第四章数控机床电气控制系统

4.1 概述

说明：本章的内容请下载参阅：某型号机床电路图

数控机床的高度自动化，是由其高度发展的电气控制系统实现的。如果要全面分析了解数控机床，就必须要分析了解数控机床的电气控制系统。数控机床的电器控制系统主要由3个部分组成：

1、机床用PLC;

2、外围电压电气控制系统；

3、执行机构；

只要理清三者之间的关系，才能够全面的了解数控机床的电气控制系统。在工厂使用的数控机床，都带有一种资料专门阐述这三者之间的关系。通常情况下，这一份资料叫做机床电气手册或者电气说明书。在本书中，将会通过讲解电气手册，来阐述数控机床的电气控制系统。

4.2 PLC与数控机床的关系

一、PLC和NC的关系

PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。因此，在很多数控系统中将其称之为PMC（programmable machine tool controller）。数控系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样来划分NC和PLC的作用范围：

1、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由NC来完成；

2、机床辅助设备的控制是由PLC来完成。它是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。

在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。NC和PLC的接口方式遵循国际标准“ISSO 4336-1981(E)机床数字控制－数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：

1、与驱动命令有关的连接电路；

2、数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；

3、电源及保护电路；

4、通断信号及代码信号连接电路；

从接口分类的标准来看，第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。第三类是由数控机床强电电路中的电源控制控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路，直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为PLC或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。反之，PLC或继电器逻辑控制来的控制信号，也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。

二、PLC在数控机床中的应用

1、 PLC在数控机床中的应用形式

PLC在数控机床中应用，通常有两种形式：一种称为内装式；一种称为独立式。

内装式PLC也称集成式PLC，采用这种方式的数控系统，在设计之初就将NC和PLC结合起来考虑，NC和PLC之间的信号传递是在内部总线的基础上进行的，因而有较高的较高交换速度和较宽的信息通道。它们可以共用一个CPU也可以是单独的CPU这种结构从软硬件整体上考虑, PLC 和NC 之间没有多余的导线连接, 增加了系统的可靠性, 而且NC 和PLC 之间易实现许多高级功能。PLC 中的信息也能通过CNC 的显示器显示, 这种方式对于系统的使用具有较大的优势。高档次的数控系统一般都采用这种形式的PLC。

独立式PLC也称外装式PLC，它独立于NC装置，具有独立完成控制功能的PLC。在采用这种应用方式式，可根据用户自己的的特点，选用不同专业PLC厂商的产品，并且可以更为方便的对控制规模进行调整。

2、PLC与数控系统及数控机床间的信息交换

相对于PLC，机床和NC就是外部。PLC与机床以及NC之间的信息交换，对于PLC的功能发挥，是非常重要的。PLC与外部的信息交换，通常有四个部分：

（1）、机床侧至PLC：机床侧的开关量信号通过I/O单元接口输入到PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所配置的输入地址，均可由PLC程序编制者或者是程序使用者自行定义。数控机床生产厂家可以方便的根据机床的功能和配置，对PLC程序和地址分配进行修改。

（2）、PLC至机床：PLC的控制信号通过PLC的输出接口送到机床侧，所有输出信号的含义和输出地址也是由PLC程序编制者或者是使用者自行定义。

（3）、NC至PLC：CNC至PLC:CNC送至PLC的信息可由CNC 直接送入PLC的寄存器中,所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址) 均由CNC 厂家确定,PLC编程者只可使用不可改变和增删。如数控指令的M、S、T 功能,通过CNC译码后直接送入PLC相应的寄存

器中。

（4）：(4) PLC至CNC:PLC 送至CNC 的信息也由开关量信号或寄存器完成,所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC 厂家确定,PLC 编程者只可使用,不可改变和增删。

3、PLC在数控机床中的工作流程

PLC在数控机床中的工作流程，和通常的PLC工作流程基本上是一致的，分为以下几个步骤：

（1）、输入采样：输入采样，就是PLC以顺序扫描的方式读入所有输入端口的信号状态，并将此状态，读入到输入映象寄存器中。当然，在程序运行周期中这些信号状态是不会变化的，除非一个新的扫描周期的到来，并且原来端口信号状态已经改变，读到输入映象寄存器的信号状态才会发生变化。

（2）、程序执行：程序执行阶段系统会对程序进行特定顺序的扫描，并且同时读入输入映像寄存区、输出映像寄存区的读取相关数据，在进行相关运算后，将运算结果存入输出映像寄存区供输出和下次运行使用。

（3）、出刷新阶段：在所指令执行完成后，输出映像寄存区的所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过特定方式输出，驱动外部负载。

4、 PLC在数控机床中的控制功能

（1）、操作面板的控制。操作面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入NC，然后由NC送到PLC，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入PLC，控制机床的运行。

（2）、机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入PLC，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等)

（3）、输出信号控制：PLC输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。

（4）、功能实现。系统送出T指令给PLC，经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统发出完成信号。

（5）、M功能实现。系统送出M指令给PLC，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。M指令完成，系统发出完成信号。

三、PLC与数控机床外围电路的关系

如前所述，PLC在数控机床中用来控制机床的强电回路（通过一些电器元件）。为了更好了解数控机床的PLC的控制功能，就有必要对PLC和外围电路的关系进行分析。

1、 PLC对外围电路的控制

数控机床通过PLC对机床的辅助设备进行控制，PLC对对外围电路的控制来实现对辅助设备的控制的。PLC接受NC的控制信号以及外部反馈信号，经过逻辑运算、处理将结果以信号的形式输出。输出信号从PLC的输出模块输出，有些信号经过中间继电器控制接触器然后控制具体的执行机构动作，从而实现对外围辅助机构的控制。有些信号不需要通过中间环节的处理直接用于控制外部设施，比如说，有些直接用低压电源驱动的设备（如：面板上的指示灯）。也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都是由PLC的一路控制信号来控制的，也就是说每一个外部设备（使用PLC控制的）都在PLC中和一个PLC输出地址相对应。

PLC对外围设备的控制，不仅仅是要输出信号控制设备、设施的动作，还要接受外部反馈信号，以监控这些设备设施的状态。在数控机床中用于检测机床状态的设备或元件主要有，温度传感器、震动传感器、行程开关、接近开关等等。这些检测信号有些是可以直接输入到PLC的端口，有些必须要经过一些中间环节才能够输入到PLC的输入端口。

无论是输入还是输出，PLC都必须要通过外围电路才能够控制机床的辅助设施的动作。在PLC和外围电路的关系中，最重要的一点就是外部信号和PLC内部信号处理的对应。这种对应关系就是前面所说的地址分配，就是将每一个PLC中地址和外围电路每一路信号相对应。这个工作是在机床生产过程中，编制和该机床相对应的PLC程序时，由PLC程序编制工程师定义。当然做这样的定义必须遵循必要的规则，以使PLC程序符合系统的要求。

（1）PLC与信号输入回路

如图2-1所示为一种数控机床的电气手册的输入单元电器图的一部分，从图上可以看到这是一个插座或者是某一个输入接口的针脚，对应与外外围电路的某一个元件、开关、旋钮同时有对应与PLC内部的输入地址。

从第一行开始，一个按钮开关或者是摇头开关接入线号为191号的回路中.191号线接到C71号插座的16号脚，16号脚对应于PLC的输入地址为X10001.3，该地址被定义为Manual absolute （手动绝对值）。从图上所描述的，可以知道S27号按钮适用于控制手动绝对值是否有效的开关。这个开关的通断状态，通过191号线接入到插座C71上的16号脚，16号脚再将这个信号输入到PLC中,这个信号在PLC中的地址为X1001.3。通过这种定义方式，就将PLC中的信号和外围电路相对应起来。就可以通过查看PLC中的X1001.3的状态，来确定外部按钮开关的状态。

我们从图上可以看到在图上右侧文字叙述是该信号的意义，随后在其左边的是输入信号地址，更左边的是插座上的针脚号，再左边的是外围电路的线号和开关器件号。这一幅图是某机床电路图，该图是遵循通用标准来绘制，因此通过该图我们可以看到一些具有普遍意义的原则。比如说，编制PLC程序时可能会把相近的开关（从用途和分布位置上）检测元件等等的地址设定在一起。从这一幅图我们可以看到，C71上的输入信号基本上都是面板上的按钮开关或摇头开关。它们的信号类型和位置分布上是非常接近的，因此它们的输入地址（在PLC输入端）也是顺序分布。在这一幅图所属的电气手册上可以查到，C71一共有50个针脚，除去用于公共端、24V电源的脚以外，其他针脚的输入地址是从X1000.0到1004.7顺序分布。

通常情况下PLC的地址由3部分组成：1：地址类型；2：地址号；3：位号。每一个地址号下有8个地址位，每一个地址表示不同的信号。下表是中有文字描述的部分是，图4－1所示的I/O地址。

表4-1输入信号列表

ADDRESS	7	6	5	4	3	2	1	0
X1000
X1001	Spindle Off	Spindle ccw	Spindle cw	Optional stop	Manual absolute
X1002					Buzzer reset	External reset	Spindle Neutral	Spindle Orientation
X1003

从图4-1上可以看到几个要素：1、元器件号；2、线号；3、插槽或插座号；4、针脚号；

5、PLC输入地址号。我们可以知道这几个号码，在控制逻辑上是有对应关系的。因此不仅仅是在绘制此类图形时，要考虑他们之间的关系，而且在设计外围电路，编制PLC程序时也要考虑它们之间的关系。事实上，不仅是在设计制造机床时要考虑它们之间的对应关系，在使用机床、维修、维护机床时也要依据它们之间的对应关系和控制逻辑。

图4-1上所示的外部按钮等元件位置可在图4-4中查找到。

2、PLC输出信号控制相关的执行元件

前面图例描述了输入信号在PLC中的地址分配以及PLC输入地址与外部开关、旋钮和插座、电缆之间的对应关系。

我们知道在数控机床中，不仅仅是输入信号和外部电路涉及到对应关系，输出信号和外围控制电路以及要驱动的设备之间也存在作相应的对应关系。在随后列出的两幅图例，都是PLC输出信号和外围电路的连接图，但是这两幅图在所表达的控制关系上是不一样的。第一幅图所表示的是PLC输出信号可以直接驱动外部装置（这些装置通常是一些LED、灯），第二幅图表示的是PLC的输出信号必须经过中间继电器才能够控制最终的设备。这是因为第一幅图中所示的外部元件是一些小功率元件（主要是一些表示机床状态的指示灯），而第二幅图所示的外部设备是大功率元件。

从这两幅图我们可以看到PLC输出地址和外部电路之间的关系：1：外部执行元件或设施是受PLC控制的；2：PLC的每一个输出信号对应着一个输出地址；3：每一个输出地址对应着一个插座或插头的针脚；4：每一个针脚对应着外围电路的一根线（用线号标示）；5：每一个线号对应着一个设备、元件（或者通过一些中间元件）；

在设计PLC的程序时，必须要考虑数控机床会用到那些设备，那些设备是可以有PLC直接驱动的，那些设备必须经过继电器、接触器等中间环节才能够驱动，以及这些设备的控制信号通过哪个地址号输出。在使用数控机床过程中，我们可以通过阅读电气手册,熟悉机床设施的控制运行方式，方便的维护机床。

表4-2输出信号列表

Address	Y1000	Y1001
0	Door start open（H180）灯	Feed hold(H159)灯
1	MOO（H111）LED	ZP1 X（H169）LED原点到达
2	MO1（H112）LED	ZP1 Y（H171）LED原点到达
3	M02（H113）LED	ZP1 Z（H173）LED原点到达
4	M30（H114）LED	ZP1 4（H175）灯原点到达
5	Manual absolute (H137)LED	Spindle CW（H153）灯
6	Single block (H133) LED
7	Cycle start(H158)灯

表4-2第二列、第三列，列明了所要控制的外部元件，这些元件可在图2-4中找到。通过这些图表，我们可以清楚的看到PLC和外部元件之间的关系。

表4-3输出信号列表

Address	Y1004
0	Auto power off(k11)继电器
1	Buzzer（K28）继电器
2	Z axis brake(k26) 继电器
3	Coolant pump(k2) 继电器
4	Magazine CW(k3) 继电器
5	Magazine CCW(k4)继电器
6	Tool unclamp(k15)继电器
7	Cycle end light(k20)继电器

表4-3对图4-3进行了描述，从图4-3和表4-3可以看出这些输出信号是对继电器进行控制，这些元件可以在图4-5中查到。

图4-5所示为该机床的继电器板，PLC的一些输出信号通过继电器板输出，进一步控制其它元件。

四、机床电气手册的识别

数控机床作为一种自动化程度相当高的一种机电设备，电气控制部分在整个机床中占有非常重要的地位。鉴于数控机床中电气系统占有重要的地位，因此电气手册在数控机床所有的资料中也是十分重要的资料。数控机床发生故障也有很大一部分是发生在电控部分，因此能够识别、应用电气手册，是维修维护数控机床的一项重要技能。接下来的部分，笔者希望能够讲述一种使用机床电气手册的基本方法。

1、机床电气手册的基本构成

数控机床的电气手册，是用于描述和说明机床电气系统的构造以及连接关系，以便于制造商和使用者维护和使用该机床。为了清楚而详细的说明数控机床电气系统，电气手册的编制采用了清楚的层次结构。电气手册一般有如下一些内容构成：

（1）、目录

目录的主要内容是：页码、图号、标题等。

本书引用的电气手册的目录格式是：

图4-6电气手册目录

如果要查找某一个一个机型的某一个控制回路，可以先通过查找目录找到该回路所在的页码，然后再去查找所要的内容，这样做有事半功倍的效果。因此拿到一本电气手册时，首先阅读它的目录，是一种常规做法。

（2）、线号表

为了说明电气手册上各种线缆的走向，以及各线缆在电气图中所处位置，而开列的一种表格。如果我们试图通过各种不同号码的线缆的走向和位置，了解机床的电气控制系统的控制逻辑，以及通过一个线缆来查找某一个回路的故障时，就必须有这样一种表格来说明各线缆的位置。每一种电气手册都会有类似的线号表，下图为一种线号表。

从表上所列可知，线号表把每一个线号所出现的所有位置都详细的列举出来。这样我们就可以通过线号查找具体的控制回路，这种方式在现场维修、维护数控机床时非常有用，因为在现场我们经常会看到线缆上标明了不同的号码。

（3）、符号描述表

这一部分内容不一定是每一本电气手册都会有，因为有的厂家会认为用户的相关人员已经了解所遵循的制图标准。但是很多厂家还是会将其列出来，这样会使电气手册的适用人员更为广泛。这一部分内容主要是说明，该电气手册所使用的图形符号所要表达的元器件的内类型。在阅读、使用电气手册时，尽可能阅读这一节内容，以免因为参照的标准不一致，而错误理解该手册所要表达的内容。图4-8所示为一个符号描述表：

我们可以看到，符号描述表对电路图中所要用到的图形符号，均进行了说明。在符号表后所绘制的电路图，均是按照图上所描述的符号组成。

（4）、电气柜布置图

数控机床电气系统的绝大部分元器件，均是放置在机床的电气柜中。电气柜框图主要是用来描述个器件在电气柜中的位置，以及电气柜和外界相连通的线缆的位置。

（5）、控制回路框图

控制回路框图，用于描述整个数控机床控制系统控制流程和各部分之间的关系，分为两个部分。一部分是用于描述数控机床电气控制系统各大部分之间的关系，包括伺服、NC单元、PLC、机床的操作界面、系统的操作界面等等。另一部分由数控机床强电电路中的电源控制电路之间的关系构成。通常是电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器之间的关系框图

这两个控制回路框图中图4-10所表示的是，数控机床电气控制系统中，各电气单元之间的关系。图4-11所表示的是由电源的流向以及电源控制关系所组成的控制框图。从图2-11所描述的关系，我们可以知道数控机床的电气控制系统很大程度上可以归结为，对机床各执行元件的电源控制。

（6）各控制单元图

前面几节是电气手册中概述性的内容，对于数控机床的电气系统而言，更重要的是数控机床电气系统各单元、回路图。这一部分详细的讲述了机床电气系统的连接方式、连接内容、连接的元件类型和这些元件具体位置的描述。

这些控制单元、回路图包括：机床电源输入单元、NC电源单元、外围控制回路电源单元、控制回路（通常情况下是24V回路，）、辅助电机控制回路、伺服控制系统单元、NC控制单元、PLC输入单元各模块、PLC输出单元各模块、各插头插座接线详图、各重要元件接线图、电磁线圈控制回路（110V回路）、各功能模块回路等等。

数控机床的电气控制系统正是由这些不同的控制回路、控制单元所组成，要熟悉、掌握数控机床的电气控制系统就必须要了解这些控制回路单元。

五、查找回路的方法

学习查找回路有两个目的：1、了解数控机床电气控制系统的工作原理；2、能够通过使用机床电气手册维修维护数控机床电气系统。

使用电气手册的方法很简单，可以说就是按图索骥。对照电气图上所列的元器件和机床上元器件的编号，按照电气图所绘制的控制回路逻辑，一步一步的找到某一个回路的所有线缆和元件。

讲解识别电路图的书籍、文献很多，它们都是从理论上进行讲解，具有很高的指导意义。本文希望能够从另外一个角度（即用例子说明的方式）进行说明，以期能够以实践的方式进行阐述。

（1）、查找电路图例

本节将会使用一本机床的电气手册，查找其中的某一个辅助设备的控制、工作流程。通过查找过程和步骤的讲解，讲述使用机床电气手册的方法。

1）、冷却液电机的控制系统。

数控机床冷却液电机的控制有两种方式：1、程序自动控制（用M指令）；2、手动控制（控制面板上的开关）。第一种方式是NC将M指令送至PLC，经过PLC的处理后送出控制信号。第二种方式是操作人员在机床操作面板上操作开关，开关的状态信号经过线缆输入到PLC，经过PLC的处理以后送出控制信号。可见两种方式在前面的不同就是，送入PLC的信号是不一样的，但是最终都将从PLC送出控制信号。这两种方式，在PLC输出控制信号以后，的回路就是同一个回路。

下面详细叙述查找冷却液电机控制回路的整个过程（手动方式）：

1、在电气手册目录中，查找电机控制回路所在的页码；

电气手册通常会将同一类控制回路放置在一起，以便于查找。在电气手册目录中，查找到电机控制回路。如图4－12所示,目录表明电机控制回路在电气手册25－29页。

2、查找到电机控制回路，并在其中查找冷却液电机控制回路；

根据第一步查找到的页码，查找到电机控制回路。在电机控制回路中，有很多个电机的控制回路图放置在一起，可以通过文字描述和编号查找到冷却液电机控制回路。如图4－13所示。

3、查找控制冷却液电机的接触器；

在冷却液电机控制回路中，我们可以看到控制冷却液电机的接触器是K2M。接下来就是查找到K2M。K2M是接触器，在该机床中接触器是在110v控制回路中。（有的厂家的接触器直接受24V控制回路的控制）如图4－14所示，从图中可知K2M受继电器K2控制。

4、查找控制K2M的继电器K2；

在数控机床的电气系统中，控制接触器的继电器是由PLC输出信号控制。因此我们从I/O输出模块中去查找继电器K2,同时查找PLC的输出信号。由目录查找I/O模块，再从I/O模块查找到K2的控制回路。如图4－15所示，继电器K2受PLC输出信号Y1004.3控制。

前面所述将冷却液泵控制回路的PLC以后的部分叙述清楚，但是PLC不可能在没有外部输入信号的情况下进行自动控制，PLC也是要根据系统或者是面板上所输入的信号进行操作。因此，清楚的说明冷却液泵的控制还必须查明外部信号是如何进入PLC。

5、PLC输入信号。

既然要查清PLC的输入信号，就必须要到I/O输入单元去查找控制冷却液泵的信号。根据目录，查出I/O单元的页码，在I/O单元里查找控制冷却液泵的输入信号。如图4－16所示，在图中清楚的标明了冷却液开的输入信号是X1000.2,并且图中还列出了控制冷却液的开关是S33。接下来，我们就要查找S33的位置。

6、找控制冷却液泵的开关S33;

控制冷却液开启或者是关闭的开关，应该是在操作面板上的开关。可以从机床操作面板上去查找。从图4－4上查到控制冷却液泵的开关S33。

至此我们已经将冷却液电机的控制回路，查找清楚。我们按照从开关出发到冷却液泵结束的顺序进行叙述如下：

S33 → PLC输入端X1000.2 → PLC → PLC输出端Y1004.3 → relay PCB板 → 继电器K2 → 110V控制回路接触器K2M → 冷却液泵。

（2）分析

根据上一节所示的图例，可以得出机床电气控制系统的方法。机床辅助电气设备的控制，以PLC为核心，控制信号按照两个途径进入PLC(NC以指令的形式进入PLC，外部开关－包括检测开关和手动开关)。PLC按照编制好的控制程序对进入PLC的信号进行处理，PLC的输出信号从输出端口输出。输出的信号按照所要控制的执行元件的性质，在外围电路通过不同的控制回路（有的直接由PLC驱动，有的经过中间继电器和接触器等控制）控制执行元件。