文/徐永梅

數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中必備的設(shè)備。在傳統(tǒng)的應(yīng)用中，數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)大都是采用繼電器和接觸器來進(jìn)行控制的，這種控制的方式線路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且在其運(yùn)行的過程中極易發(fā)生系統(tǒng)故障，一旦發(fā)生故障，要想進(jìn)行維修，十分困難，而且維修的成本也十分高昂。采用可編程邏輯控制器PLC進(jìn)行數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能優(yōu)化這一問題，不但節(jié)省相關(guān)企業(yè)的各項(xiàng)成本，還能有效提高生產(chǎn)的效率。

1 數(shù)控機(jī)床概述

數(shù)控機(jī)床是指用數(shù)字化技術(shù)加工作業(yè)及運(yùn)動的過程和結(jié)果進(jìn)行控制的加工機(jī)床，其主要由五個部分構(gòu)成，分別是機(jī)床主體、動力源、電氣控制單元、檢測傳感部分和伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床屬于機(jī)床本位當(dāng)中的核心部分，其中數(shù)控系統(tǒng)是對數(shù)字控制方式應(yīng)用的有效體現(xiàn)。

基于PLC的數(shù)控機(jī)床，包括2類：其一為內(nèi)裝型的PLC，屬于CNC的裝置，可針對數(shù)控機(jī)床的實(shí)現(xiàn)順序控制；其二為獨(dú)立于CNC的PLC裝置，無論是軟件或者硬件功能都非常完備，數(shù)控機(jī)床或者其他順序的控制領(lǐng)域都可得到滿足，所以第二類的應(yīng)用更加廣泛。

1.1 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分析

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)成，主要包括機(jī)床、指揮控制、輸入+輸出接口當(dāng)中的驅(qū)動裝置，能夠有效地利用數(shù)字輸入進(jìn)行機(jī)床的控制。數(shù)控機(jī)床電氣控制當(dāng)中的總體布局，主要是應(yīng)用了相對簡單的立式結(jié)構(gòu)，由X軸和y軸構(gòu)成，這樣控制起來會更加簡單。通過數(shù)字控制，X軸和y軸會通過電機(jī)的運(yùn)作帶動滾珠杠進(jìn)行螺旋運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上，加入Z軸結(jié)構(gòu)，這樣會使數(shù)控機(jī)床在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，更精細(xì)地進(jìn)行機(jī)械零部件的加工，并提高加工的精度，這樣十分有益于對效率進(jìn)行提升，使得精度更高。

除了機(jī)床主體以外，數(shù)控機(jī)床還包括動力源、電氣控制單元、檢測傳感部分和伺服系統(tǒng)。這些共同組成了數(shù)控機(jī)床，其中動力源視為整個數(shù)控機(jī)床提供動力的；電氣控制單元的功能比較齊全，既要接受相應(yīng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，還要生成相應(yīng)的指令，然后傳遞到下一環(huán)節(jié)；檢測傳感部分則是對整臺數(shù)控機(jī)床工作的狀態(tài)進(jìn)行檢測的模塊，查看其工作的狀態(tài)是否出現(xiàn)偏差，在檢測的同時(shí)，將檢測的結(jié)果反饋給上機(jī)位控制系統(tǒng)，并由其進(jìn)行反饋控制或者進(jìn)行位置的顯示，從而有效控制數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行；伺服系統(tǒng)則是則是進(jìn)行精細(xì)加工的部位。

1.2 數(shù)控機(jī)床與PLC之間的連接

在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)中，大都分為通用型的PLC和內(nèi)裝型的PLC兩種。針對PLC以及CNC的相關(guān)設(shè)計(jì)工作，兩者各自獨(dú)立。而且PLC具有十分完備的硬件設(shè)置與軟件系統(tǒng)，可獨(dú)立完成一些規(guī)定控制任務(wù)。但是，內(nèi)裝型PLC在設(shè)置方面必須根據(jù)數(shù)控機(jī)床控制順序的相關(guān)設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合其制造的特點(diǎn)進(jìn)行生成作業(yè)，屬于CNC的裝置設(shè)計(jì)，在電腦網(wǎng)絡(luò)資源上能夠與CNC裝置結(jié)合在一起進(jìn)行應(yīng)用，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，能夠高質(zhì)量地完成PLC以及CNC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信號的互動交流以及傳遞。針對CNC的功能基本規(guī)劃，設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)并進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化處理，從而使其結(jié)構(gòu)變得更加科學(xué)、更加嚴(yán)謹(jǐn)。這樣，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與PLC系統(tǒng)之間的有效連接，使數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)變得更加完善，從而更好地展現(xiàn)出數(shù)控機(jī)床的功效。在實(shí)操中，數(shù)控機(jī)床的工作原理如圖1所示。

2 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)PLC設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，在電氣控制系統(tǒng)方面普遍采用了繼電器與接觸器，以二者的有效結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制的，這種電氣控制的方式，在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，而且很容易發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)行故障，一旦發(fā)生系統(tǒng)運(yùn)行故障，檢測維修也十分困難，同時(shí)，檢測維修的成本也較高。隨著可編程邏輯控制器——PLC的發(fā)展，將其運(yùn)用到數(shù)控機(jī)床電控制系統(tǒng)當(dāng)中，采用PLC設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，在進(jìn)行加工作業(yè)時(shí)，一旦需要更改加工的工藝與產(chǎn)品的參數(shù)，操作人員不需要停止數(shù)控機(jī)床，更換相應(yīng)的元器件，而是在輸入的界面將需要加工產(chǎn)品的工藝程序代碼與參數(shù)輸入進(jìn)去就可以完成更新，使數(shù)控機(jī)床能夠生產(chǎn)出想要的產(chǎn)品。這樣一來，就節(jié)約了大量的時(shí)間和人工成本，并提高企業(yè)產(chǎn)品加工的效率，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，提高企業(yè)的市場競爭力。

3 PLC數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)

在數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用中，為了更好地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的效率，人們往往會忽略精度的加工。隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)對于精度的要求越來越高，采用PLC設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的電氣化控制系統(tǒng)，通過重新規(guī)劃數(shù)控機(jī)床的變頻器、光柵和電機(jī)等部分，將其形成一個更加完善的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而有效地監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)床的自動化生產(chǎn)加工作業(yè)，這樣就能有效地提高相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)效率，促進(jìn)其健康地發(fā)展。

3.1 數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)造設(shè)置

在數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)中，硬件設(shè)計(jì)是保障整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。在進(jìn)行硬件構(gòu)造的設(shè)置時(shí)，其上機(jī)和下機(jī)位的軟件以及機(jī)械電路等所有的硬件設(shè)置，能促進(jìn)機(jī)床自身的驅(qū)動實(shí)施，同時(shí)還能促進(jìn)每一個部分彼此之間實(shí)現(xiàn)信息的傳遞，可構(gòu)成相應(yīng)的保護(hù)，從而保證數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)能夠正常地運(yùn)行?？梢哉f，硬件設(shè)置是整個系統(tǒng)的軀干。因此，針對性地提升數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)造，能對數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)構(gòu)造產(chǎn)生極大的推動作用。數(shù)控機(jī)床當(dāng)中的硬件構(gòu)成主要包括：機(jī)械手的設(shè)置和斷刀檢測兩個部分，其中機(jī)械手的設(shè)置通常會存在兩個相對自由的度，能夠?qū)崿F(xiàn)刀具的加減更換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的自由舒展，加上電磁閥開關(guān)，能夠控制機(jī)械手進(jìn)行自由伸出和收回的動作，這樣一來，在應(yīng)用刀具進(jìn)行相應(yīng)零部件的加工作業(yè)時(shí)，可使其變得更加方便，加工的精度也會變得更高，為了對刀具的準(zhǔn)確歸位進(jìn)行保障，盡量避免機(jī)械手在運(yùn)行中出現(xiàn)偏差的情況，可以應(yīng)用SIMOTION D進(jìn)行控制，以增強(qiáng)機(jī)械手運(yùn)動時(shí)的活塞磁性。在實(shí)際的運(yùn)用中，當(dāng)機(jī)械手運(yùn)行到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的位置時(shí)，SIMOTION D就會感應(yīng)到相應(yīng)的開關(guān)是否被接通，一旦感應(yīng)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)情況出現(xiàn)時(shí)，就會自主關(guān)閉進(jìn)氣路，這樣一來，機(jī)械手就會準(zhǔn)確歸位，實(shí)現(xiàn)正常的運(yùn)行，不會出現(xiàn)任何的偏差。

除了機(jī)械手的設(shè)置以外，在數(shù)控機(jī)床的硬件設(shè)置中，斷刀檢測也是十分重要的環(huán)節(jié)。在設(shè)置這部分的內(nèi)容時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以采用三根合適的連接線，將光纖傳感器恰當(dāng)?shù)剡B接在額定電源上，然后利用電阻形成電平輸出。此時(shí)，檢驗(yàn)人員就可以根據(jù)光纖中紅外線的輸入輸出數(shù)據(jù)，檢測并判斷刀具是否存在斷裂的現(xiàn)象，是否出現(xiàn)了失效的情況，一旦判斷刀具出現(xiàn)了問題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，更換新的刀具，從而保障數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行。

3.2 數(shù)控機(jī)床的軟件功能設(shè)置

筆者在前文已經(jīng)說過，硬件設(shè)計(jì)是數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的軀體，而軟件則相當(dāng)于整體系統(tǒng)的靈魂。因此，僅進(jìn)行硬件構(gòu)造的改造是不夠的，還必須根據(jù)硬件設(shè)置的變化，設(shè)計(jì)合適的軟件，使軟件的功能能夠滿足硬件設(shè)置的運(yùn)行需求。只有這樣，才能使數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)更加適應(yīng)其運(yùn)行的環(huán)境。在更新軟件功能時(shí)，應(yīng)分為上機(jī)位軟件和下機(jī)位軟件，其中上機(jī)位軟件是控制整個計(jì)算機(jī)運(yùn)行的軟件，而下機(jī)位軟件才是在PLC上運(yùn)行的系統(tǒng)控制軟件，與上機(jī)位和PLC 之間實(shí)現(xiàn)通信，并能有效地使伺服系統(tǒng)和檢測傳感部分相結(jié)合，根據(jù)上機(jī)位的命令驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加工作業(yè)，并將監(jiān)控到的機(jī)床工作狀態(tài)反饋給上機(jī)位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可優(yōu)化的部分，并及時(shí)進(jìn)行優(yōu)化處理。這樣周而復(fù)始，不斷循環(huán)，能使各項(xiàng)任務(wù)更加有條理地進(jìn)行下去，從而提高相關(guān)企業(yè)的工作效率，促進(jìn)其健康、可持續(xù)發(fā)展。

圖1：機(jī)床工作原理圖

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著可編程邏輯控制器——PLC的發(fā)展的廣泛應(yīng)用，在數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)中進(jìn)行PLC的設(shè)計(jì)，能有效提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率，并有效降低相關(guān)企業(yè)的各方面成本。本文就分析了數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)，這僅是筆者的一點(diǎn)個人淺見，希望能對相關(guān)企業(yè)數(shù)控機(jī)床電器控制系統(tǒng)的改造升級提供參考。