摘要：對數控機床電氣控制系統的控制方式、系統功能、主要實現部件，進行了選擇和分析，然後給出壹個完整的基於PLC的數控機
床電氣控制系統工作原理方案。
關鍵詞：PLC；數控機床；電氣控制
目前數控機床相關技術的發展，不僅要對各機床各個坐
標軸的位置進行連續控制外，而且需要對機床主軸停止、轉向
和進給運動的啟動和停止、刀庫及換刀機械手控制、切削液開
關、夾具定位等動作，進行特性次序控制。特定次序的控制信
息，由輸入/輸出控制，如控制開關、行程開關、壓力開關、溫
度開關等輸入元件，繼電器、接觸器和電磁閥等輸出元件控
制，同時還包括主軸驅動和進給伺服驅動的使能控制和機床
報警處理等[1~5]。
隨著可編程序控制器（PLC）技術的發展，上述綜合功能是
可以由數控機床中的可編程序控制器來完成的[1~2]。它是由輸
入部分，邏輯部分和輸出部分組成，輸入部分收集並保存被控
制部分實際運行的數據，邏輯部分處理輸入部分所取得的信
息，並判斷哪些功能需做出輸出反應。輸出部分提供正在被控
制的許多裝置中，哪幾個設備需要實時操作處理。筆者基於
PLC控制來分析對壹類數控機床的電氣控制設計，主要包括
對控制方式的選擇和分析；對電氣控制系統中的主要實現部
件進行分析和選用，以及提出完整的基於PLC的數控機床電
氣控制系統工作原理方案。
1基於P LC的數控機床電氣控制方式的選擇
數控機床電氣控制方式優劣，決定了控制系統的成敗[3,5]。
本文所提及的系統，要控制機床實現高速高精度的加工，所以
系統的性能至關重要：首先要根據預定要求和被控對象的特
征、控制精度、系統運行速度等限制進行了綜合考慮，同時，充
分考慮系統的性能價格比等因素，確定X、Y軸采用PC機+
運動控制器+電機+光柵尺的方式進行閉環控制。采用此種
方式，PC機發揮了強大的文件處理功能、人機交互功能以及
高速的數據處理功能，運動控制器則體現了高可靠性、高速
性、高精度等優點，光柵尺則為系統提供了高達1μm的精度
的位置信息。同時，運動控制器可以接入機床的各種傳感器，
並及時做出處理，提高了整個系統的可靠性和穩定性。運動控
制卡只能接入少數幾根軸，而運動控制器可以大量擴展軸的
數目，為系統以後的升級帶來便利。運動控制器同時還可以通
過壹個標準接口接入壹個PLC系統，即運動控制器同時可以
執行PLC功能。
2數控機床的功能分析
本文分析的數控機床，是壹拖四的機床，有X、Y軸和四
個Z軸上的伺服電機，來進行工作臺定位；X、Y、Z軸可以聯
動，四個Z軸可以同時運動，也可以分開運動。
為了提高加工精度，工作臺的X、Y軸運動，利用光柵尺
實現全閉環控制，對工作臺進行精確定位。通過外擴模擬量
I/O點對高速變頻器進行控制，實現四個主軸電機可以進行啟
停分開控制，轉速同步控制。X、Y軸進行兩側硬限位和軟限位
雙重保護，對Z軸下側進行軟硬限位。主軸轉速高達16萬
r/min，實現較高的加工效率，並配備專用的冷卻水泵對電機
進行冷卻，同時實時檢測電機溫度，提供溫度保護。為每根主
軸安裝機械手和刀庫，實現自動換刀和手動換刀可選擇。為了
提高加工質量，機械手換刀後，進行刀具深度和位置檢測。加
工過程中，實時檢測刀具磨損以及斷刀情況，出現刀具失效，
可以自動通過機械手換刀或者提示操作者手動換刀。為了穩
定加工，系統具有高速的上下位機通訊功能，上位機可以隨時
對下位機進行控制，下位機也把各種信息傳到上位機。
3電氣控制系統組成
控制系統由PC機(工控機)，SIMOTION，電源模塊，電機模
塊，電機，光柵尺，SMC30(傳感器模塊)，分布式1/0ET200M(包括
數字量模塊和模擬量模塊)，機械手，主軸變頻器，高速主軸以
及多個傳感器以及限位開關組成。具體的分析及其選用如下：
3.1上位機
上位機是壹臺PC機(工控機)，主要負責從加工文件中讀
取需要數控機床加工流程（以鉆孔為例）的鉆孔的孔位和孔徑
信息，以及為用戶提供友好的界面設定加工參數，最後通過
TCP/IP協議，把這些數據傳到運動控制器。3.2 S IMOTION運動控制器
SIMOTION D是整個控制系統地核心，所以SIMOTION D
的運行速度和可靠性，會對整個系統產生決定性影響。本系統
選擇的SIMOTIOND內部結構，是由西門子PLC5300和西門子
的運動控制CPU組合而成，所以繼承了PLC工業運用上的高
可靠性優點，同時也繼承了運動控制系統對運動控制的靈活
性。SIMOTION是壹個全新的西門子運動控制，它是世界上第
壹款針對生產機械而設計的控制系統。SIMOTION的目的是為
實現各種運動控制任務提供壹種簡單、靈活的控制系統。為了
確保成為最佳的控制方案，SIMOTION的功能得到了很大程度
的擴展。SIMOTION主要有三大功能：
（1）運動控制；
（2）邏輯控制，例如，對輸入信號的邏輯門處理，以及對輸
出信號的分析與賦值；
（3）工藝控制，例如壓力控制、溫度控制等。
目前SIMOTION面向的行業，主要是運動復雜、速度及精
度的要求較高的制造機械、包裝機械，橡塑機械，鍛壓機械，紡
織機械，以及其他生產機械領域。
3.3電源模塊
壹般變頻器的工作方式，為先把壹定頻率的交流電變為
直流電，再由逆變器把直流電變為指定頻率的交流電。SIMO-
TION運動控制系統，采用通過電源模塊把工業交流電變為直
流電，再分配給多個電機模塊的方式。電源模塊分為可調電源
模塊和不可調電源模塊。可調電源模塊，可以根據參數把它轉
化出來的直流電穩定到壹個指定的可變值，並且具有與
SIMOTION通信的功能；不可調電源模塊，只能輸出壹個固定
的直流電壓，而且不能同SIMOTION通信。
3.4電機模塊
電機模塊主要是把540V或600V的直流電，逆變成指定
頻率的三相交流電，供給電機使用。目前的電機模塊有兩種類
型：書本型和裝機裝櫃型。書本型又分為單軸電機模塊和雙軸
電機模塊，單軸為3-200A；雙軸為3-18A；電機模塊和主控單
元之間通過DRIVE-CLIQ接口，進行快速數據交換。
因為要對X、Y和四個Z軸進行伺服控制，所以采用3個
書本型雙電機控制模塊，來對6個軸進行控制。
3.5伺服電機
伺服電機是數控系統的動力提供者，本系統的X、Y和4
個Z軸，都采用的是高動態相應的交流伺服電機。電機可以進
行矢量控制和伺服控制，電機上還帶有旋轉編碼器，用來組成
壹個電機位置閉環系統，實現對電機的精確控制。
電機本身所帶編碼器的精度在10μm左右。電機也具有
DRIVE-CLIQ接口，可以實時上傳電機的狀態參數，在系統自
動組態時，可以上傳自己的銘牌數據，極大地方便了系統組
態。同時電機上邊全部用標準安全接口，為電機接線時，只需
把相應的插頭插入即可。
3.6光柵尺
西門子伺服電機本身帶有編碼器，但是電機編碼器的精
度只能達到10μm，離要求的5μm差距較大。所以用外部光
柵尺檢測工作臺的位置，並把精確的位置信息通過SMC30(傳感器模塊)轉換成標準信號，傳遞給SIMOTION進行處理。光柵
尺選用業界知名的RENISHAW公司產品中的RG4系列。
3.7變頻器
數控機床的主軸速度，要求的非常高(12萬r/min以上)，
所以為了對高速主軸進行控制，要選擇壹種高速變頻器。臺達
V系列可以滿足高速主軸的頻率要求。由於SIMOTION上沒
有用來同臺達變頻器進行通信的485串口，所以對臺達變頻
器的控制，采用模擬量控制方式。方案為SIMOTION D擴展
ET200M獲得模擬量I/O來對臺達變頻器進行控制。
3.8高速主軸
機床的主軸采用西風的F16 160000RPM高效率PCB鉆
孔主軸，采用全流道冷卻系統，是壹種高精度、高壽命、高穩定
性的全功能PCB鉆孔主軸。刀具加緊方式，采用啟動夾緊方
式，冷卻系統則為幹凈的水循環利用，不能使用去離子水。為
了對獨壹主軸進行保護，主軸內置NTC溫度控制系統。
3.9其他傳感器
（）lOMRON接進開關。本系統對工作臺的回零，采用外部
標誌加編碼器零位方式回零，工作臺回零時的外部標記用接
近開關來實現，同時4個Z軸限位，也是通過接進開關來實現
的。本控制系統的限位回零采用此接近開關。
（2）深度檢測系統。本系統可以采用機械手自動換刀或者
手動換刀，由於換刀過程中，會出現刀具的夾裝位置不同，造
成鉆孔深度不同，也會出現刀具安裝傾斜等情況。NCPCB Tool
Setting Device(刀具檢測系統)可以在自動換刀或者手動換刀
後，進行檢測刀具深度以及方向是否正確。
4電氣控制系統總體工作方案設計
如圖1所示，為該電氣控制系統總體工作方案原理圖。該
電氣控制系統總體工作方案是：PC機讀取文件信息，把數據
傳遞給SIMOTION D；SIMOTION D再根據這些收到的數據，控
制電機模塊驅動電機，帶動工作臺進行位置控制；光柵尺實時
檢測工作臺的位置信息，並傳遞給SIMOTION D，實現對工作
臺進行位置調整，滿足對位置的精度要求。由於光柵尺信號不
能由SIMOTION D直接識別，所以通過傳感器模塊SMC30轉
換為標準的信號，傳遞給SIMOTION D。被ET200M從
SIMOTION D接收到主軸的轉速信息，通過模擬量模塊輸出壹
個相應的電壓，控制變頻器驅動主軸轉動。工作臺的工作狀
態，可以通過多個傳感器(如接近開關、斷刀檢測傳感器、深度
檢測傳感器等)檢測到並傳入系統。這些傳感器的信號先送到
SIMOTION的擴展模塊ET200中，再送入SIMOTION中，運用
SIMOTION強大的工藝處理、邏輯處理能力，對這些信號進行
處理，從而完成整個的加工任務。
5結束語
數控設備在我國已廣泛生產和應用，但水平還不高，這嚴
重制約著我國生產加工工藝的提高。究其原因，主要體現在電
氣控制部分。本文給出的數控機床電氣控制思想和方法，經過
長期運行，證明其設計合理，控制精度高，性能可靠，能大大提
高生產效率和質量，不失為壹種優秀的數控電氣控制方案。
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