基于PLC的數控機床電氣控制系統研究

山東工業職業學院 李海峰

引言

數控機床是材料加工的常用設備，具有加工精度高、生產率高和穩定性強等特點，在企業經營發展中占據著至關重要的地位。而電氣控制系統作為數控機床的應用核心，與數控機床的加工效率和生產質量有著密不可分的關系。傳統的數控機床控制器結構較為復雜，且總體線路繁多，極容易在使用過程中出現各種故障問題，為材料加工埋下了巨大的安全隱患。一旦控制器出現故障，不僅會顯著降低數控機床的加工精度和制造效率，影響企業產品的順利交付，還會令企業面臨高額的維修費用，對企業的快速發展造成極為不利的影響。隨著近些年PLC的不斷更新，其更加適應了現代企業的需要，已逐漸替代了傳統數控機床控制器的地位。相比于傳統控制器，PLC在數控機床中的應用，既能夠彌補傳統控制器的各種缺陷，還可以進一步提升控制精度與操作靈活度，使材料加工制造水平邁上了一個全新的臺階，為我國企業的快速發展起到了良好的促進作用。

1 PLC概述

PLC的全稱是可編程邏輯控制器，它是一種可編程的存儲器，主要由CPU、電源、輸入單元、輸出單元和存儲器五個部分構成。使用者能夠通過編程、導入數據和執行等環節，按照自身的需求讓PLC實施邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，從而完成各種材料的加工任務。其中，CPU是可編程邏輯控制器的核心，主要內容是負責邏輯計算，相當于人體的大腦。而存儲器負責儲存可編程邏輯控制器的各項數據，具有數據庫的特征[1]。輸入單元具有信號接收功能，能夠將采集到的各項數據完整傳輸至CPU，以便開展實時的管理控制工作。輸出單元與輸入單元的功能恰恰相反，它通常是將來自CPU的指令傳遞到各個系統中，使數控機床按照PLC預先設計的程序予以執行，從而滿足材料加工的各項需求。由于PLC的基礎構成語言較為簡單，且該控制器本身編程靈活，所以PLC在企業生產中具有極強的適用性。將PLC應用于數控機床中，可以根據企業產品生產的具體需求，結合PLC的編程規則，實現數控機床的個性化運行，使材料加工的精度和速度均出現質的提升，從而有效推動企業的快速發展[2]。而且，PLC的抗干擾能力較強，能夠在使用者運行程序后，穩定有序地完成各項材料的加工任務，令數控機床使用過程中的風險系數大幅度降低，避免故障問題和人員傷亡的情況出現，促進了現代企業的快速有序發展。

2 數控機床電氣控制系統的結構

2.1 基礎結構

數控機床通常由基本結構和特殊結構兩部分構成。基礎結構包括機床主體、電氣控制單元和電氣控制系統執行部分，主要起到加工原材料的作用。機床本體是數控機床加工運動的實際機械部件，對材料加工的整體質量有著密不可分的聯系。而電氣控制單位能夠控制機床本體的運行操作，可以根據企業的生產需求，適當調節機床本體的運動方向、運動方式和加工工藝等內容，從而完成一系列的精密加工任務[3]。電氣控制單元主要由電源、電機和PLC三部分構成。電源是電氣控制系統正常運行的基礎，能夠充分滿足控制管理機床時的電力需求，確保材料加工任務的順利進行。而電機主要起到了轉換電流的作用，通過電機可以將直流電轉換成交流電，使機床的運行效率得到顯著增強，進而令材料加工速度大幅度提升。而PLC作為電氣控制系統的核心，對機床的運行起著總體的協調作用，通過向執行部分下達各項指令，使數控機床按照使用者的意愿順利運行，完成原材料的加工制造工作[4]。執行部分則是按照電氣控制系統的各項指令，對刀具角度、推進距離和運行速度等加工參數予以調節，使材料加工的整體質量得到精準控制。

2.2 特殊結構

在使用數控機床加工材料的過程中，常常會因工作人員疏忽、操作不規范或數值設置錯誤等原因，造成現場突發事故的發生，其不僅會對材料加工質量，造成一定程度的影響，還極容易對工作人員造成損傷，令工作人員的生命安全受到嚴重威脅。而數控機床中的特殊結構，恰恰是為了預防和控制突發事故專門設置的按鈕開關。特殊結構包括緊急按鈕和超程限位兩個部分，若在材料加工過程中出現突發情況，操作人員可以及時按下緊急按鈕，使數控機床內部的接觸點自動斷開，從而達到切斷電源的效果[5]。而且，按下緊急按鈕的同時，輸入單元會將報警信號傳輸至PLC的CPU。待CPU接收到報警信號后，會按照預定程序的設計內容，經輸出單元向各個系統發出停止運行的操作指令，使突發情況得到有效控制。在系統停止工作后，也會使相應的程序完成復位操作，確保后續操作的順利進行[6]。超程限位開關和緊急按鈕的作用相類似，也是在工作人員按下開關以后，使數控機床的正常運行即刻停止，將突發事件造成的影響降至最低。緊急按鈕和超程限位的應用，在提升數控機床操作安全性方面發揮了良好的作用。

3 基于PLC的數控機床電氣系統設計

3.1 電氣控制系統設計

基于PLC的數控機床電氣控制系統設計，主要包括上位機功能設計、PLC程序設計和伺服機構設計三項內容。上位機功能設計的內容，主要是利用編寫軟件程序的方式，對數控機床的實時運行狀態和PLC數據傳輸情況予以監控，確保數據傳輸的準確有效，令數控機床的各項運行操作順利有序進行。在編寫軟件程序的過程中，工作人員應根據材料加工的各項需求，將鋼板尺寸、厚度和孔位大小等數據輸入到加工程序中[7]，并將所有數據上傳至PLC的數據區，通過串口將上位機與PLC相連接，完成兩者之間的信息交流。令內部監控軟件有據可依，確保數控機床的每一步操作均準確無誤。若數控機床在材料加工過程中出現異常，上位機即刻會接收到實時數據，并在監控畫面中顯示報警信息，以引起操作人員的及時關注，使其采取有效的措施予以處理，避免各類安全事故的發生，確保材料加工的順利進行。

PLC在數控機床電氣控制系統中的設計與應用，不僅要與上位機時刻保持信息溝通，確保數據傳輸能力的穩定可靠，還要將接收的各項信息轉化成相應的控制指令，通過輸出單元將孔位脈沖信息傳遞給伺服驅動器，進而完成材料加工的定位工作。待電氣控制系統程序運行后，讓潤滑系統、水泵系統和照明系統依次開啟，為后續的材料加工做良好的鋪墊。將原材料對齊零點后，結合上機位傳遞的坐標數據，PLC將其轉化成輸出指令，使數控機床完成鉆孔、定位和鉆削等操作。同時將這整個過程的數據信息，實時反饋至上位機中，令監控工作順利開展。無論何種原因觸發報警開關后，數控機床的加工操作均會停止，從而避免不必要的人員傷亡和經濟損失，確保材料加工的整體安全性。

在設計伺服機構的過程中，工作人員應對其性能方面著重關注，為材料加工奠定良好基礎。若伺服機構性能較高，可以實現各項指令的快速響應，那兒材料加工質量可得到進一步的增強。而且，高性能的伺服系統也可以對電機的實時轉速起到良好的檢測效果，以確保數控機床的運行穩定。而伺服機構的參數設置，主要包括增量式、位移距離和相鄰兩孔之間的誤差范圍。根據企業產品的實際加工需求，選擇合適的伺服系統，能夠使材料的加工精度得到顯著提升。

3.2 PLC控制系統功能要求

PLC控制系統應同時滿足手動加工和自動加工的雙重功能，使數控機床的實時加工位置得以明確，保障各項材料加工的順利有序進行。手動加工功能是指通過上位機軟件的調試頁，實時觀察機床上X、Y、Z軸的各項數值，從而準確掌握數控機床的加工位置，確保材料加工質量的穩定可靠。而自動加工功能，是通過輸入程序、超程校驗、調整零點坐標和按下啟動伺服指令等環節，令數控機床按照預定的軌跡完成材料加工操作，并將相應的加工信息實時反映在顯示屏上，以便后續的觀察與調整。

4 基于PLC的數控機床電氣控制系統精度驗證

為了確保材料加工質量的穩定可靠，當電氣控制系統設計完畢后，工作人員應利用少量材料對數控機床的加工精度進行驗證。及時發現并處理相關問題隱患，為企業產品的大批量加工奠定堅實的基礎。首先，工作人員先將PLC的輸出脈沖調至最低，結合慣性和摩擦力等外界因素，對X、Y、Z軸的任意方向行走速度進行全面完整的搜集與評估。然后根據規范的操作流程，執行預定的材料加工程序，完成相應的材料加工制造，并利用海克斯康三坐標，對加工后的每個材料的各項參數進行測量。將所有參數匯總之后，結合平方和均值公式，計算出X、Y、Z軸的均值誤差，從而掌握數控機床的實際加工質量。若X、Y、Z三軸的加工誤差均小于材料加工時的標準水平，即代表數控機床的加工精度較高，可以開展大批量的加工操作，為企業產品的生產制造提供良好幫助。

5 結語

通過對PLC和數控機床電氣控制系統的深入了解，可以發現PLC在數控機床的生產操作中占據著至關重要的地位。根據企業產品的生產需求，對上位機功能、PLC程序和伺服機構科學設計，不僅能夠顯著提升材料加工的速度和精度，還可以對數據機床的各項數據進行實時監控，避免各類安全事故的發生，確保材料加工的順利進行，進而為我國企業的長遠有序發展，發揮了積極的促進作用。