基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)研究

許曉東+雷福祥+王偉+弋曉康+廖結(jié)安

摘要：數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)探討數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研究提高數(shù)控機(jī)床安全可靠性、加工精度及生產(chǎn)率的方法，以期為PLC在數(shù)控機(jī)床中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；PLC；機(jī)電一體化；電氣控制系統(tǒng)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）10-0026-04

數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床，具有典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用是機(jī)床發(fā)展的必然趨勢(shì)，既能提高機(jī)床的自動(dòng)化水平，又能提高機(jī)床的加工精度和可操控性。本課題以數(shù)控銑床為例，探討數(shù)控機(jī)床的電氣控制技術(shù)與設(shè)計(jì)方法。

1 數(shù)控系統(tǒng)概述

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸裝置、數(shù)控系統(tǒng)、PLC可編程邏輯控制器、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)輸入裝置的功能是將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的中樞，它將接到的全部功能指令進(jìn)行解碼、運(yùn)算，然后有序地發(fā)出各種需要的運(yùn)動(dòng)指令和各種機(jī)床功能的控制指令，直至運(yùn)動(dòng)和功能結(jié)束。PLC可編程邏輯控制器是機(jī)床各項(xiàng)功能的邏輯控制中心，它將來(lái)自CNC的各種運(yùn)動(dòng)及功能指令進(jìn)行邏輯排序，使其能夠準(zhǔn)確地、協(xié)調(diào)有序地安全運(yùn)行；同時(shí)將來(lái)自機(jī)床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出進(jìn)一步的控制指令，如此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)床的控制。PLC控制軟件多集成于數(shù)控系統(tǒng)中，而PLC硬件在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受來(lái)自CNC的驅(qū)動(dòng)指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩（功率）調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)

數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)主要是通過(guò)PLC與CNC的集成采取軟件接口實(shí)現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將二者間各種通信信息分別指定固定的存放地址，由系統(tǒng)對(duì)所有地址的信息狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)各接口信號(hào)的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進(jìn)一步的控制命令，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)或功能的控制。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)由CNC計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)和強(qiáng)電柜兩部分組成。CNC 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)控裝置，由CNC系統(tǒng)、輸入/輸出接口、驅(qū)動(dòng)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，是控制系統(tǒng)執(zhí)行加工的核心。強(qiáng)電柜由動(dòng)力電路、控制電路和可編程控制器CNC組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)強(qiáng)電回路

系統(tǒng)強(qiáng)電回路由電源部分、伺服強(qiáng)電、主軸強(qiáng)電、冷卻電機(jī)強(qiáng)電、備用電源組成（如圖2所示）。強(qiáng)電控制是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)，其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸變速、換向、啟動(dòng)或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺(tái)的轉(zhuǎn)位和鎖緊，工件的夾緊或松開(kāi)，切削液的開(kāi)或關(guān)等輔助操作的信號(hào)，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行元件（如電器、液壓、氣動(dòng)和機(jī)械部件等），完成指令所規(guī)定的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中的全部自動(dòng)操作。電源部分按照系統(tǒng)總功率、總電流選擇空氣開(kāi)關(guān)。伺服強(qiáng)電給伺服電源模塊供電，由交流控制回路進(jìn)行控制。主軸強(qiáng)電給主軸電源供電，控制主軸電機(jī)。冷卻電機(jī)強(qiáng)電由PLC進(jìn)行控制。

2.3 系統(tǒng)控制回路

系統(tǒng)控制回路主要由電源回路、交流控制回路、直流控制回路組成。

1） 電源回路（如圖3所示）主要給控制部分提供交流和直流電源，保證系統(tǒng)安全供電。在電源回路中，將強(qiáng)電電源通過(guò)控制變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得控制回路需要的220 V交流電及24 V直流電。如果系統(tǒng)CNC模塊及控制面板開(kāi)機(jī)后不能正常啟動(dòng)，首先排除電源部分是否正常，之后檢查各接口電路。

2） 交流回路（如圖4所示）利用接觸器的得電、失電，從而控制強(qiáng)電回路伺服模塊、主軸電機(jī)等得失電。在交流回路中，要利用PLC編程指令控制中間繼電器得電，進(jìn)一步控制接觸器，所以PLC在其中發(fā)揮核心作用。

交流控制回路中的刀具加緊、主軸冷卻、主軸潤(rùn)滑、Z軸抱閘等控制回路，也是通過(guò)PLC控制信號(hào)進(jìn)行控制的（如圖5所示）。

3） 直流控制回路（如圖6所示）由于中間繼電器一般由24 V電源驅(qū)動(dòng)，其利用PLC信號(hào)控制中間繼電器組，從而控制接觸器動(dòng)作順序。

3 PLC輸入輸出控制系統(tǒng)

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，建造工作量小、維護(hù)方便，體積小、質(zhì)量輕，能耗低等顯著特點(diǎn)，運(yùn)用PLC控制數(shù)控機(jī)床已越來(lái)越成為一種趨勢(shì)。

3.1 數(shù)控機(jī)床PLC控制過(guò)程

首先確定PLC輸入、輸出信號(hào)，確定哪些機(jī)床信號(hào)（如按鈕、行程開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的信號(hào)等）需要輸入給PLC，哪些信號(hào)（如繼電器線圈、指示燈及其他的執(zhí)行電路）需要從PLC輸出給數(shù)控機(jī)床，從而計(jì)算出對(duì)PLC的輸入、輸出線數(shù)目以及IO地址分配。

3.2 PLC輸入輸出信號(hào)

PLC系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)如圖7所示。利用系統(tǒng)輸入輸出IO分配，控制相應(yīng)動(dòng)作。輸入信號(hào)包括刀具換刀、刀具夾緊、氣壓報(bào)警、坐標(biāo)軸回零、坐標(biāo)軸正負(fù)限位信號(hào)、主軸速度到達(dá)信號(hào)、外部運(yùn)行允許信號(hào)等。根據(jù)程序控制輸出信號(hào)，也可以按照控制需要對(duì)程序進(jìn)行修改，改變輸出信號(hào)或IO分配。輸出信號(hào)包括刀具正反轉(zhuǎn)、刀具換刀位、主軸使能、冷卻開(kāi)、伺服使能、伺服強(qiáng)電允許、主軸松緊等，輸出信號(hào)也可以擴(kuò)展。

圖8為華中數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖，圖中反映了輸入、輸出接口連接方式。

4 數(shù)控系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析

為了預(yù)防或避免數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中對(duì)操作人員、機(jī)床本身及加工工件造成傷害或損傷，通常需要對(duì)急停和超程進(jìn)行處理。急停按鈕用于當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)緊急情況時(shí)，需要使數(shù)控機(jī)床立即停止運(yùn)動(dòng)或切斷動(dòng)力裝置（如伺服驅(qū)動(dòng)器等）的主電源。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警信息后，必須按下急停按鈕；待查看報(bào)警信息并排除故障后，再松開(kāi)急停按鈕，使系統(tǒng)復(fù)位并恢復(fù)正常。數(shù)控系機(jī)床的急停和超程保護(hù)硬件控制回路如圖9所示。

如果機(jī)床一直處于急停狀態(tài)，不能復(fù)位，有以下幾個(gè)方面原因：1） 電氣方面的原因，如急停回路斷路、限位開(kāi)關(guān)損壞、急停按鈕損壞等。2） 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，使系統(tǒng)信號(hào)不能正常輸入輸出或復(fù)位條件不能滿足引起的急停故障；PLC軟件未向系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位信息。應(yīng)檢查KA中間繼電器；檢查PLC程序。3） PLC中規(guī)定的系統(tǒng)復(fù)位所需要完成的信息未滿足要求，如伺服動(dòng)力電源準(zhǔn)備好、主軸驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備好等信息。應(yīng)檢查電源模塊；檢查電源模塊接線；檢查伺服動(dòng)力電源空氣開(kāi)關(guān)。4） PLC程序編寫(xiě)錯(cuò)誤。

5 結(jié)語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)采用PLC對(duì)數(shù)控銑床刀具正反轉(zhuǎn)、主軸夾緊、主軸冷卻等進(jìn)行控制，使機(jī)具靈活性和可靠性得到提高。通過(guò)對(duì)PLC數(shù)控機(jī)床在機(jī)械部分和電氣控制系統(tǒng)方面的改造，提高了生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化。

通過(guò)介紹數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)，說(shuō)明PLC在數(shù)控系統(tǒng)中的重要作用。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，PLC邏輯處理功能越來(lái)越完善，CNC數(shù)控模塊必須與PLC控制模塊協(xié)同配合，才能最大限度地發(fā)揮PLC的精確控制能力。

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