基于PLC的數(shù)控機床電氣控制

姜丹丹

【摘 要】隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)的發(fā)展也有了非常顯著的提高，機械不斷取代手工完成了很多人類不容易完成的工作。數(shù)控機床的出現(xiàn)更好地解決了一些復(fù)雜而又精密零件的生產(chǎn)問題，使用PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。文章分析了數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，探討了基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，以供參考。

【關(guān)鍵詞】PLC；數(shù)控機床；電氣控制；邏輯處理；系統(tǒng)設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究也有了新的發(fā)展，可編程邏輯控制器（PLC）取代了傳統(tǒng)的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的機床控制器都是用繼電器和接觸器來控制的。因為技術(shù)的不完善導(dǎo)致控制器的線路很多結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，護理成本高，也很容易發(fā)生故障，所以傳統(tǒng)的繼電器和接觸器對機床的控制方案也逐漸被淘汰。采用可編程邏輯控制器的電氣控制系統(tǒng)不需要經(jīng)常地更換零件，想要加工不同的工藝只要修改相關(guān)的參數(shù)和代碼就可以轉(zhuǎn)變工藝，這樣不僅節(jié)約大量的成本，也減少了因為更換零件及工藝所浪費的時間，進(jìn)一步體現(xiàn)了數(shù)控機床控制系統(tǒng)的自動化能力。

1 數(shù)控系統(tǒng)概述

數(shù)控機床電氣控制系統(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)控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進(jìn)行解碼、運算，然后有序地發(fā)出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結(jié)束。PLC可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心，它將來自CNC的各種運動及功能指令進(jìn)行邏輯排序，使其能夠準(zhǔn)確地、協(xié)調(diào)有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時準(zhǔn)確地發(fā)出進(jìn)一步的控制指令，如此實現(xiàn)對整個機床的控制。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)動系統(tǒng)接受來自CNC的驅(qū)動指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩（功率）調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動主電動機轉(zhuǎn)動。

2數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.1數(shù)控機床基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

用數(shù)字化信息技術(shù)對設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行有效地控制的技術(shù)就是數(shù)字控制技術(shù)。數(shù)控機床就是用數(shù)字控制技術(shù)對機床的運動軌跡和對零件的加工過程進(jìn)行控制，是數(shù)字和機床的運作的完美融合。像自動洗衣機、電冰箱等電氣對數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用有著非常大應(yīng)用，最具有代表性的機電一體化產(chǎn)品就是數(shù)控機床，它對控制編碼和規(guī)定內(nèi)的符號有很強的邏輯處理能力，與普通的機床相比更具有現(xiàn)代化機械加工設(shè)備的先進(jìn)性。數(shù)控機床所有的機電一體化產(chǎn)品相同，由以下幾大組成部分：機床主體、電氣控制單元、執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)部分。

2.1.1機床主體。數(shù)控機床的主體是機床的重要組成部分，它是直接作用在零件上的。主要的作用就是對零件進(jìn)行加工。

2.1.2電氣控制單元。電氣控制系統(tǒng)是由電源模塊、電機模塊、運動控制器（SIMOTION）等部分組成?，F(xiàn)階段的數(shù)控機床的電源模塊有兩種：一種可以將一個固定的電流轉(zhuǎn)化成預(yù)定電流，并且與運動控制器能進(jìn)行通信的可調(diào)電流；還有一種是不能轉(zhuǎn)化電流，不能與運動控制器通信的不可調(diào)電流。電動機模塊有兩種，分別是裝機柜型和書本型。它的作用就是把通過的電流轉(zhuǎn)變成適合電動機使用的交流電。電氣控制單元是數(shù)控機床的重要指揮中心，而電氣控制系統(tǒng)的主要組成部分就是運動控制器，它的主要功能就是對主體工作部分的運動、邏輯、工藝的控制，它的正常運行對電氣控制系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)發(fā)揮著重要的作用。

2.1.3電氣控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。這部分是數(shù)控機床對零件加工部分的直接作用者，通過對電磁閥的控制來完成機械的各種活動，通過對換刀角度的自由進(jìn)一步提高數(shù)控車床的工作效率；在對機床進(jìn)行換刀時會改變刀具原有的運動軌跡；刀具在加工的過程中，會出現(xiàn)磨損或斷裂的現(xiàn)象，通過光纖傳感器對刀具進(jìn)行檢測，保證加工的質(zhì)量。

2.1.4PLC數(shù)控機床的核心控制部分。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)的核心部分就是軟件對程序的分析及使用。工控機通過對輸入信息的讀取將正確的信息傳遞給運動控制器，運動控制器會根據(jù)接收到的信息對電動機模塊進(jìn)行控制，進(jìn)而對數(shù)控機床的工作區(qū)域進(jìn)行控制。同時，光柵尺檢測到加工區(qū)域的信息，通過傳感器將信息轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)信號傳遞給運動控制器，通過傳感器的檢測將數(shù)控機床的工作狀態(tài)傳遞給數(shù)控機床的電氣控制系統(tǒng)。

2.2數(shù)控機床的特殊結(jié)構(gòu)

在數(shù)控機床的加工過程中，由于機械磨損或是人員操作不當(dāng)可能會引發(fā)一些問題。為了預(yù)防在操作過程中對操作人員和加工零件造成不必要的傷害和損失，就要進(jìn)行緊急停止或者是超程處理。

2.2.1通常情況下，急停按鈕是不會接通的，它的開關(guān)接觸點處于一種關(guān)閉的狀態(tài)。每當(dāng)按下急停按鈕之后，急停按鈕的接觸點就會斷開，這個時候系統(tǒng)中急停按鈕所控制的回路繼電器就會斷開，為移動裝置提供動力的電源隨之被切斷，與此同時，控制系統(tǒng)對系統(tǒng)發(fā)出急停的信息，使設(shè)備處于停止?fàn)顟B(tài)，這個信息也是對系統(tǒng)的程序進(jìn)行復(fù)位。

2.2.2通常情況下，超程限位的程序是處于松開的狀態(tài)。在操作數(shù)控機床時，壓下某條軸的超程限位開關(guān)，其接觸點就會斷開，使其所在的控制回路中的繼電器斷電，同時向系統(tǒng)發(fā)出超程報警信息。

3基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

CPU是可編程邏輯控制器（PLC）的核心內(nèi)容，PLC的主要性能就是對系統(tǒng)的綜合控制力、依據(jù)網(wǎng)絡(luò)對各部分的通信能力和計算機技術(shù)所具有的可編程能力的自動控制器。PLC具有很廣泛的通用性和對電氣控制設(shè)備所需要的高度可靠性和抗干擾能力。PLC的工作方式是對系統(tǒng)程序的循環(huán)掃描，它通過對樣本的采集輸入，對程序進(jìn)行分析，最后按照程序輸出一系列控制指令，所以，機床的輔助電氣的主要控制系統(tǒng)是PLC。

3.1數(shù)控機床電氣控制的方式選擇

決定數(shù)控機床系統(tǒng)成敗的因素就是數(shù)控機床電氣控制的方式，想要在加工上使機床的運轉(zhuǎn)速度和加工產(chǎn)品精度達(dá)到更高的層次，就要關(guān)注電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。所以，數(shù)控機床的性能可以決定產(chǎn)品的精度和速度。對加工零件的條件進(jìn)行分析，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了解，根據(jù)其特點對其進(jìn)行程序上的編輯，對于X軸與Y軸的確定采用的是對PLC控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、電機部分、光柵尺等進(jìn)行封閉式的控制方式。這種處理方式，使PLC的文件處理能力、人機交互能力及對數(shù)據(jù)的處理能力得到正常的發(fā)揮。運動控制器的優(yōu)點就是穩(wěn)定性與高速性，光柵尺的作用就是對程序提供作用點的精確信息。同時，可以通過接入傳感器的方式提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)控制卡的實用性小，在使用上只能接入不多的幾根軸，而運動控制器使用不僅能使接入軸的數(shù)目增加，還可以在以后的系統(tǒng)升級中帶來便利。運動控制器還有個更大的優(yōu)點，就是可以執(zhí)行自動編輯的功能。

3.2數(shù)控機床的功能分析

數(shù)控機床的種類有很多，我們可以簡單分析一下數(shù)控機床中的一種機床，不僅有X、Y軸，還有四個Z軸，在進(jìn)行工作的時候可以達(dá)到X、Y、Z軸三軸聯(lián)動，軸與軸之間可以同時運動，也能分開運動。

為了實現(xiàn)對全閉合環(huán)的控制，可以利用X、Y軸的運動軌跡對工作臺進(jìn)行定位，從而提高加工精度。通過對變頻器的控制，以此實現(xiàn)對四個主軸電機的同步控制。運用X、Y軸進(jìn)行限位的雙重保護，再對Z軸的下側(cè)進(jìn)行限位。為了提高數(shù)控機床的加工效率，使主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到更高水平，就要對電機溫度進(jìn)行實時監(jiān)測并配備專業(yè)的冷卻水泵，為機床提供更好的溫度保護。為了實現(xiàn)自動、手動換刀的有效性，對主軸配備了專用的機械換刀手和刀庫。機械手對機床換刀后，自動對刀具的深度和位置進(jìn)行測量，提高了加工的質(zhì)量，在檢測時發(fā)現(xiàn)刀具有磨損或斷裂的情況，機床的檢測系統(tǒng)就會出現(xiàn)提示，可以通過系統(tǒng)的指令完成自動換刀及手動換刀。

4結(jié)語

數(shù)控機床的不斷發(fā)展在一定程度上促進(jìn)了電器控制系統(tǒng)的完善，但是實際運用到數(shù)控技術(shù)當(dāng)中的技能趨勢少之又少的，基于此種現(xiàn)象，我們要及時的制定出一套完整的合理的電氣控制系統(tǒng)來與PLC進(jìn)行配合，因為一套完整的電氣控制系統(tǒng)和選型之間的性能是非常重要的，如果操作不當(dāng)或者是型號不匹配的話，很有可能會出現(xiàn)電動機的溫度過高，低速鳴叫等問題。再加上數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定可靠性都較差，所以本文提出了基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以對數(shù)控機床當(dāng)中的零部件以及相關(guān)的加工工藝進(jìn)行實時的監(jiān)控，通過測試后發(fā)現(xiàn)，這一系統(tǒng)可以很好的達(dá)到預(yù)期的控制需求，更重要的是讓數(shù)控機床自身的靈活性和穩(wěn)定性都得到了很大的提升，通過對PLC數(shù)控機床在電氣控制系統(tǒng)的深加工，進(jìn)一步實現(xiàn)了數(shù)控機床的自動化，在數(shù)控機床的應(yīng)用方面取得了一定的成就。

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（作者單位：山東圣翰財貿(mào)職業(yè)學(xué)院）