浅谈数控系统中PLC电气控制的应用

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　　摘要：
　　 可以说在数控机床的电气控制系统中，PLC――即可编程控制器是目前应用最广泛的一种控制装置，其设置于机床与NC系统之间，通过变频驱动、各个模块以及相应的操控监控设备等组成一个电气数字控制系统，利用编程输入、自动化加工以及友好的人机交互等控制方式，来提高机床的加工能力和工作效率。本文就针对PLC电气控制在数控系统中的应用展开讨论。
　　关键词：数控系统；PLC；应用
　　一、PLC简介
　　 PLC的最核心部分为中央处理器，即CPU，其包括存储器与CPU两个部分。一般中小型的PLCCUP通常是8位或者16位的微处理器，控制器为单片机。PLC的存储器也有两个部分，分别是系统程序存储器与用户程序存储器。其中监控、命令解释、故障诊断以及键盘输入处理与调用管理、功能子程序等均存储于系统存储器中；而一些编程输入的程序则存储于用户程序存储器中。由此可见，PLC其实质属于一种专用的计算机，其组成形式近似于微机，具体而言，PLC的主要组成部分包括：CPU，即微处理器、用户输入输出模块、输入输出的扩展接口、相关的外围设备与电源等。
　　 其中PLC的I/O接口模块的主要作用是连接CPU与作业现场，其包括开关量I/O接口、智能I/O接口以及模拟量I/O接口和通讯接口等，在实际应用过程中，用户可以按照自身的需求选择，进行不同功能的扩展，从而组成与实际生产要求相符的PLC控制系统。
　　通常PLC内置型与独立型两种。内置型PLC是指其包含在CNC装置中，属于CNC的一个组成部分，通常这种PLC不再另配I/O接口，而是与CNC共用I/O接口进行输出与输出；独立型PLC则自身具备完整的软硬件，可以独立完成CNC的任务要求，这种PLC有自己的独立的I/O接口，比较有利用后续的功能扩展。
　　PLC的优势主要体现在以下几个方面：第一，传统机床无法加工的曲面、曲线等工件可以通过PLC加工出来，因为计算机可以将每个坐标轴的瞬时运动量准确的计算出来，从而复合为复杂的曲线、曲面。第二，能够实现柔性自动化的加工模式，与传统的机床相比，其工作效率可以提高七倍。计算机的记忆存储功能可以存储输入的程序，只需自动执行程序即可完成自动控制。第三，加工出来的工件尺寸分散小、精度高，使得装配更加容易。第四，多工序集中处理，从而工件可以不必在机床间被频繁移动。第五，PLC拥有各种自动报警、监控及自动补偿等功能，长时间无人看管也可自动加工，解放了劳动力。
　　二、PLC的整体设计
　　 通常一台车床的加工控制系统包括控制模块、伺服单元、控制面板、编码器、显示器、刀库以及机床的外部信号和手脉等几个部分。如果控制系统所用的是内置型PLC，则要把PLC集成至控制单元中，在CNC与PLC之间进行内部控制信号的双向传递；CNC控制伺服单元，编码器向伺服单元反馈位置信号；其它的操作面板、机床外部信号以及刀库等均由PLC通过位置反馈半闭环控制的方法进行控制。
　　 CNC与PLC共同组成控制模块，再连接伺服单元、操作面板、刀库及机床的外部信号进行信号传输；在加工过程中，可以通过PLC的输入模块、限位开关以及脉冲编编码器等模块实时采集设备运行状态的数据，再将整理过的数据传输至控制模块，做相应的运算，此时控制模块会参照显示器与操作面板所显示范操作指令结合前面的计算结果，最终完成加工过程及其相关的数据处理。
　　三、PLC在数控机床中的安全互锁
　　（一）安全互锁
　　 我们可以假设现在有A、B两个加工过程，基于安全角度考虑，A动作后会对B动作有所限制，则这种限制则称为A对B有安全互锁，如果A与B互有安全互锁功能，则称其为双向安全互锁。PLC在异常的情况下，要有安全互锁功能紧急保护设备与操作者，而且要向操作者发出报警。所以在设计时要详细分析易出现事故的工作环境，在电气设计过程中实现安全互锁功能。
　　（二）急停
　　如果发生了紧急情况，操作人员要按下急停按钮，以防止出现事故或者事故进一步扩大，所以争停按钮非常重要，必须保证其可以将各运动部件及时停止，比如进给轴、刀架以及主轴等等。目前常见的作法是按下急停按钮除了控制电源外，其它的动力电源全部关闭。还可以按停急停按钮将各运动部件驱动器的使能信号切断，不过这种方法不适用于驱动器失控的情况下。在电气设计中，急停的安全互锁是必不可少的。
　　（三）限位
　　如果进给轴或者其它移动部件有位置要求，超出了设计的行程范围，则要利用限位信号对其予以保护。通常限位信号不仅要在出现限位时禁止移动部件发生移动，而且还要向NC发出限位方向的通知，从而如果脱离限位状态是通过超程解除等方法来实现的情况下，不会出现由于误操作而导致超行程的进一步扩大，即只允许移动部件向着限位方向的反方向移动限位。通常这种安全互锁在电气设计与软件设计时可以实现。
　　（四）进给驱动装置
　　 一般数据机床自动加工过程中的进给运动需要由至少两个或者以上的进给驱动装置共同完成，所以如果其中一个驱动装置发生报警，则自动加工装态就要停止。通常在软件设计过程中，即可实现这种驱动装置的安全互锁。
　　（五）主轴单元
　　机床的刀具或者工件所产生的切削运动是由数控机床的主轴回转运动所带动的，主轴单元的安全互锁主要包括以下几点要求：第一，如果主轴出现报警，则要立刻停止自动加工，以避免刀具或者主轴被损坏；第二，如果主轴的档位有数个，则主轴未成功换挡的情况下要禁止机床继续自动加工以及主轴不可再连续运动；第三，如果主轴处于运动的状诚，要绝对禁止需要主轴静止才能操作的过程，比如自动换刀或者刀具的松紧等。通常在进行软件设计时可以实现前两点，而第三点则可以通过电气设计来实现。
　　（六）三相异步电动机的换向
　　电机的旋转方向可以通过更换三相异步电机任意两相电源来实现。如果同时闭合控制正、反转的两个交流接触器，就会使得在相电源的其中两相出现短路，所以该两个交流接触器控制要双向安全互锁。而且交流接触器的释放会相对滞后，如果两个交流接触器的控制线圈同步得电，则仍然存在一个瞬间同步接通的过程，从而使得电源瞬时短路，所以软件设计过程中正、反转的安全互锁必不可少。
　　（七）换刀
　　 在换刀或者换刀不成功时，要绝对禁止主轴运动，特别是铣床，而且系统程序的自动加工进给也要同时禁止；自动换刀镗铣床如果使用的是盘式刀库或者机械后，则在松、紧刀时要禁止Z轴移动。当自动换刀镗铣刀库与主轴靠近时，Z轴要禁止移动，在刀具未被夹紧的情况下，主轴要禁止旋转，机床的自动进给同样要禁止。
　　四、调试
　　按照相关要求对数控控制柜、现场接线进行全面检查后，就要进行成套设备的联机调试，在通电的情况下，出于安全考虑，要准备随时按急停按钮以便即时切断电源。通常调试的基本步骤如下：第一步，进行通电试车，在通电后先观察是否有报警，再将其它各部件手动启动，对导轨的运行状况、部件的运转情况、安全装置的作用等进行测量；第二步，程序的调试，利用通讯接口将事前编好的梯形图传送至控制系统，再由监视功能调试梯形图程序；第三步，调试伺服系统，以保证机床的运行效率；此外还要对机床的运行参数做进一步的优化，以保证系统处于最佳的工作状态。
　　参考文献：
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　　[4] 姜云宽. PLC在数控系统中应用研究[J].科技论坛,2011(1)

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