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摘要：本文介绍了数控机床的发展现状以及其工作原理，针对数控机床的系统功能、控制原理以及主要硬件进行了分析，并对控制软件部分进行了描述，最后设计出一套基于PLC的数控机床电气控制系统。
关键词： PLC；数控机床；电气控制；设计
1 前言
随着现代化技术的发展，在机械行业数控机床得到了广泛的应用，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。数控机床控制系统除了对各个坐标轴的方位进行连续控制以外，还需要对数控机床主轴的启动、停止以及转向和给进运动进行控制，并且还能满足换刀控制以及进行夹具定位等精密动作，对其进行指定次序的连续控制。
随着计算机技术的快速发展，可编程序控制器（PLC）技术得到了突飞猛进，数控机床的各种动作的完成是靠机床中的电气控制系统中的核心PLC来完成的。本课题正是对PLC控制技术进行研究分析，进而实现数控机床在PLC控制的基础上进行的电气控制的设计，主要包括对数控机床的工作原理的阐述，同时对电气控制系统中的主要实现部件可编程序控制器PLC进行分析和选用，从而提出一套完整的基于PLC的数控机床电气控制系统的设计方案。
2 数控机床工作原理概述
数控机床的控制系统主要由机械装置、硬件电路以及上位机和下位机软件构成，数控机床的控制系统是机床本体的中央枢纽部分，其工作原理主要是通过数字控制的方式对执行部分进行指挥控制。
数控机床的主轴的启动、停止以及转向和给进运动的完成是靠机床中的电气控制系统中的核心PLC来完成的，PLC主要包括输入部分，逻辑分析部分以及输出部分这三大逻辑部分构成。PLC的输入部分主要负责收集所要求的被控制部分实际运动参数的数据，并对这些数据进行存储；逻辑分析部分是用来分析处理输入部分所获取的数据信息，并判断由哪个执行部分做出相应的输出反应；输出部分是将分析判断后的结果信息进行相应输出，提供给相应的执行装置，使其做出相应的执行动作。
3 数控机床电气控制系统硬件设计
数控机床的控制系统主要由硬件部分和软件部分组成，下面我们对这两个部分分别进行详细分析。
（1）控制系统硬件部分
电气控制系统的硬件电路组成部分主要包括有工控机、SIMOTION、电源模块、电机模块、光栅尺、主轴、变频器和传感器。具体构成如图1所示。
图1 数控机床控制系统构成
上位机：工控机作为该系统的上位机，主要是通过人机界面将加工文件中的数据输入并读取到数控机床加工流程，并且可以为使用者提供友好的界面，来人工设定一系列加工参数，读取进计算机内部处理系统，并通过TCP/IP协议，将这些参数数据传送至运动控制器中。
SIMOTION运动控制器：SIMOTION是整个数控机床控制系统的核心部分，SIMOTION的运行的速度以及可靠性，直接影响着整个系统的稳定性。该系统所选取的SIMOTION是由西门子公司生产的PLC5300以及西门子的运动控制器两者组合在一起的，它不仅承接了PLC在控制运用上的高度的可靠性的特点，与此同时也承接了运动控制系统的灵活特性。使用SIMOTION的原因是为了实现各种执行动作任务所提供的稳定、灵活、简单的控制系统，主要完成运动控制、逻辑控制、工艺控制这三种功能。
电源模块：它采用变频的方式，将一定频率的交流电转变为直流电，然后再通过逆变器把直流电转变为固定频率的交流电。通过电源模块SIMOTION控制系统把工业交流电转变为直流电，然后再重新分配给多个电机模块。
电源模块可以分为两种，一种是可调电源模块，它能够根据所设定的参数将转化出来的直流电稳定在一个固定的范围内，可以通过调节，才这个范围内线性变化；另一种是不可调电源块，它只能稳定在一个固定电压数值的直流电。
电机模块：电机模块主要功能是把600V的直流电，逆变成固定频率的三相交流电，为电机提供能源。
光栅尺：西门子伺服电机自身带有编码器，但是这种电机编码器的精度只能达到10微米，然而我们要求的是5微米，这离目前我们所要求的数值相差有一定距离。因此采用光栅尺来检测工作台的精确位置，然后将位置信息通过SMC30传送给控制器。
主轴：数控机床的主轴选用的是西风公司的高效率PCB钻孔主轴，它是精度高、寿命长、稳定性强的全功能的PCB钻孔主轴。这种主轴采用的是全流道冷却系统，采用干净的水循环进行冷却。并且采用启动夹紧的道具夹紧方式，可靠性极强。
变频器
由于数控机床的主轴转速需要非常高的速度，为此要对主轴进行精密控制需要选择一种高速变频器。目前我们常使用的台达V系列变频器能够满足这个要求。但是目前的SIMOTION上没有与该台达变频器连接的485串行接口进行通讯，我们采用模拟量控制方式来控制该变频器。
4 数控机床电气控制系统的软件设计
数控机床的各种可靠性能和他的作业能力由其电气控制系统所具备的特点来决定，可以说，电气控制系统对基于PLC控制的数控机床的各项功能起着关键作用，所以开发设计数控机床的电气控制系统的软件工作也是相当重要的。与工控机运行的人机界面软件相对来说，SIMOTION中所运行的软件属于下位机软件，是通过上位机传输数据并控制执行部件做出动作的控制系统。
上位机是通过数据传输读取文件信息，随后将数据信息传输给SIMOTION，SIMOTION收到数据信息后经过数据编码处理来控制电机模块驱动电机转动，这样便可以带动工作台从而进行位置控制。这个时候光栅尺便可以检测到工作台位置的详细信息，传感器将光栅尺的采集的信号转化为标准信号，传递给SIMOTION，然后再反馈给运动控制器，SIMOTION便可以根据指令调整工作台的位置。
5 结束语
随着数控技术以及计算机信息技术的快速发展，可编程控制器PLC的逻辑处理能力也随之大大提高，基于PLC数控技术在我国得到了广泛应用，但是数控机床的水平还不够高，这便制约了我国生产加工工艺水平的提高。分析其原因，主要实关键部分即电气控制系统技术不够成熟，为此本文通过理论分析，试验调试等设计出基于PLC的数控机床的电气控制系统，提高了数控机床工作的可靠性和灵活性，使数控技术在实际生产应用中发挥了更大作用。
参考文献
[1] 李华. PLC 在数控机床控制系统中的应用[J].职业圈，2007，（07X）：158- 159.
[2] 李纪三，舒朝君，刘永喜.PLC在数控机床功能控制中的应用[J].机床电器，2008，35（2）：12- 14.
[4] 卢成斌. PLC 和变频器在车床数控改造中的应用[J].数控机床市场，2008，（1）：94- 96.
[5] 李铁军，张淑敏.PLC在数控机床电气控制方面的应用[J].机械工程师，2005，（9）：23- 25.
关键词： PLC；数控机床；电气控制；设计
1 前言
随着现代化技术的发展，在机械行业数控机床得到了广泛的应用，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。数控机床控制系统除了对各个坐标轴的方位进行连续控制以外，还需要对数控机床主轴的启动、停止以及转向和给进运动进行控制，并且还能满足换刀控制以及进行夹具定位等精密动作，对其进行指定次序的连续控制。
随着计算机技术的快速发展，可编程序控制器（PLC）技术得到了突飞猛进，数控机床的各种动作的完成是靠机床中的电气控制系统中的核心PLC来完成的。本课题正是对PLC控制技术进行研究分析，进而实现数控机床在PLC控制的基础上进行的电气控制的设计，主要包括对数控机床的工作原理的阐述，同时对电气控制系统中的主要实现部件可编程序控制器PLC进行分析和选用，从而提出一套完整的基于PLC的数控机床电气控制系统的设计方案。
2 数控机床工作原理概述
数控机床的控制系统主要由机械装置、硬件电路以及上位机和下位机软件构成，数控机床的控制系统是机床本体的中央枢纽部分，其工作原理主要是通过数字控制的方式对执行部分进行指挥控制。
数控机床的主轴的启动、停止以及转向和给进运动的完成是靠机床中的电气控制系统中的核心PLC来完成的，PLC主要包括输入部分，逻辑分析部分以及输出部分这三大逻辑部分构成。PLC的输入部分主要负责收集所要求的被控制部分实际运动参数的数据，并对这些数据进行存储；逻辑分析部分是用来分析处理输入部分所获取的数据信息，并判断由哪个执行部分做出相应的输出反应；输出部分是将分析判断后的结果信息进行相应输出，提供给相应的执行装置，使其做出相应的执行动作。
3 数控机床电气控制系统硬件设计
数控机床的控制系统主要由硬件部分和软件部分组成，下面我们对这两个部分分别进行详细分析。
（1）控制系统硬件部分
电气控制系统的硬件电路组成部分主要包括有工控机、SIMOTION、电源模块、电机模块、光栅尺、主轴、变频器和传感器。具体构成如图1所示。
图1 数控机床控制系统构成
上位机：工控机作为该系统的上位机，主要是通过人机界面将加工文件中的数据输入并读取到数控机床加工流程，并且可以为使用者提供友好的界面，来人工设定一系列加工参数，读取进计算机内部处理系统，并通过TCP/IP协议，将这些参数数据传送至运动控制器中。
SIMOTION运动控制器：SIMOTION是整个数控机床控制系统的核心部分，SIMOTION的运行的速度以及可靠性，直接影响着整个系统的稳定性。该系统所选取的SIMOTION是由西门子公司生产的PLC5300以及西门子的运动控制器两者组合在一起的，它不仅承接了PLC在控制运用上的高度的可靠性的特点，与此同时也承接了运动控制系统的灵活特性。使用SIMOTION的原因是为了实现各种执行动作任务所提供的稳定、灵活、简单的控制系统，主要完成运动控制、逻辑控制、工艺控制这三种功能。
电源模块：它采用变频的方式，将一定频率的交流电转变为直流电，然后再通过逆变器把直流电转变为固定频率的交流电。通过电源模块SIMOTION控制系统把工业交流电转变为直流电，然后再重新分配给多个电机模块。
电源模块可以分为两种，一种是可调电源模块，它能够根据所设定的参数将转化出来的直流电稳定在一个固定的范围内，可以通过调节，才这个范围内线性变化；另一种是不可调电源块，它只能稳定在一个固定电压数值的直流电。
电机模块：电机模块主要功能是把600V的直流电，逆变成固定频率的三相交流电，为电机提供能源。
光栅尺：西门子伺服电机自身带有编码器，但是这种电机编码器的精度只能达到10微米，然而我们要求的是5微米，这离目前我们所要求的数值相差有一定距离。因此采用光栅尺来检测工作台的精确位置，然后将位置信息通过SMC30传送给控制器。
主轴：数控机床的主轴选用的是西风公司的高效率PCB钻孔主轴，它是精度高、寿命长、稳定性强的全功能的PCB钻孔主轴。这种主轴采用的是全流道冷却系统，采用干净的水循环进行冷却。并且采用启动夹紧的道具夹紧方式，可靠性极强。
变频器
由于数控机床的主轴转速需要非常高的速度，为此要对主轴进行精密控制需要选择一种高速变频器。目前我们常使用的台达V系列变频器能够满足这个要求。但是目前的SIMOTION上没有与该台达变频器连接的485串行接口进行通讯，我们采用模拟量控制方式来控制该变频器。
4 数控机床电气控制系统的软件设计
数控机床的各种可靠性能和他的作业能力由其电气控制系统所具备的特点来决定，可以说，电气控制系统对基于PLC控制的数控机床的各项功能起着关键作用，所以开发设计数控机床的电气控制系统的软件工作也是相当重要的。与工控机运行的人机界面软件相对来说，SIMOTION中所运行的软件属于下位机软件，是通过上位机传输数据并控制执行部件做出动作的控制系统。
上位机是通过数据传输读取文件信息，随后将数据信息传输给SIMOTION，SIMOTION收到数据信息后经过数据编码处理来控制电机模块驱动电机转动，这样便可以带动工作台从而进行位置控制。这个时候光栅尺便可以检测到工作台位置的详细信息，传感器将光栅尺的采集的信号转化为标准信号，传递给SIMOTION，然后再反馈给运动控制器，SIMOTION便可以根据指令调整工作台的位置。
5 结束语
随着数控技术以及计算机信息技术的快速发展，可编程控制器PLC的逻辑处理能力也随之大大提高，基于PLC数控技术在我国得到了广泛应用，但是数控机床的水平还不够高，这便制约了我国生产加工工艺水平的提高。分析其原因，主要实关键部分即电气控制系统技术不够成熟，为此本文通过理论分析，试验调试等设计出基于PLC的数控机床的电气控制系统，提高了数控机床工作的可靠性和灵活性，使数控技术在实际生产应用中发挥了更大作用。
参考文献
[1] 李华. PLC 在数控机床控制系统中的应用[J].职业圈，2007，（07X）：158- 159.
[2] 李纪三，舒朝君，刘永喜.PLC在数控机床功能控制中的应用[J].机床电器，2008，35（2）：12- 14.
[4] 卢成斌. PLC 和变频器在车床数控改造中的应用[J].数控机床市场，2008，（1）：94- 96.
[5] 李铁军，张淑敏.PLC在数控机床电气控制方面的应用[J].机械工程师，2005，（9）：23- 25.