試析PLC在數控機床電氣設計中的應用

夏斯國

摘 要：本文闡明了數控機床的工作原理，并對基于PLC的數控機床電氣控制系統設計進行了探討，旨在為相關工作人員提供一定的有益借鑒。

關鍵詞：PLC；數控機床；電氣控制；設計

1 引言

現代科技的迅猛發展，帶動了制造業的再次復蘇，數控機床對于實現自動化來講不可或缺，因此其對于機械行業的重要性不言而喻。近年來市場對于工件精密度的要求不斷提高，相應的對其加工設備也就是數控機床而言，也是提出了一定的要求。在整個數控機床內，控制系統實現的基本功能就是控制各個坐標軸的移動，除此之外，還控制著機床主軸的啟停和轉向，當然，還有對進給量的把控，更進一步來講，還有進行換刀和夾具定位等，而這些操作沒有很高的精確度是不能夠實現的。在計算機技術的輔助下，可編程邏輯控制器（以下統稱為PLC）技術發展到了一個全新的階段，數控機床的作用就是能夠自動的完成一些加工動作，而實現這個自動化的核心就是PLC系統。本課題就是以PLC 控制技術為中心進行研討的，旨在達成以PLC 為基礎而展開的電氣控制方面的設計，重點在于介紹數控機床的工作原理，并且對電氣控制系統中的關鍵部件進行分析，最后總結一套以PLC 為基礎的數控機床電氣控制系統的設計方案。

2 數控機床工作原理概述

數控機床的控制系統不僅包含軟件，還有一部分硬件成分，其中最為關鍵的就是機械裝置、電氣電路還有上位機與下位機的軟件，對于一個數控機床而言，它的控制系統就是整個設備的中樞神經，在工作原理上，以數字控制的形式發出指令，讓設備的執行部分從而開始工作。

由PLC 的定義可以看出，邏輯分析部分是一定不可或缺的，當然，作為一套完整的系統就一定會有輸入與輸出部分。接下來對這三個部分進行分析，輸入部分就是采集一些實際運動參數，參數來源就是需要被控制的部分，此外，輸入部分還必須要有信息存儲功能；邏輯分析部分主要充當大腦的作用，對輸入的數據進行分析，而且還要判定由哪個部分進行執行；輸出部分的動作就比較單一，即將處理后的信息發送到相關執行裝置，由執行裝置做出設定的行為動作。

3基于PLC的 數控機床電氣控制系統硬件設計

接下來將會以硬件與軟件的角度，對機床控制系統進行剖析。

（1）控制系統硬件部分

上位機：在這個系統中工控機就是上位機，工作人員在人機交互界面進行操作，操作內容就是將數據輸入到系統的加工流程之中，并使其進行讀取，界面的人性化設計支持人工修改加工參數，這些改動將快速被處理系統識別，然后根據相關行業協議，把這部分參數數據輸入運動控制器，繼而實現原定的操作動作。

SIMOTION 運動控制器：如果說控制系統是數控機床的大腦，那么SIMOTION 就是整個控制系統的神經中樞，有鑒于此，SIMOTION 具有良好的穩定性，整個系統也就能夠平穩的運行。對于研究對象所配置的SIMOTION 來源于德國西門子公司，它的組成部分為PLC5300 和運動控制器。在控制方面它具有PLC 一貫具有的穩定性，不僅如此，其還兼具運動控制方面的靈活性。

電源模塊：電源模塊運用變換頻率的形式，實現常用交流電向直流電的轉換，之后使用一種稱之為逆變器的元件，再將直流電變成工程所需的特定頻率的交流電。借助電源模塊SIMOTION 控制系統將工業供電變成直流，再輸送至各個電機模塊。電源模塊進行細分還有兩類，其一是可調電源模塊，之所以稱之為可調，是因為其可以按要求將轉換過的直流電控制在特定范圍，并能夠進行調節使其在該范圍內線性變化；與之對應的是一種不可調電源塊，其只可控制固定電壓的直流電，不過這種電源塊有其獨特的應用領域。

電機模塊：這部分實現的作用就是將六百伏的直流電，通過轉換變成特定頻率的三相交流電，然后將能源供給電機使用。

光柵尺：電機自身裝配有編譯工具，然而這種編碼器有一定的精度限制，基本上控制在十微米，不過這還是不能滿足我們五微米的要求。基于此種考慮，需要使用光柵尺定位工作臺，之后把測得的位置傳遞給控制器。

主軸：數控機床的主軸由于要求較多，因此經過比較選定了西風公司的產品。它的型號為PCB 鉆孔主軸，這種主軸不但精度極高，而且十分穩定，同時能夠工作很長時間具有較高的壽命。它的冷卻系統性能優良，循環的工質為干凈的水，在裝夾上使用啟動夾緊道具，這種方法極其穩定，效果優良。

眾所周知，作為主軸經常需要進行高速運轉，故而必須要保證精密性，這就必然要使用到一種高速變頻器。就功能上來看，常用的V系列變頻器是可以實現的。然而，由于不能匹配串行接口，將導致信息流通不順暢，為了解決這個問題，研究人員嘗試使用模擬量進行控制，成效斐然。

4 數控機床電氣控制系統的軟件設計

電氣控制系統的固有特性就決定了數控機床的工作能力，換句話說，電氣控制系統對數控機床的性能起著至關重要的作用，因此，研發相關電氣控制軟件是十分有必要的。相比于人機交互軟件，SIMOTION 中的執行軟件是在下位機軟件范疇內的，它的數據是由上位機輸入，然后借助執行部件開始運作的。

5 結束語

工業制造能力的提升帶動了數控技術的蓬勃發展，再加上計算機信息技術的飛躍性進展，極大地提高了可編程邏輯控制器PLC 的邏輯處理能力，這使得其能夠處理更加復雜的工序。與此同時，以PLC 為基礎的數控技術在國內得到了極大地推廣，但是遺憾的是，數控機床仍達不到較高水平，這顯然限制了我國加工工藝的進步。究其原因，在于作為系統核心的電氣控制部分沒有成熟的技術。這也由此引出了本篇文章的相關理論解析，并且基于此還構建出一套基于PLC 的數控機床的電氣控制系統，這不僅優化了數控機床的穩定性和靈活性，而且使得數控技術能更多的造福國民。

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