基于PLC的数控机床电气控制

姜丹丹

【摘 要】随着科技的不断进步，工业的发展也有了非常显著的提高，机械不断取代手工完成了很多人类不容易完成的工作。数控机床的出现更好地解决了一些复杂而又精密零件的生产问题，使用PLC的数控机床电气控制系统是数控技术发展的必然趋势。文章分析了数控机床电气控制系统的基本结构，探讨了基于PLC的数控机床电气控制系统的设计，以供参考。

【关键词】PLC；数控机床；电气控制；逻辑处理；系统设计

随着科技的发展，数控机床控制系统的研究也有了新的发展，可编程逻辑控制器（PLC）取代了传统的数控机床电气控制系统，传统的机床控制器都是用继电器和接触器来控制的。因为技术的不完善导致控制器的线路很多结构也很复杂，护理成本高，也很容易发生故障，所以传统的继电器和接触器对机床的控制方案也逐渐被淘汰。采用可编程逻辑控制器的电气控制系统不需要经常地更换零件，想要加工不同的工艺只要修改相关的参数和代码就可以转变工艺，这样不仅节约大量的成本，也减少了因为更换零件及工艺所浪费的时间，进一步体现了数控机床控制系统的自动化能力。

1 数控系统概述

数控机床电气控制系统由数据传输装置、数控系统、PLC可编程逻辑控制器、主轴驱动系统组成。数据输入装置的功能是将指令信息和各种应用数据输入数控系统。数控系统是数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。PLC可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心，它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使其能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。PLC控制软件多集成于数控系统中，而PLC硬件在规模较大的系统中往往采取分布式结构。主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号，驱动主电动机转动。

2数控机床电气控制系统的基本结构

2.1数控机床基础结构

用数字化信息技术对设备系统进行有效地控制的技术就是数字控制技术。数控机床就是用数字控制技术对机床的运动轨迹和对零件的加工过程进行控制，是数字和机床的运作的完美融合。像自动洗衣机、电冰箱等电气对数字控制技术的应用有着非常大应用，最具有代表性的机电一体化产品就是数控机床，它对控制编码和规定内的符号有很强的逻辑处理能力，与普通的机床相比更具有现代化机械加工设备的先进性。数控机床所有的机电一体化产品相同，由以下几大组成部分：机床主体、电气控制单元、执行系统、数据控制系统部分。

2.1.1机床主体。数控机床的主体是机床的重要组成部分，它是直接作用在零件上的。主要的作用就是对零件进行加工。

2.1.2电气控制单元。电气控制系统是由电源模块、电机模块、运动控制器（SIMOTION）等部分组成。现阶段的数控机床的电源模块有两种：一种可以将一个固定的电流转化成预定电流，并且与运动控制器能进行通信的可调电流；还有一种是不能转化电流，不能与运动控制器通信的不可调电流。电动机模块有两种，分别是装机柜型和书本型。它的作用就是把通过的电流转变成适合电动机使用的交流电。电气控制单元是数控机床的重要指挥中心，而电气控制系统的主要组成部分就是运动控制器，它的主要功能就是对主体工作部分的运动、逻辑、工艺的控制，它的正常运行对电气控制系统的正常运转发挥着重要的作用。

2.1.3电气控制系统的执行部分。这部分是数控机床对零件加工部分的直接作用者，通过对电磁阀的控制来完成机械的各种活动，通过对换刀角度的自由进一步提高数控车床的工作效率；在对机床进行换刀时会改变刀具原有的运动轨迹；刀具在加工的过程中，会出现磨损或断裂的现象，通过光纤传感器对刀具进行检测，保证加工的质量。

2.1.4PLC数控机床的核心控制部分。数控机床的控制系统的核心部分就是软件对程序的分析及使用。工控机通过对输入信息的读取将正确的信息传递给运动控制器，运动控制器会根据接收到的信息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。同时，光栅尺检测到加工区域的信息，通过传感器将信息转化成标准信号传递给运动控制器，通过传感器的检测将数控机床的工作状态传递给数控机床的电气控制系统。

2.2数控机床的特殊结构

在数控机床的加工过程中，由于机械磨损或是人员操作不当可能会引发一些问题。为了预防在操作过程中对操作人员和加工零件造成不必要的伤害和损失，就要进行紧急停止或者是超程处理。

2.2.1通常情况下，急停按钮是不会接通的，它的开关接触点处于一种关闭的状态。每当按下急停按钮之后，急停按钮的接触点就会断开，这个时候系统中急停按钮所控制的回路继电器就会断开，为移动装置提供动力的电源随之被切断，与此同时，控制系统对系统发出急停的信息，使设备处于停止状态，这个信息也是对系统的程序进行复位。

2.2.2通常情况下，超程限位的程序是处于松开的状态。在操作数控机床时，压下某条轴的超程限位开关，其接触点就会断开，使其所在的控制回路中的继电器断电，同时向系统发出超程报警信息。

3基于PLC的数控机床电气控制系统的设计

CPU是可编程逻辑控制器（PLC）的核心内容，PLC的主要性能就是对系统的综合控制力、依据网络对各部分的通信能力和计算机技术所具有的可编程能力的自动控制器。PLC具有很广泛的通用性和对电气控制设备所需要的高度可靠性和抗干扰能力。PLC的工作方式是對系统程序的循环扫描，它通过对样本的采集输入，对程序进行分析，最后按照程序输出一系列控制指令，所以，机床的辅助电气的主要控制系统是PLC。

3.1数控机床电气控制的方式选择

决定数控机床系统成败的因素就是数控机床电气控制的方式，想要在加工上使机床的运转速度和加工产品精度达到更高的层次，就要关注电气控制系统的优劣。所以，数控机床的性能可以决定产品的精度和速度。对加工零件的条件进行分析，对系统的功能进行了解，根据其特点对其进行程序上的编辑，对于X轴与Y轴的确定采用的是对PLC控制系统、运动系统、电机部分、光栅尺等进行封闭式的控制方式。这种处理方式，使PLC的文件处理能力、人机交互能力及对数据的处理能力得到正常的发挥。运动控制器的优点就是稳定性与高速性，光栅尺的作用就是对程序提供作用点的精确信息。同时，可以通过接入传感器的方式提高系统的可靠性和稳定性。传统控制卡的实用性小，在使用上只能接入不多的几根轴，而运动控制器使用不仅能使接入轴的数目增加，还可以在以后的系统升级中带来便利。运动控制器还有个更大的优点，就是可以执行自动编辑的功能。

3.2数控机床的功能分析

数控机床的种类有很多，我们可以简单分析一下数控机床中的一种机床，不仅有X、Y轴，还有四个Z轴，在进行工作的时候可以达到X、Y、Z轴三轴联动，轴与轴之间可以同时运动，也能分开运动。

为了实现对全闭合环的控制，可以利用X、Y轴的运动轨迹对工作台进行定位，从而提高加工精度。通过对变频器的控制，以此实现对四个主轴电机的同步控制。运用X、Y轴进行限位的双重保护，再对Z轴的下侧进行限位。為了提高数控机床的加工效率，使主轴的转速达到更高水平，就要对电机温度进行实时监测并配备专业的冷却水泵，为机床提供更好的温度保护。为了实现自动、手动换刀的有效性，对主轴配备了专用的机械换刀手和刀库。机械手对机床换刀后，自动对刀具的深度和位置进行测量，提高了加工的质量，在检测时发现刀具有磨损或断裂的情况，机床的检测系统就会出现提示，可以通过系统的指令完成自动换刀及手动换刀。

4结语

数控机床的不断发展在一定程度上促进了电器控制系统的完善，但是实际运用到数控技术当中的技能趋势少之又少的，基于此种现象，我们要及时的制定出一套完整的合理的电气控制系统来与PLC进行配合，因为一套完整的电气控制系统和选型之间的性能是非常重要的，如果操作不当或者是型号不匹配的话，很有可能会出现电动机的温度过高，低速鸣叫等问题。再加上数控机床电气控制系统的灵活性和稳定可靠性都较差，所以本文提出了基于PLC的数控机床电气控制系统，这一系统可以对数控机床当中的零部件以及相关的加工工艺进行实时的监控，通过测试后发现，这一系统可以很好的达到预期的控制需求，更重要的是让数控机床自身的灵活性和稳定性都得到了很大的提升，通过对PLC数控机床在电气控制系统的深加工，进一步实现了数控机床的自动化，在数控机床的应用方面取得了一定的成就。

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（作者单位：山东圣翰财贸职业学院）