基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：文章主要對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行研究，并剖析了它的工作原理，以其系統(tǒng)功能、控制原理以及主要硬件三個(gè)部分為切入點(diǎn)進(jìn)行闡述，同時(shí)還對(duì)控制軟件這一塊進(jìn)行了敘述，然后基于以上模塊，設(shè)計(jì)一套基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：PLC；數(shù)控機(jī)床；電氣控制；設(shè)計(jì)

1 前言

現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了制造業(yè)的再次復(fù)蘇，數(shù)控機(jī)床對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化來講不可或缺，因此其對(duì)于機(jī)械行業(yè)的重要性不言而喻。近年來市場(chǎng)對(duì)于工件精密度的要求不斷提高，相應(yīng)的對(duì)其加工設(shè)備也就是數(shù)控機(jī)床而言，也是提出了一定的要求。在整個(gè)數(shù)控機(jī)床內(nèi)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能就是控制各個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)，除此之外，還控制著機(jī)床主軸的啟停和轉(zhuǎn)向，當(dāng)然，還有對(duì)進(jìn)給量的把控，更進(jìn)一步來講，還有進(jìn)行換刀和夾具定位等，而這些操作沒有很高的精確度是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助下，可編程邏輯控制器（以下統(tǒng)稱為PLC）技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)全新的階段，數(shù)控機(jī)床的作用就是能夠自動(dòng)的完成一些加工動(dòng)作，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)自動(dòng)化的核心就是PLC系統(tǒng)。本課題就是以PLC控制技術(shù)為中心進(jìn)行研討的，旨在達(dá)成以PLC為基礎(chǔ)而展開的電氣控制方面的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于介紹數(shù)控機(jī)床的工作原理，并且對(duì)電氣控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，最后總結(jié)一套以PLC為基礎(chǔ)的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2 數(shù)控機(jī)床工作原理概述

數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)不僅包含軟件，還有一部分硬件成分，其中最為關(guān)鍵的就是機(jī)械裝置、電氣電路還有上位機(jī)與下位機(jī)的軟件，對(duì)于一個(gè)數(shù)控機(jī)床而言，它的控制系統(tǒng)就是整個(gè)設(shè)備的中樞神經(jīng)，在工作原理上，以數(shù)字控制的形式發(fā)出指令，讓設(shè)備的執(zhí)行部分從而開始工作。

由PLC的定義可以看出，邏輯分析部分是一定不可或缺的，當(dāng)然，作為一套完整的系統(tǒng)就一定會(huì)有輸入與輸出部分。接下來對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行分析，輸入部分就是采集一些實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)，參數(shù)來源就是需要被控制的部分，此外，輸入部分還必須要有信息存儲(chǔ)功能；邏輯分析部分主要充當(dāng)大腦的作用，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而且還要判定由哪個(gè)部分進(jìn)行執(zhí)行；輸出部分的動(dòng)作就比較單一，即將處理后的信息發(fā)送到相關(guān)執(zhí)行裝置，由執(zhí)行裝置做出設(shè)定的行為動(dòng)作。

3 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

接下來將會(huì)以硬件與軟件的角度，對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行剖析。

（1）控制系統(tǒng)硬件部分

上位機(jī)：在這個(gè)系統(tǒng)中工控機(jī)就是上位機(jī)，工作人員在人機(jī)交互界面進(jìn)行操作，操作內(nèi)容就是將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)的加工流程之中，并使其進(jìn)行讀取，界面的人性化設(shè)計(jì)支持人工修改加工參數(shù)，這些改動(dòng)將快速被處理系統(tǒng)識(shí)別，然后根據(jù)相關(guān)行業(yè)協(xié)議，把這部分參數(shù)數(shù)據(jù)輸入運(yùn)動(dòng)控制器，繼而實(shí)現(xiàn)原定的操作動(dòng)作。

SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器：如果說控制系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的大腦，那么SIMOTION就是整個(gè)控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，有鑒于此，SIMOTION具有良好的穩(wěn)定性，整個(gè)系統(tǒng)也就能夠平穩(wěn)的運(yùn)行。對(duì)于研究對(duì)象所配置的SIMOTION來源于德國西門子公司，它的組成部分為PLC5300和運(yùn)動(dòng)控制器。在控制方面它具有PLC一貫具有的穩(wěn)定性，不僅如此，其還兼具運(yùn)動(dòng)控制方面的靈活性。

電源模塊：電源模塊運(yùn)用變換頻率的形式，實(shí)現(xiàn)常用交流電向直流電的轉(zhuǎn)換，之后使用一種稱之為逆變器的元件，再將直流電變成工程所需的特定頻率的交流電。借助電源模塊SIMOTION控制系統(tǒng)將工業(yè)供電變成直流，再輸送至各個(gè)電機(jī)模塊。電源模塊進(jìn)行細(xì)分還有兩類，其一是可調(diào)電源模塊，之所以稱之為可調(diào)，是因?yàn)槠淇梢园匆髮⑥D(zhuǎn)換過的直流電控制在特定范圍，并能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)使其在該范圍內(nèi)線性變化；與之對(duì)應(yīng)的是一種不可調(diào)電源塊，其只可控制固定電壓的直流電，不過這種電源塊有其獨(dú)特的應(yīng)用領(lǐng)域。

電機(jī)模塊：這部分實(shí)現(xiàn)的作用就是將六百伏的直流電，通過轉(zhuǎn)換變成特定頻率的三相交流電，然后將能源供給電機(jī)使用。

光柵尺：電機(jī)自身裝配有編譯工具，然而這種編碼器有一定的精度限制，基本上控制在十微米，不過這還是不能滿足我們五微米的要求。基于此種考慮，需要使用光柵尺定位工作臺(tái)，之后把測(cè)得的位置傳遞給控制器。

主軸：數(shù)控機(jī)床的主軸由于要求較多，因此經(jīng)過比較選定了西風(fēng)公司的產(chǎn)品。它的型號(hào)為PCB鉆孔主軸，這種主軸不但精度極高，而且十分穩(wěn)定，同時(shí)能夠工作很長(zhǎng)時(shí)間具有較高的壽命。它的冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)良，循環(huán)的工質(zhì)為干凈的水，在裝夾上使用啟動(dòng)夾緊道具，這種方法極其穩(wěn)定，效果優(yōu)良。

變頻器

眾所周知，作為主軸經(jīng)常需要進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，故而必須要保證精密性，這就必然要使用到一種高速變頻器。就功能上來看，常用的V系列變頻器是可以實(shí)現(xiàn)的。然而，由于不能匹配串行接口，將導(dǎo)致信息流通不順暢，為了解決這個(gè)問題，研究人員嘗試使用模擬量進(jìn)行控制，成效斐然。

4 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)的固有特性就決定了數(shù)控機(jī)床的工作能力，換句話說，電氣控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能起著至關(guān)重要的作用，因此，研發(fā)相關(guān)電氣控制軟件是十分有必要的。相比于人機(jī)交互軟件，SIMOTION中的執(zhí)行軟件是在下位機(jī)軟件范疇內(nèi)的，它的數(shù)據(jù)是由上位機(jī)輸入，然后借助執(zhí)行部件開始運(yùn)作的。

5 結(jié)束語

工業(yè)制造能力的提升帶動(dòng)了數(shù)控技術(shù)的蓬勃發(fā)展，再加上計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的飛躍性進(jìn)展，極大地提高了可編程邏輯控制器PLC的邏輯處理能力，這使得其能夠處理更加復(fù)雜的工序。與此同時(shí)，以PLC為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)在國內(nèi)得到了極大地推廣，但是遺憾的是，數(shù)控機(jī)床仍達(dá)不到較高水平，這顯然限制了我國加工工藝的進(jìn)步。究其原因，在于作為系統(tǒng)核心的電氣控制部分沒有成熟的技術(shù)。這也由此引出了本篇文章的相關(guān)理論解析，并且基于此還構(gòu)建出一套基于PLC的數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)，這不僅優(yōu)化了數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性和靈活性，而且使得數(shù)控技術(shù)能更多的造福國民。

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作者簡(jiǎn)介：李超（1987.03）男，民族：漢，籍貫：江蘇揚(yáng)州，職務(wù)：電氣研發(fā)工程師，職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，單位：江蘇亞威機(jī)床股份有限公司。endprint