摘要：數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化機床，基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)是數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。通過探討數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，研究提高數(shù)控機床安全可靠性、加工精度及生產(chǎn)率的方法，以期為PLC在數(shù)控機床中的進一步應(yīng)用提供參考。

數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化機床，具有典型的機電一體化系統(tǒng)。PLC在數(shù)控機床中的應(yīng)用是機床發(fā)展的必然趨勢，既能提高機床的自動化水平，又能提高機床的加工精度和可操控性。本課題以數(shù)控銑床為例，探討數(shù)控機床的電氣控制技術(shù)與設(shè)計方法。

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行邏輯排序，使其能夠準確地、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能及時準確地發(fā)出進一步的控制指令，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)控銑床電氣控制系統(tǒng)

數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)主要是通過PLC與CNC的集成采取軟件接口實現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將二者間各種通信信息分別指定固定的存放地址，由系統(tǒng)對所有地址的信息狀態(tài)進行實時監(jiān)控，根據(jù)各接口信號的現(xiàn)時狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。

2．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個控制系統(tǒng)由CNC計算機數(shù)控系統(tǒng)和強電柜兩部分組成。CNC計算機數(shù)控系統(tǒng)是一個專用的數(shù)控裝置，由CNC系統(tǒng)、輸入／輸出接口、驅(qū)動單元和執(zhí)行機構(gòu)組成，是控制系統(tǒng)執(zhí)行加工的核心。強電柜由動力電路、控制電路和可編程控制器CNC組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2．2系統(tǒng)強電回路

系統(tǒng)強電回路由電源部分、伺服強電、主軸強電、冷卻電機強電、備用電源組成（如圖2所示）。強電控制是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)，其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸變速、換向、啟動或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺的轉(zhuǎn)位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關(guān)等輔助操作的信號，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行元件（如電器、液壓、氣動和機械部件等），完成指令所規(guī)定的動作，從而實現(xiàn)數(shù)控機床在加工過程中的全部自動操作。電源部分按照系統(tǒng)總功率、總電流選擇空氣開關(guān)。伺服強電給伺服電源模塊供電，由交流控制回路進行控制。主軸強電給主軸電源供電，控制主軸電機。冷卻電機強電由PLC進行控制。

圖2強電回路圖

2．3系統(tǒng)控制回路

系統(tǒng)控制回路主要由電源回路、交流控制回路、直流控制回路組成。

1）電源回路（如圖3所示）主要給控制部分提供交流和直流電源，保證系統(tǒng)安全供電。在電源回路中，將強電電源通過控制變壓器進行轉(zhuǎn)換，獲得控制回路需要的220V交流電及24V直流電。如果系統(tǒng)CNC模塊及控制面板開機后不能正常啟動，首先排除電源部分是否正常，之后檢查各接口電路。

圖3電源回路圖

2）交流回路（如圖4所示）利用接觸器的得電、失電，從而控制強電回路伺服模塊、主軸電機等得失電。在交流回路中，要利用PLC編程指令控制中間繼電器得電，進一步控制接觸器，所以PLC在其中發(fā)揮核心作用。

圖4強電控制回路

交流控制回路中的刀具加緊、主軸冷卻、主軸潤滑、Z軸抱閘等控制回路，也是通過PLC控制信號進行控制的（如圖5所示）。

圖5主軸夾緊控制回路

3）直流控制回路（如圖6所示）由于中間繼電器一般由24V電源驅(qū)動，其利用PLC信號控制中間繼電器組，從而控制接觸器動作順序。3PLC輸入輸出控制系統(tǒng)PLC具有可靠性高、抗干擾能力強，建造工作量小、維護方便，體積小、質(zhì)量輕，能耗低等顯著特點，運用PLC控制數(shù)控機床已越來越成為一種趨勢。

3．1數(shù)控機床PLC控制過程

首先確定PLC輸入、輸出信號，確定哪些機床信號（如按鈕、行程開關(guān)、繼電器觸點、無觸點開關(guān)的信號等）需要輸入給PLC，哪些信號（如繼電器線圈、指示燈及其他的執(zhí)行電路）需要從PLC輸出給數(shù)控機床，從而計算出對PLC的輸入、輸出線數(shù)目以及IO地址分配。

圖6直流控制回路

3．2PLC輸入輸出信號

PLC系統(tǒng)輸入輸出信號如圖7所示。利用系統(tǒng)輸入輸出IO分配，控制相應(yīng)動作。輸入信號包括刀具換刀、刀具夾緊、氣壓報警、坐標軸回零、坐標軸正負限位信號、主軸速度到達信號、外部運行允許信號等。根據(jù)程序控制輸出信號，也可以按照控制需要對程序進行修改，改變輸出信號或IO分配。輸出信號包括刀具正反轉(zhuǎn)、刀具換刀位、主軸使能、冷卻開、伺服使能、伺強電允許、主軸松緊等，輸出信號也可以擴展。

圖7PLC輸入輸出信號

圖8為華中數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體框圖，圖中反映了輸入、輸出接口連接方式。

圖8數(shù)控系統(tǒng)總體框圖

4、數(shù)控系統(tǒng)常見故障分析

為了預(yù)防或避免數(shù)控機床在加工過程中對操作人員、機床本身及加工工件造成傷害或損傷，通常需要對急停和超程進行處理。急停按鈕用于當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控機床出現(xiàn)緊急情況時，需要使數(shù)控機床立即停止運動或切斷動力裝置（如伺服驅(qū)動器等）的主電源。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)自動報警信息后，必須按下急停按鈕；待查看報警信息并排除故障后，再松開急停按鈕，使系統(tǒng)復(fù)位并恢復(fù)正常。數(shù)控系機床的急停和超程保護硬件控制回路如圖9所示。

圖9急停和超程保護硬件控制回路圖

如果機床一直處于急停狀態(tài)，不能復(fù)位，有以下幾個方面原因：1）電氣方面的原因，如急停回路斷路、限位開關(guān)損壞、急停按鈕損壞等。2）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置錯誤，使系統(tǒng)信號不能正常輸入輸出或復(fù)位條件不能滿足引起的急停故障；PLC軟件未向系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位信息。應(yīng)檢查KA中間繼電器；檢查PLC程序。3）PLC中規(guī)定的系統(tǒng)復(fù)位所需要完成的信息未滿足要求，如伺服動力電源準備好、主軸驅(qū)動準備好等信息。應(yīng)檢查電源模塊；檢查電源模塊接線；檢查伺服動力電源空氣開關(guān)。4）PLC程序編寫錯誤。

5、結(jié)語

本課題設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)采用PLC對數(shù)控銑床刀具正反轉(zhuǎn)、主軸夾緊、主軸冷卻等進行控制，使機具靈活性和可靠性得到提高。通過對PLC數(shù)控機床在機械部分和電氣控制系統(tǒng)方面的改造，提高了生產(chǎn)率，實現(xiàn)了數(shù)控機床的自動化。

通過介紹數(shù)控銑床電氣控制系統(tǒng)，說明PLC在數(shù)控系統(tǒng)中的重要作用。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，PLC邏輯處理功能越來越完善，CNC數(shù)控模塊必須與PLC控制模塊協(xié)同配合，才能最大限度地發(fā)揮PLC的精確控制能力。