数控机床电气控制系统的PLC设计

1、    数控机床电气控制系统的plc设计    陈勇摘要：数控机床是一种典型的机电一体化系统，它的出现可以更好地解决一些复杂而又精密零件的生产问题。而使用plc的数控机床电气控制系统是数控技术发展的必然趋势。本文阐述了数控机床电气控制系统的基本结构，并探讨了数控机床电气控制系统的plc设计，以供参考。关键词：数控机床；plc；电气控制系统；故障分析引言近年来，数控机床作为一种高精度、高效率的自动化机床，得到了广泛的应用。然而，随着加工件对精密程度的要求的提高，对数控机床的要求也越来越高。其中，数控机床电气控制系统的plc设计，不仅可以进一步提高机床的自动

2、化水平，也能提高机床的加工精度和可操控性。鉴于此，本文主要探讨了数控机床电气控制系统的plc设计，以期为plc在数控机床中的进一步应用提供参考。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

3、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

4、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（

5、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 系统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220v交流电及24v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

6、查各接口电路。（2）交流回路利用接触器的得电、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4所示）。（3）直流控制回路由于中间继电器一般由24v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

7、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、

8、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。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）電气方面的原因，如急停回路断路、限位开关损坏、急停按钮损坏等。（2）系

9、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 结语总而言之，plc对于现代数控系统的发展有着非常重要的推动作用。通过plc数控机床在机械部分和电气控制系统方面的改造，不仅提高了整个机床的安全可靠性、加工精度及生产率，也实现了数控机床的自动化。然而，随着时代的发展，plc逻辑处理功能也将越来越完善，要想最大限度地发挥其精