基于PLC的數控機床電氣控制系統研究

許曉東+雷福祥+王偉+弋曉康+廖結安

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

關鍵詞：數控機床；PLC；機電一體化；電氣控制系統；應用

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）10-0026-04

數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。PLC在數控機床中的應用是機床發展的必然趨勢，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。本課題以數控銑床為例，探討數控機床的電氣控制技術與設計方法。

1 數控系統概述

數控機床電氣控制系統由數據傳輸裝置、數控系統、PLC可編程邏輯控制器、主軸驅動系統組成。數據輸入裝置的功能是將指令信息和各種應用數據輸入數控系統。數控系統是數控機床的中樞，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、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，如此實現對整個機床的控制。PLC控制軟件多集成于數控系統中，而PLC硬件在規模較大的系統中往往采取分布式結構。主軸驅動系統接受來自CNC的驅動指令，經速度與轉矩（功率）調節輸出驅動信號，驅動主電動機轉動。

2 數控銑床電氣控制系統

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

2.1 系統總體結構

整個控制系統由CNC計算機數控系統和強電柜兩部分組成。CNC 計算機數控系統是一個專用的數控裝置，由CNC系統、輸入/輸出接口、驅動單元和執行機構組成，是控制系統執行加工的核心。強電柜由動力電路、控制電路和可編程控制器CNC組成。系統結構框圖如圖1所示。

2.2 系統強電回路

系統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）。強電控制是介于數控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統，其主要作用是接收數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，分度工作臺的轉位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關等輔助操作的信號，經必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅動相應的執行元件（如電器、液壓、氣動和機械部件等），完成指令所規定的動作，從而實現數控機床在加工過程中的全部自動操作。電源部分按照系統總功率、總電流選擇空氣開關。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。

2.3 系統控制回路

系統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換，獲得控制回路需要的220 V交流電及24 V直流電。如果系統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。

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在其中發揮核心作用。

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）。

3） 直流控制回路（如圖6所示）由于中間繼電器一般由24 V電源驅動，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。

3 PLC輸入輸出控制系統

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、質量輕，能耗低等顯著特點，運用PLC控制數控機床已越來越成為一種趨勢。

3.1 數控機床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、繼電器觸點、無觸點開關的信號等）需要輸入給PLC，哪些信號（如繼電器線圈、指示燈及其他的執行電路）需要從PLC輸出給數控機床，從而計算出對PLC的輸入、輸出線數目以及IO地址分配。

3.2 PLC輸入輸出信號

PLC系統輸入輸出信號如圖7所示。利用系統輸入輸出IO分配，控制相應動作。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、刀具換刀位、主軸使能、冷卻開、伺服使能、伺服強電允許、主軸松緊等，輸出信號也可以擴展。

圖8為華中數控系統設計總體框圖，圖中反映了輸入、輸出接口連接方式。

4 數控系統常見故障分析

為了預防或避免數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。急停按鈕用于當數控系統或數控機床出現緊急情況時，需要使數控機床立即停止運動或切斷動力裝置（如伺服驅動器等）的主電源。當數控系統出現自動報警信息后，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，使系統復位并恢復正常。數控系機床的急停和超程保護硬件控制回路如圖9所示。

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

5 結語

本課題設計的電氣控制系統采用PLC對數控銑床刀具正反轉、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數控機床在機械部分和電氣控制系統方面的改造，提高了生產率，實現了數控機床的自動化。

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

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