基于PLC的数控机床电气控制系统研究

李春敏

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

基于PLC的数控机床电气控制系统研究

李春敏

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

随着社会的发展，工业控制系统也逐渐实现智能化。本文对PLC自动控制系统进行分析，并且对基于PLC的数控机床控制系统设计问题进行探讨，旨在提高机床生产安全性和稳定性。

PLC；数控机床；电气控制系统

1 PLC自动控制系统概述

PLC在数控机床中的应用，极大提高了机床工作效率，传统机床电气控制系统采用继电器与接触器，内部控制系统结构复杂，故障率较高，与传统机床控制系统相比，PLC电气控制系统不需要经常更换零件，只需要对系统的参数进行更改，就可以对多种工艺形式的零件进行加工，不仅节约了成本，也提高了生产效率，降低零件生产过程中的时间消耗，体现出数控机床控制系统的生产优势。

2 数控机床电气控制系统的基本结构

数控机床可以实现对控制编码和规定内的所有符号进行逻辑处理，与传统的机床相比较可以发现，数控机床属于机电一体化产品，主要包括以下四个基础部分。

2.1 数控机床基础结构

2.1.1 机床主体。机床是生产元件的主要部件，直接作用在零件上，对零件进行加工，使各种原材料被加工成预先设计的元件形式。

2.1.2 电气控制单元。电气控制系统是对机床进行控制的部分，其中包括电源、电机、运动控制器三个主要部分以及其他的辅助部分，电源是为整个机床提供电能的设备，电源的供给方式主要有两种：一种是将一种固定电流转化成为预定电流的电流设备，转化而来的是一种可调节电流，可以和运动控制器保持通信；另一种则是不能转化的电流，不能与运动控制器保持通信。电机的主要作用是将电流转换成数控机床电动机可以使用的交流电。电气控制单元是数控机床的重要指挥中心，运动控制器是电气控制系统的主要部分，其主要功能是对机床主体进行逻辑控制，从而对数控机床的各项工作进行协调，电气控制系统正常运转的前提是运动控制器正常运转。

2.1.3 电气控制系统的执行部分。这部分主要实现对零件加工过程进行控制，通过电池阀可以对各种原材料的加工活动进行控制，如可以通过调节参数，对刀具的角度进行变化，从而提高零件的生产效率。再比如，还可以实现对刀具的磨损情况的检测，确保刀具始终保持最佳状态，提高加工质量。

2.1.4 PLC。PLC是数控机床的核心控制部分，与传统机床最大的区别就是数控机床加载PLC自动控制系统，PLC可以实现对程序的分析和使用，在数控机床工作过程中，工控机可以将用户输入的信息传递给运动控制器，运动控制器接收到信息之后对电动机模块进行控制，进而对数控机床的工作区域进行控制［1］。同时，传感器会对数控机床在工作中的状态、参数等进行检测，将检测到的各种参数转换为数据信息传递给PLC电气控制系统，从而实现对数控机床的有效控制。

2.2 数控机床的特殊结构

在数控机床运行过程中，往往会出现一些突发状况，如由于机械磨损或者人员操作不当导致的问题。为了预防各种人为操作不当带来的问题，在数控机床控制系统的设计过程中还设计了特殊结构。第一，紧急按钮。紧急按钮主要用于出现突发状况，从而确保技术人员能够了解紧急状况。通常情况下紧急按钮是不会接通的，当紧急按钮被按下的时候急停按钮的接触点就会断开，从而使数控机床电气控制系统中的急停按钮所控制的回路继电器断开，电源也会被切断，确保安全。当紧急按钮被按下的同时，还会有报警信号传给控制系统，控制系统接受信号之后会立即发出让系统中的各个设备都停止工作的指令，在发出指令的同时，系统的程序也会复位。第二，超程限位。当机床工作正常的时候，其超程限位程序始终都是保持断开状态的，当按下某一个超程限位开关时，开关的接触点就会断开，从而使继电器断电，然后会发出报警信息，控制系统会再对报警的信息进行相应处理，确保故障可以得到及时解除。

3 基于PLC的数控机床电气控制系统

PLC数控机床电气控制系统是一个全闭环系统，其中包括电动机、变频器、光栅尺等几个部分，PLC电气控制系统是其中核心的部分，其最大的优点是控制精度高、控制及时。

3.1 PLC电气控制系统组成

PLC电气控制系统包括工控机、电源模块、电动机模块、传感器、变频器、光栅尺等部分，下面就各组成部分进行分别叙述。

3.1.1 电源模块。电源模块是对电流形式进行转换的部分，首先通过变频器可以将一定频率的交流电变成直流电，然后再通过逆变器将直流电变成数控机床可以使用的交流电。电源模块又分为两种，一种是可调电源模块，一种是不可调电源模块。可调电源模块是根据系统参数设置，将转化出来的直流电稳定为一个预定的可以变化的数值，并且可以实现和运动控制器通信。

3.1.2 运动控制器。运动控制器是整个系统中的核心部分，其运行速度和可靠性对整个电气控制系统的工作效率产生重要影响，主要包括运动控制、逻辑控制、工艺控制三个功能。

3.2 电气控制系统硬件部分

3.2.1 自动换刀。自动换刀是数控机床的一个功能，可以实现机械自动控制换刀，减少传统人工换刀的时间成本。机械换刀有两个自由度，可以提高数控机床的工作效率，通过控制电磁阀的开关可以实现伸展机械臂和刀具夹紧功能，从而完成换刀过程中的四个主要动作，分别是机械手伸展、机械手收回、机械手夹紧、机械手松开，通过这四个动作可以自动完成换刀操作。

3.2.2 断刀检测。在数控机床运行过程中很容易出现断刀故障，发现之后应停止机械工作，以防带来严重安全问题。断刀检测的核心是一个OC门的光线传感器，OC门的3根接入线直接接到24V电源上，信号线与24V电阻之间可以构成一个电平输出。传感器要及时对刀具进行检查，看是否出现了磨损或者断裂，并且将刀具的情况传给电气控制系统，如果刀具出现磨损，控制中心要发出指令，暂停机床工作，并且进行自动换刀，然后再通知复位，继续进行零件加工。

3.2.3 深度检测。在零件加工过程中，刀具的深度检测也是控制零件加工的重要过程，由于换刀时主轴夹紧的位置是由机械手或者人工将刀具插入的深度决定的，深度是否满足加工生产要求，对零件加工有很大影响。因此，必须要对刀具的深度进行检测，如果深度检测不合理，则要重新调整刀具的深度。

3.3 数控机床电气控制的方式

PLC数控机床的电气控制方式是影响数控机床加工生产水平的关键因素，因此，在PLC数控机床研究过程中，必须要对电气控制方式进行分析［2］。软件设计是PLC数控机床的核心部分，软件设计也是硬件结构的核心，在运动控制器中运行的软件是下位机软件，当上位机接收到相应的数据，并且对具体的加工工作进行控制的时候，运动控制器还要完成机床状态的检测。运动控制器的内部程序是由操作系统调用的，工控机将文件信息读取之后会直接传输给运动控制器，运动控制器接收到数据之后就会对电动机模块进行控制，从而驱动电动机，带动工作台进行相应操作。与此同时，光栅尺对工作台的工作信息进行检测，再将其传递给运动控制器，从而实现对工作台位置的调整。在系统中，光栅尺的模拟信号不能被运动控制器读取，必须要将其转化为标准的数字信号，才能被运动控制器读取，从而实现对整个过程的全面控制。

4 结语

随着信息技术不断发展，PLC控制系统的应用越来越广泛，基于PLC的数控机床电气控制系统极大地提高了机床的工作效率，并且可以实现对对机床加工的自动化控制，未来还要不断完善PLC电气控制系统，不断提高数控机床控制能力。

［1］王玲.基于PLC的数控机床电气控制系统研究［J］.新技术新工艺，2013（12）：125-127.

［2］折建国.数控机床基于PLC的电气控制系统研究［J］.工业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，硕士，助教，研究方向：电气自动化。