数控机床电气控制系统的PLC设计

2019-11-18徐永梅

电子技术与软件工程 2019年18期

文/徐永梅

数控机床是当前工业生产中必备的设备。在传统的应用中，数控机床的电气控制系统大都是采用继电器和接触器来进行控制的，这种控制的方式线路结构十分复杂，且在其运行的过程中极易发生系统故障，一旦发生故障，要想进行维修，十分困难，而且维修的成本也十分高昂。采用可编程逻辑控制器PLC进行数控机床电气控制系统的设计，能优化这一问题，不但节省相关企业的各项成本，还能有效提高生产的效率。

1 数控机床概述

数控机床是指用数字化技术加工作业及运动的过程和结果进行控制的加工机床，其主要由五个部分构成，分别是机床主体、动力源、电气控制单元、检测传感部分和伺服系统。数控机床属于机床本位当中的核心部分，其中数控系统是对数字控制方式应用的有效体现。

基于PLC的数控机床，包括2类：其一为内装型的PLC，属于CNC的装置，可针对数控机床的实现顺序控制；其二为独立于CNC的PLC装置，无论是软件或者硬件功能都非常完备，数控机床或者其他顺序的控制领域都可得到满足，所以第二类的应用更加广泛。

1.1 数控机床电气控制系统基本结构分析

数控机床电气控制系统的构成，主要包括机床、指挥控制、输入+输出接口当中的驱动装置，能够有效地利用数字输入进行机床的控制。数控机床电气控制当中的总体布局，主要是应用了相对简单的立式结构，由X轴和y轴构成，这样控制起来会更加简单。通过数字控制，X轴和y轴会通过电机的运作带动滚珠杠进行螺旋运动，在此基础上，加入Z轴结构，这样会使数控机床在高速运转的状态下，更精细地进行机械零部件的加工，并提高加工的精度，这样十分有益于对效率进行提升，使得精度更高。

除了机床主体以外，数控机床还包括动力源、电气控制单元、检测传感部分和伺服系统。这些共同组成了数控机床，其中动力源视为整个数控机床提供动力的；电气控制单元的功能比较齐全，既要接受相应的数据，进行数据分析，还要生成相应的指令，然后传递到下一环节；检测传感部分则是对整台数控机床工作的状态进行检测的模块，查看其工作的状态是否出现偏差，在检测的同时，将检测的结果反馈给上机位控制系统，并由其进行反馈控制或者进行位置的显示，从而有效控制数控机床的正常运行；伺服系统则是则是进行精细加工的部位。

1.2 数控机床与PLC之间的连接

在数控机床电气控制系统的PLC设计中，大都分为通用型的PLC和内装型的PLC两种。针对PLC以及CNC的相关设计工作，两者各自独立。而且PLC具有十分完备的硬件设置与软件系统，可独立完成一些规定控制任务。但是，内装型PLC在设置方面必须根据数控机床控制顺序的相关设计，同时结合其制造的特点进行生成作业，属于CNC的装置设计，在电脑网络资源上能够与CNC装置结合在一起进行应用，通过计算机网络传输技术，能够高质量地完成PLC以及CNC系统之间的数据信号的互动交流以及传递。针对CNC的功能基本规划，设计人员可以进行统一的设计并进行统一的优化处理，从而使其结构变得更加科学、更加严谨。这样，便可实现数控机床与PLC系统之间的有效连接，使数控机床的控制系统变得更加完善，从而更好地展现出数控机床的功效。在实操中，数控机床的工作原理如图1所示。

2 数控机床电气控制系统PLC设计的优势

传统的数控机床，在电气控制系统方面普遍采用了继电器与接触器，以二者的有效结合来实现对机床的控制的，这种电气控制的方式，在结构上比较复杂，而且很容易发生系统运行故障，一旦发生系统运行故障，检测维修也十分困难，同时，检测维修的成本也较高。随着可编程逻辑控制器——PLC的发展，将其运用到数控机床电控制系统当中，采用PLC设计电气控制系统的数控机床，在进行加工作业时，一旦需要更改加工的工艺与产品的参数，操作人员不需要停止数控机床，更换相应的元器件，而是在输入的界面将需要加工产品的工艺程序代码与参数输入进去就可以完成更新，使数控机床能够生产出想要的产品。这样一来，就节约了大量的时间和人工成本，并提高企业产品加工的效率，从而实现企业经济效益的最大化，提高企业的市场竞争力。

3 PLC数控机床的电气控制系统

在数控机床的运用中，为了更好地实现生产的效率，人们往往会忽略精度的加工。随着社会的发展，生产对于精度的要求越来越高，采用PLC设计数控机床的电气化控制系统，通过重新规划数控机床的变频器、光栅和电机等部分，将其形成一个更加完善的全闭环控制系统，从而有效地监控数控机床的自动化生产加工作业，这样就能有效地提高相关企业的生产效率，促进其健康地发展。

3.1 数控机床的硬件构造设置

在数控机床的电气控制系统中，硬件设计是保障整个系统正常运行的基础和前提。在进行硬件构造的设置时，其上机和下机位的软件以及机械电路等所有的硬件设置，能促进机床自身的驱动实施，同时还能促进每一个部分彼此之间实现信息的传递，可构成相应的保护，从而保证数控机床的电气控制系统能够正常地运行。可以说，硬件设置是整个系统的躯干。因此，针对性地提升数控机床的硬件构造，能对数控机床的电气控制系统构造产生极大的推动作用。数控机床当中的硬件构成主要包括：机械手的设置和断刀检测两个部分，其中机械手的设置通常会存在两个相对自由的度，能够实现刀具的加减更换，同时实现机械臂的自由舒展，加上电磁阀开关，能够控制机械手进行自由伸出和收回的动作，这样一来，在应用刀具进行相应零部件的加工作业时，可使其变得更加方便，加工的精度也会变得更高，为了对刀具的准确归位进行保障，尽量避免机械手在运行中出现偏差的情况，可以应用SIMOTION D进行控制，以增强机械手运动时的活塞磁性。在实际的运用中，当机械手运行到系统预设的位置时，SIMOTION D就会感应到相应的开关是否被接通，一旦感应到系统预设情况出现时，就会自主关闭进气路，这样一来，机械手就会准确归位，实现正常的运行，不会出现任何的偏差。

除了机械手的设置以外，在数控机床的硬件设置中，断刀检测也是十分重要的环节。在设置这部分的内容时，设计人员可以采用三根合适的连接线，将光纤传感器恰当地连接在额定电源上，然后利用电阻形成电平输出。此时，检验人员就可以根据光纤中红外线的输入输出数据，检测并判断刀具是否存在断裂的现象，是否出现了失效的情况，一旦判断刀具出现了问题，应及时进行处理，更换新的刀具，从而保障数控机床的正常运行。

3.2 数控机床的软件功能设置

笔者在前文已经说过，硬件设计是数控机床电气控制系统的躯体，而软件则相当于整体系统的灵魂。因此，仅进行硬件构造的改造是不够的，还必须根据硬件设置的变化，设计合适的软件，使软件的功能能够满足硬件设置的运行需求。只有这样，才能使数控机床的电气控制系统更加适应其运行的环境。在更新软件功能时，应分为上机位软件和下机位软件，其中上机位软件是控制整个计算机运行的软件，而下机位软件才是在PLC上运行的系统控制软件，与上机位和PLC 之间实现通信，并能有效地使伺服系统和检测传感部分相结合，根据上机位的命令驱动电机进行加工作业，并将监控到的机床工作状态反馈给上机位，及时发现可优化的部分，并及时进行优化处理。这样周而复始，不断循环，能使各项任务更加有条理地进行下去，从而提高相关企业的工作效率，促进其健康、可持续发展。