部分進(jìn)行分別敘述。

3.1.1 電源模塊。電源模塊是對(duì)電流形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的部分，首先通過(guò)變頻器可以將一定頻率的交流電變成直流電，然后再通過(guò)逆變器將直流電變成數(shù)控機(jī)床可以使用的交流電。電源模塊又分為兩種，一種是可調(diào)電源模塊，一種是不可調(diào)電源模塊?？烧{(diào)電源模塊是根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，將轉(zhuǎn)化出來(lái)的直流電穩(wěn)定為一個(gè)預(yù)定的可以變化的數(shù)值，并且可以實(shí)現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)控制器通信。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，其運(yùn)行速度和可靠性對(duì)整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的工作效率產(chǎn)生重要影響，主要包括運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制、工藝控制三個(gè)功能。

3.2 電氣控制系統(tǒng)硬件部分

3.2.1 自動(dòng)換刀。自動(dòng)換刀是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)功能，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)控制換刀，減少傳統(tǒng)人工換刀的時(shí)間成本。機(jī)械換刀有兩個(gè)自由度，可以提高數(shù)控機(jī)床的工作效率，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)伸展機(jī)械臂和刀具夾緊功能，從而完成換刀過(guò)程中的四個(gè)主要?jiǎng)幼?，分別是機(jī)械手伸展、機(jī)械手收回、機(jī)械手夾緊、機(jī)械手松開(kāi)，通過(guò)這四個(gè)動(dòng)作可以自動(dòng)完成換刀操作。

3.2.2 斷刀檢測(cè)。在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中很容易出現(xiàn)斷刀故障，發(fā)現(xiàn)之后應(yīng)停止機(jī)械工作，以防帶來(lái)嚴(yán)重安全問(wèn)題。斷刀檢測(cè)的核心是一個(gè)OC門(mén)的光線傳感器，OC門(mén)的3根接入線直接接到24V電源上，信號(hào)線與24V電阻之間可以構(gòu)成一個(gè)電平輸出。傳感器要及時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行檢查，看是否出現(xiàn)了磨損或者斷裂，并且將刀具的情況傳給電氣控制系統(tǒng)，如果刀具出現(xiàn)磨損，控制中心要發(fā)出指令，暫停機(jī)床工作，并且進(jìn)行自動(dòng)換刀，然后再通知復(fù)位，繼續(xù)進(jìn)行零件加工。

3.2.3 深度檢測(cè)。在零件加工過(guò)程中，刀具的深度檢測(cè)也是控制零件加工的重要過(guò)程，由于換刀時(shí)主軸夾緊的位置是由機(jī)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(chǎn)要求，對(duì)零件加工有很大影響。因此，必須要對(duì)刀具的深度進(jìn)行檢測(cè)，如果深度檢測(cè)不合理，則要重新調(diào)整刀具的深度。

3.3 數(shù)控機(jī)床電氣控制的方式

PLC數(shù)控機(jī)床的電氣控制方式是影響數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)水平的關(guān)鍵因素，因此，在PLC數(shù)控機(jī)床研究過(guò)程中，必須要對(duì)電氣控制方式進(jìn)行分析［2］。軟件設(shè)計(jì)是PLC數(shù)控機(jī)床的核心部分，軟件設(shè)計(jì)也是硬件結(jié)構(gòu)的核心，在運(yùn)動(dòng)控制器中運(yùn)行的軟件是下位機(jī)軟件，當(dāng)上位機(jī)接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且對(duì)具體的加工工作進(jìn)行控制的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)控制器還要完成機(jī)床狀態(tài)的檢測(cè)。運(yùn)動(dòng)控制器的內(nèi)部程序是由操作系統(tǒng)調(diào)用的，工控機(jī)將文件信息讀取之后會(huì)直接傳輸給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器接收到數(shù)據(jù)之后就會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)模塊進(jìn)行控制，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)操作。與此同時(shí)，光柵尺對(duì)工作臺(tái)的工作信息進(jìn)行檢測(cè)，再將其傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)位置的調(diào)整。在系統(tǒng)中，光柵尺的模擬信號(hào)不能被運(yùn)動(dòng)控制器讀取，必須要將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，才能被運(yùn)動(dòng)控制器讀取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)過(guò)程的全面控制。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)極大地提高了機(jī)床的工作效率，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)機(jī)床加工的自動(dòng)化控制，未來(lái)還要不斷完善PLC電氣控制系統(tǒng)，不斷提高數(shù)控機(jī)床控制能力。

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

［2］折建國(guó).數(shù)控機(jī)床基于PLC的電氣控制系統(tǒng)研究［J］.工業(yè)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(dòng)化。