將印制電路板(PCB)進(jìn)行一定的加工，即可成為PCB數(shù)控鉆床，其核心就是對(duì)孔進(jìn)行平面定位，控制微孔加工鉆床。PCB數(shù)控鉆床有2種執(zhí)行方式：1)通過(guò)直線電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)；2)采用伺服電動(dòng)機(jī)或者步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠作為執(zhí)行部件。目前，大多數(shù)新型電氣控制系統(tǒng)的選型都充分考慮了其各部分接口的兼容性，因?yàn)檫@樣的接口設(shè)計(jì)能更加高效地完成工作。

1 數(shù)控機(jī)床概述

　　數(shù)控機(jī)床主要是由機(jī)械部分，硬件電路和上、下位機(jī)軟件3部分組成。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床本體的核心部分，其數(shù)控系統(tǒng)主要體現(xiàn)對(duì)數(shù)字控制方式的應(yīng)用。

　　基于PLC的數(shù)控機(jī)床分為2類：第1類是內(nèi)裝型的PLC，其從屬于CNC裝置，這樣的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制；第2類是獨(dú)立于CNC裝置的PLC，其軟硬件功能都比較完備，數(shù)控機(jī)床或其他順序的控制領(lǐng)域都能滿足，相比較而言，第2類更通用一些。

2 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

　　PLC數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)是一個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)，主要由電動(dòng)機(jī)、變頻器和光柵尺組成，電氣控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高。

　　2.1 電氣控制系統(tǒng)組成

　　如圖1所示，電氣控制系統(tǒng)的組成部分有工控機(jī)、SIMOTION、電源模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、光柵尺、變頻器和傳感器等。

圖1 電氣控制系統(tǒng)總體方案原理圖

　　2.1.1 電源模塊

　　先通過(guò)變頻器將一定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟?，再通過(guò)逆變器將直流電變?yōu)轭A(yù)定頻率的交流電。電源模塊分為可調(diào)和不可調(diào)2種：可調(diào)電源模塊是根據(jù)參數(shù)把轉(zhuǎn)化出來(lái)的直流電穩(wěn)定為一個(gè)預(yù)定的可變值，并具有與SIMOTlON通信的功能；不可調(diào)電源模塊只能輸出一個(gè)固定的直流電壓值，而且不能與SIMOTION通信。

　　2.1.2 電動(dòng)機(jī)模塊

　　通過(guò)電動(dòng)機(jī)模塊將直流電逆變?yōu)轭A(yù)定頻率的交流電，供電動(dòng)機(jī)使用。電動(dòng)機(jī)模塊分為裝機(jī)裝柜型和書本型2種類型，書本型又分為單軸和雙軸2種形式。

　　2.1.3 SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器

　　SIMOTION是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的核心部分，其運(yùn)行速度和可靠性對(duì)整個(gè)電氣控制系統(tǒng)起著決定性的影響，其主要有3個(gè)功能，即運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制和工藝控制。

　　2.2 電氣控制系統(tǒng)的硬件部分

　　硬件的設(shè)計(jì)是電氣控制系統(tǒng)不可忽略的部分，其中包括機(jī)械手自動(dòng)換刀、斷刀檢測(cè)和深度檢測(cè)等。

　　2.2.1 機(jī)械手自動(dòng)換刀

　　機(jī)械手換刀有2個(gè)自由度，這對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的工作效率起到了很大的作用。其原理是通過(guò)控制電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)伸展機(jī)械臂和刀具夾緊功能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸展、收回、夾緊和松開刀具的動(dòng)作，完成自動(dòng)換刀。

　　2.2.2 斷刀檢測(cè)

　　如圖2所示，斷刀檢測(cè)系統(tǒng)的核心是1個(gè)OC門的光纖傳感器，OC門的3根接入線直接接到24 V的電源上，這樣，信號(hào)線和24 V電阻就構(gòu)成了1個(gè)電平輸出。

圖2斷刀檢測(cè)示恿圖

　　在加工過(guò)程中，刀具可能會(huì)受到磨損，甚至斷裂。為了保證加工質(zhì)量，必須檢測(cè)刀具是否正常。如果刀具受到磨損，機(jī)床能夠保證自動(dòng)換刀并通知上機(jī)位。斷刀檢測(cè)主要是通過(guò)光纖傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

　　2.2.3 深度檢測(cè)

　　由于換刀時(shí)主軸夾緊的位置是由機(jī)械手或者人工將刀具插入的深度決定的，所以需要用深度檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)刀具的深度。

　　2.3 基于PLC數(shù)控機(jī)床電氣控制的研究策略

　　數(shù)控機(jī)床電氣控制的方式是決定電氣控制系統(tǒng)是否安全、可靠的關(guān)鍵因素，因此，研究PLC數(shù)控機(jī)床的電氣控制方式十分重要。

　　整個(gè)電氣控制系統(tǒng)最重要的部分就是軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)也是硬件結(jié)構(gòu)的核心。運(yùn)行在SIMOTION中的軟件為下位機(jī)軟件，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行部件工作，同時(shí)完成機(jī)床狀態(tài)的檢測(cè)。當(dāng)軸組裝好以后，即可通過(guò)程序進(jìn)行操作，而SIMOTION的內(nèi)部程序是由操作系統(tǒng)調(diào)用的。

　　工控機(jī)主要是讀取文件信息，然后把數(shù)據(jù)傳遞給SIMOTION，SIMOTION收到數(shù)據(jù)便會(huì)控制電動(dòng)機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行位置控制；與此同時(shí)，柵尺檢測(cè)到工作臺(tái)的信息，再傳遞給SIMOTION，這樣就可以對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整。但是，光柵尺的信號(hào)是不能被SIMOTION直接識(shí)別的，所以傳感器必須先將光柵尺的信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)；再傳遞給SIMOTION，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程；最后使工作臺(tái)的工作狀態(tài)通過(guò)多個(gè)傳感器(斷刀檢測(cè)器、深度檢測(cè)器)檢測(cè)，并傳人電氣控制系統(tǒng)。需要注意的是，傳感器的信號(hào)也必須先經(jīng)過(guò)ET200到達(dá)sIMOTl0N中進(jìn)行信號(hào)處理，才能被傳人電氣控制系統(tǒng)。

　　將印制電路板(PCB)進(jìn)行一定的加工，即可成為PCB數(shù)控鉆床，其核心就是對(duì)孔進(jìn)行平面定位，控制微孔加工鉆床。PCB數(shù)控鉆床有2種執(zhí)行方式：1)通過(guò)直線電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)；2)采用伺服電動(dòng)機(jī)或者步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠作為執(zhí)行部件。目前，大多數(shù)新型電氣控制系統(tǒng)的選型都充分考慮了其各部分接口的兼容性，因?yàn)檫@樣的接口設(shè)計(jì)能更加高效地完成工作。

1 數(shù)控機(jī)床概述

　　數(shù)控機(jī)床主要是由機(jī)械部分，硬件電路和上、下位機(jī)軟件3部分組成。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床本體的核心部分，其數(shù)控系統(tǒng)主要體現(xiàn)對(duì)數(shù)字控制方式的應(yīng)用。

　　基于PLC的數(shù)控機(jī)床分為2類：第1類是內(nèi)裝型的PLC，其從屬于CNC裝置，這樣的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床順序控制；第2類是獨(dú)立于CNC裝置的PLC，其軟硬件功能都比較完備，數(shù)控機(jī)床或其他順序的控制領(lǐng)域都能滿足，相比較而言，第2類更通用一些。

2 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)

　　PLC數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)是一個(gè)全閉環(huán)系統(tǒng)，主要由電動(dòng)機(jī)、變頻器和光柵尺組成，電氣控制系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高。

　　2.1 電氣控制系統(tǒng)組成

　　如圖1所示，電氣控制系統(tǒng)的組成部分有工控機(jī)、SIMOTION、電源模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、光柵尺、變頻器和傳感器等。

圖1 電氣控制系統(tǒng)總體方案原理圖

　　2.1.1 電源模塊

　　先通過(guò)變頻器將一定頻率的交流電變?yōu)橹绷麟?，再通過(guò)逆變器將直流電變?yōu)轭A(yù)定頻率的交流電。電源模塊分為可調(diào)和不可調(diào)2種：可調(diào)電源模塊是根據(jù)參數(shù)把轉(zhuǎn)化出來(lái)的直流電穩(wěn)定為一個(gè)預(yù)定的可變值，并具有與SIMOTlON通信的功能；不可調(diào)電源模塊只能輸出一個(gè)固定的直流電壓值，而且不能與SIMOTION通信。

　　2.1.2 電動(dòng)機(jī)模塊

　　通過(guò)電動(dòng)機(jī)模塊將直流電逆變?yōu)轭A(yù)定頻率的交流電，供電動(dòng)機(jī)使用。電動(dòng)機(jī)模塊分為裝機(jī)裝柜型和書本型2種類型，書本型又分為單軸和雙軸2種形式。

　　2.1.3 SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器

　　SIMOTION是整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的核心部分，其運(yùn)行速度和可靠性對(duì)整個(gè)電氣控制系統(tǒng)起著決定性的影響，其主要有3個(gè)功能，即運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制和工藝控制。

　　2.2 電氣控制系統(tǒng)的硬件部分

　　硬件的設(shè)計(jì)是電氣控制系統(tǒng)不可忽略的部分，其中包括機(jī)械手自動(dòng)換刀、斷刀檢測(cè)和深度檢測(cè)等。

　　2.2.1 機(jī)械手自動(dòng)換刀

　　機(jī)械手換刀有2個(gè)自由度，這對(duì)提高數(shù)控機(jī)床的工作效率起到了很大的作用。其原理是通過(guò)控制電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)伸展機(jī)械臂和刀具夾緊功能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手伸展、收回、夾緊和松開刀具的動(dòng)作，完成自動(dòng)換刀。

　　2.2.2 斷刀檢測(cè)

　　如圖2所示，斷刀檢測(cè)系統(tǒng)的核心是1個(gè)OC門的光纖傳感器，OC門的3根接入線直接接到24 V的電源上，這樣，信號(hào)線和24 V電阻就構(gòu)成了1個(gè)電平輸出。

圖2斷刀檢測(cè)示恿圖

　　在加工過(guò)程中，刀具可能會(huì)受到磨損，甚至斷裂。為了保證加工質(zhì)量，必須檢測(cè)刀具是否正常。如果刀具受到磨損，機(jī)床能夠保證自動(dòng)換刀并通知上機(jī)位。斷刀檢測(cè)主要是通過(guò)光纖傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

　　2.2.3 深度檢測(cè)

　　由于換刀時(shí)主軸夾緊的位置是由機(jī)械手或者人工將刀具插入的深度決定的，所以需要用深度檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)刀具的深度。

　　2.3 基于PLC數(shù)控機(jī)床電氣控制的研究策略

　　數(shù)控機(jī)床電氣控制的方式是決定電氣控制系統(tǒng)是否安全、可靠的關(guān)鍵因素，因此，研究PLC數(shù)控機(jī)床的電氣控制方式十分重要。

　　整個(gè)電氣控制系統(tǒng)最重要的部分就是軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)也是硬件結(jié)構(gòu)的核心。運(yùn)行在SIMOTION中的軟件為下位機(jī)軟件，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并控制執(zhí)行部件工作，同時(shí)完成機(jī)床狀態(tài)的檢測(cè)。當(dāng)軸組裝好以后，即可通過(guò)程序進(jìn)行操作，而SIMOTION的內(nèi)部程序是由操作系統(tǒng)調(diào)用的。

　　工控機(jī)主要是讀取文件信息，然后把數(shù)據(jù)傳遞給SIMOTION，SIMOTION收到數(shù)據(jù)便會(huì)控制電動(dòng)機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)進(jìn)行位置控制；與此同時(shí)，柵尺檢測(cè)到工作臺(tái)的信息，再傳遞給SIMOTION，這樣就可以對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行位置調(diào)整。但是，光柵尺的信號(hào)是不能被SIMOTION直接識(shí)別的，所以傳感器必須先將光柵尺的信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)；再傳遞給SIMOTION，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程；最后使工作臺(tái)的工作狀態(tài)通過(guò)多個(gè)傳感器(斷刀檢測(cè)器、深度檢測(cè)器)檢測(cè)，并傳人電氣控制系統(tǒng)。需要注意的是，傳感器的信號(hào)也必須先經(jīng)過(guò)ET200到達(dá)sIMOTl0N中進(jìn)行信號(hào)處理，才能被傳人電氣控制系統(tǒng)。

3 數(shù)控機(jī)床故障分析

　　為了預(yù)防或避免數(shù)控機(jī)床在加工過(guò)程中對(duì)操作人員、機(jī)床本身加工工件造成傷害或損傷，通常需要對(duì)急停和超程進(jìn)行處理。

　　HNC-21數(shù)控系機(jī)床的急停和超程保護(hù)硬件控制回路圖如圖3所示。

圖3 HNC-21數(shù)控系機(jī)床的急停和超程保護(hù)硬件控制回路圖

　　1)在正常情況下，急停按鈕是斷開的，其觸點(diǎn)處于常閉狀態(tài)。當(dāng)按下急停按鈕后，其觸點(diǎn)便會(huì)斷開，此時(shí)系統(tǒng)急?；芈匪刂频闹虚g繼電器(KA)就會(huì)斷開，移動(dòng)裝置(如進(jìn)給軸電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)和刀庫(kù)／架電動(dòng)機(jī)等)動(dòng)力電源就會(huì)被切斷；同時(shí)，連接PLC輸入端的中間繼電器(KA)的一組常開觸點(diǎn)所控制的PLC輸入信號(hào)(例如X2.4)向系統(tǒng)發(fā)出急停報(bào)警。此信號(hào)在打開急停按鈕時(shí)則作為系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)。

　　2)在正常情況下，超程限位開關(guān)處于松開狀態(tài)。若用戶操作數(shù)控機(jī)床，不慎將某軸的超程限位開關(guān)壓下，其常閉觸點(diǎn)斷開，使控制回路中的中間繼電器(KA)斷電，中間繼電器(KA)的一組常開觸點(diǎn)(例如X2.4)通過(guò)PLC輸入端向系統(tǒng)發(fā)出急停報(bào)警信號(hào)；同時(shí)，超程限位開關(guān)連接在PLC輸入端的常開觸點(diǎn)(如圖3中的X0.0、X 0.1)閉合，向系統(tǒng)發(fā)出超程報(bào)警信息。

4 結(jié)語(yǔ)

　　隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，PLC邏輯處理功能越來(lái)越完善，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中并沒(méi)有發(fā)揮最大的作用；為此，必須設(shè)計(jì)一套完整的電氣控制系統(tǒng)與之配合，各部分的選型應(yīng)充分考慮到其接口的兼容性，例如，電平、協(xié)議和通信速度。一套完好的電氣控制系統(tǒng)與選型的性能至關(guān)重要，同時(shí)，各部分的兼容性也影響單獨(dú)部分發(fā)揮的能力。

　在電動(dòng)機(jī)調(diào)試過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的溫度過(guò)高、振動(dòng)嚴(yán)重、低速嗚叫以及一般嗚叫等問(wèn)題。其中，電動(dòng)機(jī)的低速嗚叫與其載波頻率密切相關(guān)，而一般鳴叫則是電流增益引起的，振動(dòng)嚴(yán)重說(shuō)明伺服增益參數(shù)需要較大調(diào)整。

　　主軸調(diào)試、傳感器工作參數(shù)調(diào)試、自動(dòng)換刀和上位機(jī)控制調(diào)試是判斷高精度PLC數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)是否具有較高動(dòng)態(tài)特性、快速反應(yīng)能力、可靠性和抗干擾能力的關(guān)鍵因素。

　　由于數(shù)控機(jī)床電氣控制存在靈活性差和可靠性低等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)采用PLC對(duì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)、零件輸送帶的運(yùn)動(dòng)以及加工工藝流程進(jìn)行控制。該電氣控制系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)定控制要求，而且靈活性和可靠性能得到提高。通過(guò)對(duì)PLC數(shù)控機(jī)床在機(jī)械部分和電氣控制系統(tǒng)方面的改造，提高了生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化，在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用方面取得了一定的成就。