基于PLC的数控机床电气控制系统研究

许晓东+雷福祥+王伟+弋晓康+廖结安

摘要：数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，基于PLC的数控机床电气控制系统是数控机床的发展趋势。通过探讨数控铣床电气控制系统的设计，研究提高数控机床安全可靠性、加工精度及生产率的方法，以期为PLC在数控机床中的进一步应用提供参考。

关键词：数控机床；PLC；机电一体化；电气控制系统；应用

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）10-0026-04

数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床，具有典型的机电一体化系统。PLC在数控机床中的应用是机床发展的必然趋势，既能提高机床的自动化水平，又能提高机床的加工精度和可操控性。本课题以数控铣床为例，探讨数控机床的电气控制技术与设计方法。

1 数控系统概述

数控机床电气控制系统由数据传输装置、数控系统、PLC可编程逻辑控制器、主轴驱动系统组成。数据输入装置的功能是将指令信息和各种应用数据输入数控系统。数控系统是数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。PLC可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心，它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使其能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。PLC控制软件多集成于数控系统中，而PLC硬件在规模较大的系统中往往采取分布式结构。主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号，驱动主电动机转动。

2 数控铣床电气控制系统

数控铣床电气控制系统主要是通过PLC与CNC的集成采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。

2.1 系统总体结构

整个控制系统由CNC计算机数控系统和强电柜两部分组成。CNC 计算机数控系统是一个专用的数控装置，由CNC系统、输入/输出接口、驱动单元和执行机构组成，是控制系统执行加工的核心。强电柜由动力电路、控制电路和可编程控制器CNC组成。系统结构框图如图1所示。

2.2 系统强电回路

系统强电回路由电源部分、伺服强电、主轴强电、冷却电机强电、备用电源组成（如图2所示）。强电控制是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松开，切削液的开或关等辅助操作的信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件（如电器、液压、气动和机械部件等），完成指令所规定的动作，从而实现数控机床在加工过程中的全部自动操作。电源部分按照系统总功率、总电流选择空气开关。伺服强电给伺服电源模块供电，由交流控制回路进行控制。主轴强电给主轴电源供电，控制主轴电机。冷却电机强电由PLC进行控制。

2.3 系統控制回路

系统控制回路主要由电源回路、交流控制回路、直流控制回路组成。

1） 电源回路（如图3所示）主要给控制部分提供交流和直流电源，保证系统安全供电。在电源回路中，将强电电源通过控制变压器进行转换，获得控制回路需要的220 V交流电及24 V直流电。如果系统CNC模块及控制面板开机后不能正常启动，首先排除电源部分是否正常，之后检查各接口电路。

2） 交流回路（如图4所示）利用接触器的得电、失电，从而控制强电回路伺服模块、主轴电机等得失电。在交流回路中，要利用PLC编程指令控制中间继电器得电，进一步控制接触器，所以PLC在其中发挥核心作用。

交流控制回路中的刀具加紧、主轴冷却、主轴润滑、Z轴抱闸等控制回路，也是通过PLC控制信号进行控制的（如图5所示）。

3） 直流控制回路（如图6所示）由于中间继电器一般由24 V电源驱动，其利用PLC信号控制中间继电器组，从而控制接触器动作顺序。

3 PLC输入输出控制系统

PLC具有可靠性高、抗干扰能力强，建造工作量小、维护方便，体积小、质量轻，能耗低等显著特点，运用PLC控制数控机床已越来越成为一种趋势。

3.1 数控机床PLC控制过程

首先确定PLC输入、输出信号，确定哪些机床信号（如按钮、行程开关、继电器触点、无触点开关的信号等）需要输入给PLC，哪些信号（如继电器线圈、指示灯及其他的执行电路）需要从PLC输出给数控机床，从而计算出对PLC的输入、输出线数目以及IO地址分配。

3.2 PLC输入输出信号

PLC系统输入输出信号如图7所示。利用系统输入输出IO分配，控制相应动作。输入信号包括刀具换刀、刀具夹紧、气压报警、坐标轴回零、坐标轴正负限位信号、主轴速度到达信号、外部运行允许信号等。根据程序控制输出信号，也可以按照控制需要对程序进行修改，改变输出信号或IO分配。输出信号包括刀具正反转、刀具换刀位、主轴使能、冷却开、伺服使能、伺服强电允许、主轴松紧等，输出信号也可以扩展。

图8为华中数控系统设计总体框图，图中反映了输入、输出接口连接方式。

4 数控系统常见故障分析

为了预防或避免数控机床在加工过程中对操作人员、机床本身及加工工件造成伤害或损伤，通常需要对急停和超程进行处理。急停按钮用于当数控系统或数控机床出现紧急情况时，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源。当数控系统出现自动报警信息后，必须按下急停按钮；待查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并恢复正常。数控系机床的急停和超程保护硬件控制回路如图9所示。

如果机床一直处于急停状态，不能复位，有以下几个方面原因：1） 电气方面的原因，如急停回路断路、限位开关损坏、急停按钮损坏等。2） 系统参数设置错误，使系统信号不能正常输入输出或复位条件不能满足引起的急停故障；PLC软件未向系统发送复位信息。应检查KA中间继电器；检查PLC程序。3） PLC中规定的系统复位所需要完成的信息未满足要求，如伺服动力电源准备好、主轴驱动准备好等信息。应检查电源模块；检查电源模块接线；检查伺服动力电源空气开关。4） PLC程序编写错误。

5 结语

本课题设计的电气控制系统采用PLC对数控铣床刀具正反转、主轴夹紧、主轴冷却等进行控制，使机具灵活性和可靠性得到提高。通过对PLC数控机床在机械部分和电气控制系统方面的改造，提高了生产率，实现了数控机床的自动化。

通过介绍数控铣床电气控制系统，说明PLC在数控系统中的重要作用。随着数控技术的发展，PLC逻辑处理功能越来越完善，CNC数控模块必须与PLC控制模块协同配合，才能最大限度地发挥PLC的精确控制能力。

参考文献

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