基于PLC的数控机床电气控制系统研究

山东工业职业学院 李海峰

引言

数控机床是材料加工的常用设备，具有加工精度高、生产率高和稳定性强等特点，在企业经营发展中占据着至关重要的地位。而电气控制系统作为数控机床的应用核心，与数控机床的加工效率和生产质量有着密不可分的关系。传统的数控机床控制器结构较为复杂，且总体线路繁多，极容易在使用过程中出现各种故障问题，为材料加工埋下了巨大的安全隐患。一旦控制器出现故障，不仅会显著降低数控机床的加工精度和制造效率，影响企业产品的顺利交付，还会令企业面临高额的维修费用，对企业的快速发展造成极为不利的影响。随着近些年PLC的不断更新，其更加适应了现代企业的需要，已逐渐替代了传统数控机床控制器的地位。相比于传统控制器，PLC在数控机床中的应用，既能够弥补传统控制器的各种缺陷，还可以进一步提升控制精度与操作灵活度，使材料加工制造水平迈上了一个全新的台阶，为我国企业的快速发展起到了良好的促进作用。

1 PLC概述

PLC的全称是可编程逻辑控制器，它是一种可编程的存储器，主要由CPU、电源、输入单元、输出单元和存储器五个部分构成。使用者能够通过编程、导入数据和执行等环节，按照自身的需求让PLC实施逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，从而完成各种材料的加工任务。其中，CPU是可编程逻辑控制器的核心，主要内容是负责逻辑计算，相当于人体的大脑。而存储器负责储存可编程逻辑控制器的各项数据，具有数据库的特征[1]。输入单元具有信号接收功能，能够将采集到的各项数据完整传输至CPU，以便开展实时的管理控制工作。输出单元与输入单元的功能恰恰相反，它通常是将来自CPU的指令传递到各个系统中，使数控机床按照PLC预先设计的程序予以执行，从而满足材料加工的各项需求。由于PLC的基础构成语言较为简单，且该控制器本身编程灵活，所以PLC在企业生产中具有极强的适用性。将PLC应用于数控机床中，可以根据企业产品生产的具体需求，结合PLC的编程规则，实现数控机床的个性化运行，使材料加工的精度和速度均出现质的提升，从而有效推动企业的快速发展[2]。而且，PLC的抗干扰能力较强，能够在使用者运行程序后，稳定有序地完成各项材料的加工任务，令数控机床使用过程中的风险系数大幅度降低，避免故障问题和人员伤亡的情况出现，促进了现代企业的快速有序发展。

2 数控机床电气控制系统的结构

2.1 基础结构

数控机床通常由基本结构和特殊结构两部分构成。基础结构包括机床主体、电气控制单元和电气控制系统执行部分，主要起到加工原材料的作用。机床本体是数控机床加工运动的实际机械部件，对材料加工的整体质量有着密不可分的联系。而电气控制单位能够控制机床本体的运行操作，可以根据企业的生产需求，适当调节机床本体的运动方向、运动方式和加工工艺等内容，从而完成一系列的精密加工任务[3]。电气控制单元主要由电源、电机和PLC三部分构成。电源是电气控制系统正常运行的基础，能够充分满足控制管理机床时的电力需求，确保材料加工任务的顺利进行。而电机主要起到了转换电流的作用，通过电机可以将直流电转换成交流电，使机床的运行效率得到显著增强，进而令材料加工速度大幅度提升。而PLC作为电气控制系统的核心，对机床的运行起着总体的协调作用，通过向执行部分下达各项指令，使数控机床按照使用者的意愿顺利运行，完成原材料的加工制造工作[4]。执行部分则是按照电气控制系统的各项指令，对刀具角度、推进距离和运行速度等加工参数予以调节，使材料加工的整体质量得到精准控制。

2.2 特殊结构

在使用数控机床加工材料的过程中，常常会因工作人员疏忽、操作不规范或数值设置错误等原因，造成现场突发事故的发生，其不仅会对材料加工质量，造成一定程度的影响，还极容易对工作人员造成损伤，令工作人员的生命安全受到严重威胁。而数控机床中的特殊结构，恰恰是为了预防和控制突发事故专门设置的按钮开关。特殊结构包括紧急按钮和超程限位两个部分，若在材料加工过程中出现突发情况，操作人员可以及时按下紧急按钮，使数控机床内部的接触点自动断开，从而达到切断电源的效果[5]。而且，按下紧急按钮的同时，输入单元会将报警信号传输至PLC的CPU。待CPU接收到报警信号后，会按照预定程序的设计内容，经输出单元向各个系统发出停止运行的操作指令，使突发情况得到有效控制。在系统停止工作后，也会使相应的程序完成复位操作，确保后续操作的顺利进行[6]。超程限位开关和紧急按钮的作用相类似，也是在工作人员按下开关以后，使数控机床的正常运行即刻停止，将突发事件造成的影响降至最低。紧急按钮和超程限位的应用，在提升数控机床操作安全性方面发挥了良好的作用。

3 基于PLC的数控机床电气系统设计

3.1 电气控制系统设计

基于PLC的数控机床电气控制系统设计，主要包括上位机功能设计、PLC程序设计和伺服机构设计三项内容。上位机功能设计的内容，主要是利用编写软件程序的方式，对数控机床的实时运行状态和PLC数据传输情况予以监控，确保数据传输的准确有效，令数控机床的各项运行操作顺利有序进行。在编写软件程序的过程中，工作人员应根据材料加工的各项需求，将钢板尺寸、厚度和孔位大小等数据输入到加工程序中[7]，并将所有数据上传至PLC的数据区，通过串口将上位机与PLC相连接，完成两者之间的信息交流。令内部监控软件有据可依，确保数控机床的每一步操作均准确无误。若数控机床在材料加工过程中出现异常，上位机即刻会接收到实时数据，并在监控画面中显示报警信息，以引起操作人员的及时关注，使其采取有效的措施予以处理，避免各类安全事故的发生，确保材料加工的顺利进行。

PLC在数控机床电气控制系统中的设计与应用，不仅要与上位机时刻保持信息沟通，确保数据传输能力的稳定可靠，还要将接收的各项信息转化成相应的控制指令，通过输出单元将孔位脉冲信息传递给伺服驱动器，进而完成材料加工的定位工作。待电气控制系统程序运行后，让润滑系统、水泵系统和照明系统依次开启，为后续的材料加工做良好的铺垫。将原材料对齐零点后，结合上机位传递的坐标数据，PLC将其转化成输出指令，使数控机床完成钻孔、定位和钻削等操作。同时将这整个过程的数据信息，实时反馈至上位机中，令监控工作顺利开展。无论何种原因触发报警开关后，数控机床的加工操作均会停止，从而避免不必要的人员伤亡和经济损失，确保材料加工的整体安全性。

在设计伺服机构的过程中，工作人员应对其性能方面着重关注，为材料加工奠定良好基础。若伺服机构性能较高，可以实现各项指令的快速响应，那儿材料加工质量可得到进一步的增强。而且，高性能的伺服系统也可以对电机的实时转速起到良好的检测效果，以确保数控机床的运行稳定。而伺服机构的参数设置，主要包括增量式、位移距离和相邻两孔之间的误差范围。根据企业产品的实际加工需求，选择合适的伺服系统，能够使材料的加工精度得到显著提升。

3.2 PLC控制系统功能要求

PLC控制系统应同时满足手动加工和自动加工的双重功能，使数控机床的实时加工位置得以明确，保障各项材料加工的顺利有序进行。手动加工功能是指通过上位机软件的调试页，实时观察机床上X、Y、Z轴的各项数值，从而准确掌握数控机床的加工位置，确保材料加工质量的稳定可靠。而自动加工功能，是通过输入程序、超程校验、调整零点坐标和按下启动伺服指令等环节，令数控机床按照预定的轨迹完成材料加工操作，并将相应的加工信息实时反映在显示屏上，以便后续的观察与调整。

4 基于PLC的数控机床电气控制系统精度验证

为了确保材料加工质量的稳定可靠，当电气控制系统设计完毕后，工作人员应利用少量材料对数控机床的加工精度进行验证。及时发现并处理相关问题隐患，为企业产品的大批量加工奠定坚实的基础。首先，工作人员先将PLC的输出脉冲调至最低，结合惯性和摩擦力等外界因素，对X、Y、Z轴的任意方向行走速度进行全面完整的搜集与评估。然后根据规范的操作流程，执行预定的材料加工程序，完成相应的材料加工制造，并利用海克斯康三坐标，对加工后的每个材料的各项参数进行测量。将所有参数汇总之后，结合平方和均值公式，计算出X、Y、Z轴的均值误差，从而掌握数控机床的实际加工质量。若X、Y、Z三轴的加工误差均小于材料加工时的标准水平，即代表数控机床的加工精度较高，可以开展大批量的加工操作，为企业产品的生产制造提供良好帮助。

5 结语

通过对PLC和数控机床电气控制系统的深入了解，可以发现PLC在数控机床的生产操作中占据着至关重要的地位。根据企业产品的生产需求，对上位机功能、PLC程序和伺服机构科学设计，不仅能够显著提升材料加工的速度和精度，还可以对数据机床的各项数据进行实时监控，避免各类安全事故的发生，确保材料加工的顺利进行，进而为我国企业的长远有序发展，发挥了积极的促进作用。