摘要：数控机床在解决复杂、精密零件的加工方面起到了重要的作用，是具有典型机电一体化系统的设备。基于PLC的数控机床电气控制系统是数控技术发展的必然结果。PLC数控机床在应用中有很多优点，例如，电气控制系统通过采用工件自动夹紧、断刀检测和机械手自动换刀等实现了数控机床的自动化。本文探讨了加工中心的电气控制技术和设计方法，对确保机床的安全可靠，提高加工精度和生产率具有重要意义。
关键词：PLC；数控机床；电气控制系统；实现
引言
20世纪70年代以来，随着集成电路和计算机技术基础的发展，给自动化行业带来一种新设备，就是可编程逻辑控制器，简称PLC。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，已经被用于自动化控制的各个领域，尤其是机床行业，推动了机床自动化的发展，因此本文分析的是在PLC控制下，数控机床的电气控制系统的实现。
１数控机床概述
数控机床主要是由机械部分，电机，伺服控制器和数控系统4部分组成。数控系统是数控机床运转控制的核心部分，数控系统主要体现在机床对工件的加工精度和加工效率上。基于PLC的数控机床分为2类：第1类是内装型的PLC，其从属于CNC装置，这样的设计主要是为了实现数控机床顺序控制；第2类是独立于CNC装置的PLC，其软硬件功能都比较完备，数控机床或其他顺序的控制领域都能满足，相比较而言，第2类更通用一些。
2数控机床电气控制系统的基本结构
2.1数控机床基础结构
用数字化信息技术对设备系统进行有效地控制的技术就是数字控制技术。数控机床就是用数字控制技术对机床的运动轨迹和对零件的加工过程进行控制，是数字和机床的运作的完美融合。数控机床由以下几大组成部分：机床主体、电气控制单元、执行系统、数控系统部分。（1）机床主体：数控机床的主体是机床的重要组成部分，主要的作用就是对零件进行加工。（2）电气控制单元：电气控制系统是由电源模块、交流伺服、电机等部分组成。它的作用就是把通过的电流转变成适合电动机使用的直流电。电气控制单元是数控机床的重要指挥中心，而电气控制系统的主要组成部分就是交流伺服，它的主要功能就是对主体工作部分的运动的控制，它的正常运行对电气控制系统的正常运转发挥着重要的作用。（3）电气控制系统的执行部分：这部分是数控机床对零件加工部分的直接作用者，通过对气动电磁阀和液压电磁阀的控制来完成机械的各种活动，执行部分还有刀具检测，刀具在加工的过程中，会出现磨损或断裂的现象，通过光纤传感器对刀具进行检测，保证加工的质量。（4）数控系统：根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
2.2数控机床的电气安全回路
在数控机床的加工过程中，由于机械磨损或是人员操作不当可能会引发一些问题。为了预防在操作过程中对操作人员和加工零件造成不必要的伤害和损失，就要进行紧急停止或者是超程处理。（1）通常情况下，急停按钮是松开状态，它的开关接触点处于一种闭合的状态。每当按下急停按钮之后，急停按钮的接触点就会断开，这个时候系统中急停按钮所控制的回路继电器就会断开，为移动装置提供动力的电源随之被切断，与此同时，控制系统对系统发出急停的信息，使设备处于停止状态，这个信息也是对系统的程序进行复位。（2）通常情况下，超程限位的程序是处于松开的状态。在操作数控机床时，压下某条轴的超程限位开关，其接触点就会断开，使其所在的控制回路中的继电器断电，同时向系统发出超程报警信息。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3基于PLC的数控机床电气控制系统的设计
PLC的CPU与通用计算机的CPU一样，是PLC的核心部分，PLC的主要性能就是对系统的综合控制力、依据网络对各部分的通信能力和计算机技术所具有的可编程能力的自动控制器。PLC具有很广泛的通用性和对电气控制设备所需要的高度可靠性和抗干扰能力。在PLC进入运行状态后，对系统程序进行循环扫描，它通过对现场输入装置的各种信号状态或数据的采集输入，对程序进行分析，最后按照程序输出一系列控制指令，去开启或关闭有关的控制电路，所以机床的辅助电气的主要控制系统是PLC。
3.1数控机床电气控制的方式选择
决定数控机床系统成败的因素就是数控机床电气控制的方式，想要在加工上使机床的运转速度和加工产品精度达到更高的层次，就要关注电气控制系统的优劣。所以，数控机床的性能可以决定产品的精度和速度。对加工零件的条件进行分析，对系统的功能进行了解，根据其特点对其进行程序上的编辑，对于X轴与Y轴的确定采用的是对PLC控制系统、运动系统、电机部分、光栅尺等进行闭环式的控制方式。这种处理方式，使PLC的文件处理能力、人机交互能力及对数据的处理能力得到充分的发挥。运动控制器的优点就是稳定性与高速性，光栅尺的作用就是对程序提供作用点的精确信息。同时，可以通过接入传感器的方式提高系统的可靠性和稳定性。传统控制卡的实用性相对比较小，在使用上只能接入很少的几根轴，而运动控制器使用不仅能使接入轴的数目增加，还可以在以后的系统升级中带来便利。运动控制器还有个更大的优点，就是可以执行自动编辑的功能。
3.2 数控机床的功能分析
数控机床的种类有很多，简单分析一下数控机床中的一种机床，比如说三轴机床（X轴Y轴Z轴），在进行工作的时候可以达到X、Y、Z轴三轴联动，轴与轴之间可以同时运动，也能分开运动。可以利用直线光栅尺作为X轴、Y轴的位置反馈信号，实现闭环控制，借以消除滚珠丝杆温度特性导致的定位误差、丝杆螺距误差导致的运动特性误差和反向误差，以提高机床的加工精度。主轴采用电主轴，电主轴在速度、精度、噪音和更换方便性方面，皆优于其他传动形式。电主轴将主轴转速、电机温度等信息反馈给数控系统，数控系统通过PLC控制刀具的夹紧/松开、切削液的供给以及主轴运行所需要的各种介质，如冷却水、压缩空气、液压和润滑油的供应。此外，电主轴还将刀具位置、轴承温度和轴向位移等信息发给PLC和数控系统，构成一个闭环控制回路。运用X、Y轴进行限位的双重保护，再对Z轴的下侧进行限位。为了提高数控机床的加工效率，使电主轴的转速达到更高水平，就要对电主轴温度进行实时监测并配备专业的水冷机，为电主轴提供更好的温度保护。为了实现自动、手动换刀的有效性，对主轴配备了专用的机械换刀手和刀库。机械手对数控机床换刀后，数控机床检测机构自动对刀具的深度和位置进行测量，提高了加工的质量，在检测时发现刀具有磨损或断裂的情况，数控机床的检测系统就会出现提示，可以通过系统的指令完成自动换刀或手动换刀。
结束语
伴随着数控技术的不断发展，数控机床上PLC对逻辑处理的功能也越来越完善，但其作用还未充分发挥出来，因此，就需要设计一套非常合适和完整的电气控制系统跟它配合，使其他部分的选型有一个非常好的兼容性。选型性能对电气控制系统是非常重要的，其各个独立选型的性能的兼容性对各个部分的正常发挥也有重要的作用。PLC在功能和成本上对数控机床的使用上有着非常大的优势，我国对数控机床的应用和生产已经非常广泛了。
参考文献
[1]匡岳林.数控机床的电气控制系统设计[D].华南理工大学,2012.
[2]张文有,王筱芳,穆颖.浅析基于PLC的数控机床电气控制[J].甘肃科技,2012,08:76-78.
[3]聂晶晶,熊晓松.利用PLC实现圆环链轮链窝加工专用数控机床控制系统改造[J].工业控制计算机,2012,05:116-117.
论文作者:王伟1,李国学2,吴瑕3
论文发表刊物:《电力设备》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/19
标签：数控机床论文; 控制系统论文; 电气论文; 加工论文; 机床论文; 系统论文; 刀具论文; 《电力设备》2017年第13期论文;