摘要：數控機床是一種高精度、高效率的（de）自動化（huà）機床，基於 PLC 的數控機床電氣控製係統是數控（kòng）機床的發展趨勢。通過探討數控銑床電氣控製係統的設計，研究提高數（shù）控機床安全可靠性、加工精度及生（shēng）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（shù）控機床；PLC；機電一體化；電（diàn）氣控製係統；應用
 
      數控機床是（shì）一種高（gāo）精度、 高效率（lǜ）的自動化機床，具有典型的機電一體（tǐ）化係統。PLC 在數控機床中的應用是機床發展的必然（rán）趨勢，既（jì）能提高機床的自動（dòng）化（huà）水平（píng），又能提高機床的加工精度和（hé）可操控性。 本課題以數（shù）控銑床為例，探討數控機床的電氣控製技術（shù）與設計方法。
 
      1 、數控係統概述
 
      數控機床電氣控製（zhì）係統由數據傳（chuán）輸裝置（zhì）、數控係統（tǒng）、PLC 可編程邏（luó）輯控製器、主軸驅動（dòng）係統（tǒng）組成。數據輸入裝置的功能是將（jiāng）指令信息和各種應用數據（jù）輸入數控係統。 數控（kòng）係統是數控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進（jìn）行解碼、運算，然後有序地發出各種需要（yào）的運動指令和各種機床功（gōng）能的控製指令，直至運動和功能結束。PLC 可（kě）編（biān）程邏輯控製器是機床各項功能的邏輯控製中心， 它將來自 CNC 的各種運動及功（gōng）能指令進行邏輯排（pái）序，使（shǐ）其能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床（chuáng）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（de）控製指令，如此實現對（duì）整個機床的控製。 PLC 控製軟件（jiàn）多集成於數控係統中， 而 PLC 硬件在規模較大的係統中往往采取分布式結構。 主（zhǔ）軸驅動係統接受來自CNC 的驅動指令，經（jīng）速（sù）度與轉矩（功率）調節輸出驅動信號，驅動主電動機轉動。
 
      2 、數控銑床電氣控製係統
  
     數控銑床電氣控製（zhì）係統主要是通過 PLC 與 CNC的（de）集成采取軟件接口實現的，一（yī）般係統都是將二者間各種（zhǒng）通信信息分別指定（dìng）固定的存放地（dì）址，由係統對（duì）所有地（dì）址的信息狀態進行實時監控（kòng），根據各接口（kǒu）信號的現時狀態（tài）加以（yǐ）分析判斷， 據此作（zuò）出進一步的控製命令，完成對運（yùn）動或功能的控製。
 
      2．1 係統（tǒng）總體結構
 
      整個控製係統（tǒng）由 CNC 計算機數控係統（tǒng）和強（qiáng）電櫃兩部（bù）分組成。 CNC 計算機數控（kòng）係（xì）統是（shì）一個專（zhuān）用的（de）數控裝置，由 CNC 係統、輸入 ／ 輸出接口、驅動（dòng）單元和執行（háng）機構組成，是控製係統執行加工的核心。 強電櫃由動力電路、控製電路和可（kě）編程控製器 CNC 組成。 係統結構框圖如圖 1 所示。
  
  

     
                           圖1 電氣控製係統結構框圖
   
      2．2 係統強電回路（lù）
 
     係統強電回路由電（diàn）源部分、伺服強電、主軸強電、冷卻電機強（qiáng）電、備用電源組成（如圖 2 所示）。 強電控製是介於數控（kòng）裝（zhuāng）置和機床機械、液壓部件之間的控製係統， 其主要作用是接收數控裝置輸出的（de）主軸（zhóu）變速、換向、啟動（dòng）或（huò）停止，刀具的選擇和更換，分度工作台的轉（zhuǎn）位和鎖緊，工件的夾緊（jǐn）或鬆開，切削（xuē）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（dà）後直（zhí）接驅動相應的執行元件（如電器、液壓、氣動和機械（xiè）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（cāo）作。電源部分按照係統總功率、總電流選（xuǎn）擇空氣開關。 伺服強電給伺服電源（yuán）模塊供電（diàn），由交流控製回路進（jìn）行控製。 主軸（zhóu）強電給主軸電（diàn）源供電，控（kòng）製主軸電機。 冷卻電機強電由 PLC 進行控（kòng）製。
  
     
                                  圖 2 強電（diàn）回路圖
 
      2．3 係統控製回路
 
      係統控製回路主要由電源回路、 交流控製回（huí）路、直流控製回路組成。
 
      1） 電（diàn）源回路（如圖 3 所（suǒ）示）主要給控（kòng）製部分提供交流和直流電源，保證係統安全供電。在電源（yuán）回路中（zhōng），將強電電源通過控製變壓器進行轉換，獲得控製回路需要的 220 V 交流電及 24 V 直流電（diàn）。 如果係統 CNC模塊及控製麵板開機後不能正常啟動，首先（xiān）排除電源部分是否正常，之後檢查各接口電路。
  
     
                                 圖 3 電源回路圖
 
 
      2） 交流回路（如圖 4 所示）利用接觸器（qì）的得（dé）電、失電，從（cóng）而控製（zhì）強電回路伺服模塊、主軸電機等得失（shī）電。 在交流（liú）回（huí）路中，要利用 PLC 編程指令控（kòng）製中間繼電器得電，進一步控製接觸器，所以 PLC 在其中發揮核心作用。
  
    
                                         圖 4 強電（diàn）控製回路
 
     交流控製回路中的刀具加緊、主軸冷卻、主軸（zhóu）潤滑、Z 軸抱閘等控製回路（lù）， 也是通過 PLC 控製信號進行（háng）控製的（如圖 5 所示）。
  
    
                                 圖 5 主軸夾緊控製回路
   
     3） 直流控製回路（如（rú）圖 6 所示）由於中間繼電器一般（bān）由 24 V 電（diàn）源驅動，其利用 PLC 信號控製中間繼（jì）電器組，從而控製接觸器動作順序。3 PLC 輸入輸出控製（zhì）係統PLC 具有可靠性高、抗幹擾能力強，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 控製數控機床已越來（lái）越（yuè）成為一種趨勢。
 
     3．1 數（shù）控機床 PLC 控製過程
 
     首先確定 PLC 輸入（rù）、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（wú）觸（chù）點開關的信號等）需要輸入（rù）給 PLC，哪些信號（如繼電器線圈、指示燈及其（qí）他的（de）執行電路） 需要從 PLC 輸（shū）出給數控機床， 從而（ér）計算出對 PLC 的輸入、 輸（shū）出線數目以及 IO地址分配。
  
     
                                  圖（tú）6 直流控製回路
 
      3．2 PLC 輸入（rù）輸出信號
 
      PLC 係統輸入輸出（chū）信號如（rú）圖 7 所示。利用（yòng）係統輸入輸出 IO 分配，控製相應動作。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（zhǔ）軸速度到達信號（hào）、外部運行（háng）允許信號（hào）等。根據程序控製輸出信號，也可以按照控製需要對程序進行修改，改變輸出信號或 IO 分（fèn）配。輸出信號包括刀具正反轉、刀具換刀位、主（zhǔ）軸使（shǐ）能、冷卻開、伺服使能、伺強電允許、主軸鬆緊等，輸出信號也可以（yǐ）擴展。
  
      

                         圖 7 PLC 輸入輸出信號
 
 
       圖 8 為華中數控係統設計（jì）總體框圖，圖中反映了輸入、輸出接口連（lián）接方式。
  
      
                              圖（tú）8 數控係（xì）統總體框圖
 
 
       4 、數（shù）控係統常見故障分析
 
      為了預防或避免數控機床在加工過程中對操（cāo）作人員、機床本身及加工工件造成（chéng）傷害或（huò）損傷，通常需（xū）要對急停和超程進行（háng）處理。急停按鈕用於當數控係統或數控（kòng）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（duàn）動力裝置（如伺服驅動器等（děng））的主電源（yuán）。當數控係統出現自動報警信（xìn）息（xī）後， 必須按下急停按鈕；待查看報警信息並排除故障後，再鬆開（kāi）急停按（àn）鈕，使（shǐ）係統複位並恢（huī）複正常。數控係機床的急停和超（chāo）程保護硬件控製回路如圖 9 所示。
  
      

                             圖 9 急停和超程保護硬件控製回路圖
 
      如（rú）果機床一直處（chù）於急停狀態，不能複位，有（yǒu）以下幾個方麵原因：1） 電氣方麵的原因， 如急停回路斷路、限位開關損壞、急停按鈕損壞等。 2） 係統參數設置錯誤，使係統信號不能正常輸入輸出或複（fù）位條件不能滿足引起的急停故障；PLC 軟件未向係（xì）統發送複位信（xìn）息。 應檢查 KA 中間繼電器； 檢查 PLC 程序。 3）PLC 中規定的係（xì）統複位所需要完成的信息未滿足要求，如（rú）伺服動力電源準備好、主軸驅動準（zhǔn）備好等信息（xī）。應檢查電源模塊；檢查電源（yuán）模塊接線；檢查伺服動力電源空氣開關。 4） PLC程序（xù）編寫（xiě）錯誤。
 
      5 、結語
 
     本課題設計的電（diàn）氣控製係統采用 PLC 對數控銑床刀具正反轉、主軸夾緊、主軸冷卻（què）等進行控製，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（kòng）製係統方麵的改造，提高了生產（chǎn）率，實現了數控（kòng）機床的自動化（huà）。
 
    通過介紹（shào）數（shù）控銑床電氣（qì）控製係統， 說明 PLC 在數控係統中的重要作用。 隨著數控技術的發展，PLC邏輯處理功能越來（lái）越完善（shàn） ，CNC 數控模塊必須與PLC 控製模塊協同配合， 才能最大限度地發揮 PLC的精確控製能力。