數控機床電氣控制系統的實現
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【摘要】數控機床控制系統是機械加工制造行業中的重點內容，其能夠使機床實現多軸聯動加工，與機械加工生產要求相符合，有助于加工效率提升。機械加工的精度和效率則取決于該控制系統性能及其運行過程是否穩定。將PCL應用到該系統中，能夠提升其操作水平，使數控機床運行更加靈活、可靠，為后續各產品及器件加工奠定良好的基礎。
1前言
數控機床電氣控制系統在工業生產中不可或缺，其能夠通過工藝改進及優化，實現生產質量及效益提升。因微電子、計算機和自動控制技術均取得了突破及發展，以往數控機床技術已經不具備適用性，難以滿足當前的生產及工藝要求。以PLC為依托，將其應用到數控機床電氣控制系統中，有助于提高數控系統自動化水平及其生產效率，為機械加工和生產提供良好的外部條件。
2數控機床結構
2．1基本結構
通常情況下，數控機床基本結構包含三個方面內容:(1)機床主體。主要用以各零部件加工，滿足實際生產要求。(2)電氣控制單元。將主體部分工作作為重點控制內容，包含運動、邏輯、工藝等。其在電氣控制系統中不可或缺。(3)數據控制系統。該部分功用是執行零件加工工作，經電磁閥控制，使機械各運動順利完成。其是PLC的核心部分，既能夠對系統軟件及程序等，進行全面分析，在其使用過程中的作用也是不可規避的。
2．2數控機床特殊結構
(1)急停按鈕。該按鈕通常處于斷開狀態，而開關燈接觸點也是閉合的。一旦按下急停按鈕，會使接觸點斷開，系統中全部控制繼電器也會隨之斷開。切斷電源能夠使系統更加安全。當一切回歸正常后，能夠復位繼續開展相關工作。(2)超程限位程序。該程序處于松動狀態。按下某條軸超程限位開關，會使接觸點斷開，其在控制回路中的繼電器處于斷電狀態。當系統接收到報警信息后，安全性比較高［1］。
3PLC概述及作用
3．1PLC概述
PLC即可編程控制器件，它以可編程存儲器為依托，借助存儲器，實施邏輯運算、順序控制、定時等相關指令。而各機械自動化控制則通過數字實現。PLC作為一種計算機設備，主應用界面是工業控制。主要結構包含電源、CPU、存儲器、輸入輸出、功能模塊。其語言簡明，編程和應用極為簡便。同時，它具備完整的硬件設施，適用性強，用戶能夠以此為基礎，對系統進行靈活配置，使其功能和規模各異。其以軟件對中間及時間繼電器進行替代，僅包含少量硬件元件，可靠性高。該背景下，集成電路技術應用比較多，通過微處理器，抵抗各類干擾。
3．2PLC在數控機床電氣控制系統中的作用
數控機床具備自動化特征，內置程序控制系統，在工業加工中應用普遍。其本質是設備產品，有助于加生產效率提升及企業經濟效益實現。數控機床控制系統為數控機床提供運行依托，能夠對具有控制編碼或氣體符號指令規定的程序進行邏輯處理，在數控裝置中，以代碼形式輸入和呈現，實現機床動作控制，并聽從指令，執行相關操作。但是，當前技術的變革和加工規模的擴大，使該系統在運行中受到諸多桎梏，穩定性難以保障，運行效率難以保障，且易發生安全事故，出現人員傷亡或財產損失。數控機床運行效率與其性能具備直接相關性。因而，需加大該系統研究力度。作為可編程控制器件，PLC核心是微處理器，將其應用于機械制造加工中，極具優越性。其是對傳統繼電控制系統的創新，使接線更加簡單、靈活、可靠，有助于機械數控裝置自動化水平的提升。同時，PLC具備很強抗干擾性和自我檢測能力，在該領域極具適用性，使數控機床運行更加安全、可靠［2］。
4PLC下的數控機床電氣控制系統
PLC屬于全閉環系統，主要構成要素有電動機、變頻器、光柵尺，實施控制過程中，精度極高。
4．1電氣控制系統組成
該系統主要構成元素有工控機、電源模塊、電動機模塊、光柵尺、SIMOTION、傳感器和變頻器等，如圖1所示。(1)電源模塊。經變頻器，實現交流電向直流電轉化。繼而借助逆變器，使直流電轉化為預定頻率交流電。電源模塊可細分為可調和不可調。前者依托于參數，以預定可變值，對轉化出來的直流電進行穩定，可與SIMOTION實現通信。不可調電源模塊僅能對固定直流電壓值進行輸出，無法與SIMOTION進行通信。(2)電動機模塊。依托于電動機模塊，實現直流電至預定頻率交流電逆變，以服務于電動機。該模塊共有裝機樁柜型和書本型兩種，書本型又可以單軸和雙軸兩種形式細化。(3)SIMOTION運動控制器。在電氣控制系統中，其居于核心位置，運行速度及可靠性直接關乎電氣控制系統性能。主要功能包含運動、邏輯和工藝控制三個方面。
4．2電氣控制系統硬件部分
硬件設計屬電氣控制系統重點內容，可細化為如下三個方面內容。(1)機械手自動換刀。其自由度共2個，能夠提高數控機床性能及工作效率。具體實施方法是經電磁閥開關控制，伸展機械臂或夾緊刀具，順利完成機械手各動作，使換刀過程更加簡便，具備自動化特征。(2)斷刀檢測。光纖傳感器是斷刀檢測系統核心，在24V電源上，直接對OC門三根接入線進行接入。經上述操作，實現電平輸出。執行加工操作時，很容易磨損刀具，或出現斷裂情況。為保障加工質量及性能，需對刀具實施檢測。一旦磨損，機床可自動換刀，并向上機位發出通知。光纖傳感器對斷刀檢測提供技術依托。(3)深度檢測。通常情況下，機械手或人工插入刀具深度，決定了換刀過程中的主軸夾緊位置。因而，可借助深度檢測器，對刀具深度實施檢測［3］。
4．3PLC下的數控機床電氣控制研究方法
電氣控制系統是否安全、可靠，主要取決于數控機床電氣控制方法。該過程中PLC數控機床電氣控制研究極為必要。軟件設計在電氣控制系統中尤為重要，屬核心部件。在SIMOTION中運行的軟件為下位機軟件。上位機進行數據接收，并對執行部件工作過程實施控制，并檢測機床狀態。完成軸組裝工作之后，可依托于程序實施相關操作，經操作系統，對SIMOTION內部程序實施調用。工控機多進行文件信息讀取，實施數據傳遞。SIMOTION經數據接收后，對電動機模塊進行控制和驅動，以帶動工作臺，實施位置控制。同時，經光柵尺，對工作臺信息進行檢測，后傳遞給SIMOTION，以實施工作臺位置調整。但其不能夠直接識別光柵尺信號，執行該工作之前，需要借助傳感器，實現光柵尺信號轉化，使其為標準信號。通過多個傳感器，檢測工作臺狀態，并發送至電氣控制系統。傳感器信號，經ET200，至SIMOTION，實現處理，最終傳至電氣控制系統。
5數控機床電氣控制系統常見故障
為有效預防或規避數控機床加工過程中，對操作人員、機床本身或工件產生損害，可將急停和超程作為重點處理對象。急停按鈕的主要作用是當數控系統或機床出現緊急情況時，使其立即停止工作，或將伺服驅動器等動力裝置主電源立即切斷。一旦發現數控系統中有自動報警信息，按下急停按鈕。完成信息查看及故障處理之后，回歸原有狀態，使系統能夠正常工作。通常情況下，機床會因如下原因出現無法復位情況。首先，電氣原因，急停回路被切斷、損壞限位開關或急停按鈕等。其次，設置系統參數時，存在偏差，無法對系統信號進行正常輸入輸出，也不能夠及時復位，出現急停故障及問題。PLC軟件沒有及時向系統發送復位信息。對KA中間繼電器和PLC程序實施檢查。第三，PLC系統復位所需信息，與相關要求不符合，未能對電源模塊、接線問題和伺服動力電源空氣開關實施準確檢查。第四，PLC程序編寫存在偏差［4］。
6PLC下的數控機床電氣控制系統設計
電機、光柵尺和變頻器是PLC數控機床電氣控制系統的主要構成元素。以該技術為依托，能夠實現傳統數控技術升級及改進，提升其精確度。該系統在全封閉狀態下，執行換刀、斷刀、刀位及通信檢測等相關功能，使數控機床更具自動化特征，實現生產效率及工藝水平的提升。
6．1優選電氣控制系統方式
數控機床系統能否成功，與其電氣控制方式具備很大相關性。為提升產品加工精度，需將電氣機床控制系統性能提升作為重點考量內容。基于上述要素考量，產品加工精度及效率由數控機床性能決定。依據實際工況，全面分析零件加工條件，對系統功能具備清晰的認知和了解，依據相關特性，實施程序編輯。依據PLC控制，對X軸和Y軸予以確定。該控制方式極為封閉，經該操作，可對PLC電氣控制系統的文件處理、數據處理及人機交互能力進行全面發揮。因而，將閉環控制作為最佳控制方式，經計算機加運動控制器和電機光柵尺方式實現。同時，以傳感器為依托，連接數控機床，并及時反應感應信息。運動控制器中軸數量不是固定不變的，具備擴展性特征，使系統維護及升級更加便利。倘若以標準接口，實施系統運動控制接入，便于其對PLC功能執行進行有效控制。而光柵尺又能夠向控制系統傳送高精度位置信息。該部分工作任務由系統配合完成。
6．2以PLC為依托的程序設計
數控機床電氣控制中，PLC屬于重點內容。數控機床的PLC程序，能夠實現處理時間控制，使其在幾十毫秒至幾百毫秒之間。以該種方式，使數據信息處理更加科學、便利。該過程中，也會存在諸多制約性因素。例如，部分響應速度要求高的信號暢通性不足。因而，設計PLC程序時，可對其實施高級程序和低級程序劃分。繼而依據控制功能特性，將低級程序劃分為多個模塊，執行編譯工作。主要編譯內容有主軸、三大直線軸及各類操作面板等。
6．3PLC下數控機床電氣控制系統參數配置
研究該系統工作時，需將參數配置作為重點考量內容。該過程中涉及到的相關參數包括完成機床各類所需功能、數控系統與機床結構相匹配所需設置的各類數值。因而，無論是軟硬件設計，還是PLC程序設計，都要重點參考立式加工中心各功能及結構相關要求。以此為依據，對數控機床各指標參數進行科學設置。科學執行上述操作，能夠使基于PLC技術數控機床電氣控制系統在應用過程中，與實際生產需求相符合，最大程度發揮系統性能優勢，達到良好的生產設計效果［5］。
6．4PLC與數控系統及數控機床間信息交換
信息共享及交換是數控機床控制系統運行過程中的重點內容。當信息無法正常傳遞或交換，會對整個系統運作產生干擾。以數控機床控制系統為界面，為對PLC進行有效應用，可重點關注信息之間的傳遞和交換。該過程中，信息的產生、傳遞和交換以PLC、數控機床和數控機床控制系統為主要依托。為使信息傳遞和交換更加便利，需對底層PLC控制和上位機監控實施全面組合，以對數控機床控制系統進行科學設置。分別將PLC主機安裝在集控系統3個控制室中，在PLC、數控機床、數控機床控制系統間建立良好的連接關系。在PLC輸入接口對機床外側I/O單元接口進行有效連接。編程人員可依據數控機床的信息傳遞情況，進行自由定義及修改，繼而將其傳遞至機床。在機床接口對PLC輸出接口進行接入時，也可對由PLC通過輸出接口向機床傳遞出的信息內容及地址進行自由定義。然后由CNC至PLC。開展信息交流及交換工作時，經由CNC廠家，對PLC送至CNC的全部信號地址和含義進行確定。PLC編程者僅有使用權限，不能夠對該類信息進行隨意更改或增刪。
7結語
綜上所述，在數控機床電氣控制系統中，對PLC技術進行科學應用，有助于其邏輯處理能力提升及完善。設計人員要對該過程進行嚴格控制，使設計內容更加完整，從而達到良好的生產應用效果。同時，該系統也具備成本和功能方面的優勢。但受外部科技環境制約，其仍然存在諸多限制性因素。應用正確的方式，對其進行加工設計，提升其生產效率及精確度，為數控機床電氣控制工作開展奠定良好的基礎，實現設備性能提升，使其功能更加完善及多樣化。
參考文獻:
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［3］陳北莉．基于PLC的數控雙面鏜組合機床控制系統設計［J］．自動化與儀器儀表，2015(06):54～55，58．
［4］丁立．數控機床電氣控制系統的PLC設計［J］．數字技術與應用，2012(11):28，31．
［5］慕卒也．淺議PLC在機床電氣控制系統改造中的應用［J］．信息記錄材料，2016(05):32～34。
作者:何偉 單位:重慶電力高等專科學校電力工程學院
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