基于电气控制的数控车床智能上下料系统优化

编者按

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当前，数控技术已经广泛应用在机械加工行业，但实际生产流程中仍有大量工序依赖人工完成上下料操作，降低了设备的利用率，增加了劳动强度与质量波动的风险。智能自动上下料系统逐步成为数控车床的重要辅助单元，该系统集成了伺服控制、气动执行、PLC逻辑控制及人机交互界面，可实现加工件的精准定位、自动抓取、快速更换等一系列自动化操作，有效提升了车床的自动化水平和加工效率。

在大多数传统加工车间中，数控车床的上下料过程仍以人工操作为主，人工上下料通常需要操作人员反复进行工件的抓取、搬运、定位等动作，劳动强度大，且易导致疲劳作业，影响生产效率。而且人工操作的稳定性和一致性较差，不可避免地会出现操作速度波动、上下料不及时等情况，导致设备空转或待机，进而影响整体生产节奏，降低设备利用率^[1]。人工上下料在工件定位过程中依赖人工目测或机械辅助装置，精度和重复性相对较低，容易造成装夹误差，进而影响加工件的一致性与尺寸精度。在高节奏、高重复性的加工场景中，人工操作难以适应加工要求。

数控车床智能上下料系统整体架构如图1所示。

图1  数控车床智能上下料系统整体架构

（1）数控车床 数控车床是系统的加工主体，用于对毛坯工件进行车削加工，车床通过与上下料系统的协同控制，实现自动加工节拍的闭环控制。为保障自动上下料的顺利进行，车床需具备夹头远程控制、天窗自动开启等外部接口。

（2）HMI人机界面 该部分是操作人员与系统交互的桥梁，主要用于参数设定、控制命令下发、运行状态显示与报警信息反馈等。操作人员可通过触摸屏选择运行模式，如原点模式、手动模式、自动运行、设置运行参数并实时监控当前状态，提升操作的可视性和便捷性。

（3）工业控制器PLC   PLC是系统的核心控制单元，负责接收HMI指令、采集各类传感信号，并对伺服驱动器、电磁阀组等执行机构进行统一调度与控制。PLC通过编程实现复杂的控制逻辑判断，包括X、Y、Z三轴的运动控制，气动装置的动作切换，以及各类安全互锁与故障报警。

（4）三轴伺服驱动系统 由伺服驱动器和伺服电动机组成，控制机械手在三维空间内的精确定位与快速运动。X轴控制机械手的左右移动，Y轴控制机械手的上下移动，Z轴控制前后方向的精密移动。

（5）电磁阀组与气动执行元件部分 负责工件的抓取、推送、翻转等动作，上料爪与卸料爪通过夹紧/松开动作完成对毛坯和成品工件的夹持与释放^[2]。推料气缸将毛坯料从上料爪推入卡盘中心，实现快速定位。旋转气缸用于上下料夹具的180°旋转切换，实现取-放流程中的正反面对调操作。电磁阀组控制上述气缸的通断气，实现动作指令的快速响应。

4.1 控制系统运行模式

原点模式主要用于系统启动或重置时的初始校准，在该模式下，系统会自动执行三轴的回归动作，确保X轴、Y轴和Z轴都回到各自的原点位置，同时气动装置也会复位至初始状态。

手动模式主要用于人工干预和系统调试。操作人员可以通过人机界面或电子手轮，手动控制三轴的运动及气动执行元件的动作，实现对机械手的精准调试和位置校正。手动模式为设备的维护、安装和故障排除提供了方便，使系统能在非自动状态下灵活响应人工指令。

自动模式是系统进入全流程自动上下料操作状态，控制系统根据预设程序和实时反馈信号，自动完成工件的抓取、移动、上料、加工等待、卸料及复位等完整动作。

4.2 自动运行逻辑流程

系统启动后，机械手的X、Y、Z三轴执行回零操作，确保各轴均回到预设的原点位置。气动装置进行初始化复位，所有抓取爪和气缸恢复到初始状态。机械手定位至料盘的初始位置，为后续取料动作做好准备，保证整个上下料过程的准确性和可靠性。

进入取料动作阶段时，机械手的Z轴和X轴先后精确定位至料盘中指定的毛坯料位置。Y轴下降至取料位，上料爪夹紧毛坯工件，推料气缸推动工件，确保工件稳固地被夹持。此过程要求动作协调紧凑，避免工件滑落或定位偏差，保障取料动作的顺利完成。

在上料流程中，机械手移动至车床卡盘上料位置，同时配合气管喷气吹扫卡盘及工件，清除切屑和杂质，确保夹持表面清洁。车床卡盘夹头松开，旋转气缸旋转180°，使上料爪对准夹头。机械手将毛坯料推入夹头，随后卡盘夹头夹紧，完成上料工序，为加工做好准备。

加工准备阶段，系统关闭车床防护门，确保操作安全。数控车床启动运行程序开始加工，此时机械手退至安全位置等待加工完成，该环节保证加工过程的连续性和安全性，减少人为干预。

卸料动作阶段，加工完成后，车床卡盘夹头松开，卸料爪夹紧已加工好的工件并取出。机械手将工件移动至料盘指定的空位并放置，完成卸料操作。卸料完成后，机械手复位至初始位置，准备开始下一轮自动上下料循环，确保生产线的高效连续运行。

5.1 PLC控制系统的程序主循环逻辑设计

PLC控制程序采用主循环结构，核心逻辑在每个扫描周期内依次执行，确保系统能够持续响应外部指令和信号。主循环的首要步骤是读取当前系统的运行状态，如初始化、取料、上料、加工和卸料等，并结合传感器及执行器的反馈信息，动态更新状态变量，确保状态信息的准确性^[3]。

根据读取的状态，程序调用对应的子程序，完成X、Y、Z三轴的运动控制以及气动执行元件的动作，保证机械手的各项操作按既定流程有序执行。在动作执行过程中，系统不断进行安全检查，实时监测限位开关、磁性开关及卡盘夹头的状态，一旦检测到异常，立即触发报警并中断当前操作，防止设备损坏或安全事故。

主循环还负责处理模式切换逻辑，响应来自HMI人机界面或电子手轮的指令，实现自动模式、手动模式以及原点校准模式之间的灵活切换。主循环会更新各类运行参数、动作计数及报警信息，为人机界面显示和系统诊断提供准确的数据支持，保证系统的协调运行和流程连续性^[4]。

5.2 伺服驱动系统与三轴联动控制

三轴伺服驱动系统分别控制机械手的X、Y、Z三个自由度，实现空间内的精确定位与协调运动。 X轴负责机械手的横向移动，实现料盘运行方向的定位；Y轴负责上下升降，实现机械手的垂直位移调节；Z轴则负责前后移动，精确控制机械手与车床夹头间的距离。三轴伺服驱动器通过高速闭环反馈控制，接收来自PLC的目标位置指令，结合编码器的反馈信号，实现位置、速度及加速度的精准控制。在自动上下料流程中，三轴按照预设的轨迹规划协同运动，完成工件的抓取、搬运及放置。

5.3 电磁阀控制方式

气动系统通过电磁阀组实现对气缸的精准控制，完成工件的抓取、推送和夹持等动作。电磁阀作为气流的开关和转换装置，接收PLC输出的控制信号，控制气压方向和通断状态，从而驱动气缸完成相应动作^[5]。根据动作需求，电磁阀主要分为双向换向阀、单向阀和节流阀，双向换向阀控制气缸的伸出和回缩，常用于推料气缸、旋转气缸等往复动作；单向阀和节流阀则用于气流的单向流动和速度调节，确保动作平稳且防止气动冲击。PLC通过数字输出口控制电磁阀线圈的通电与断电，实现气缸动作的精准起动与停止，保证气动系统的响应速度和动作准确性。

本文对基于电气控制的数控车床智能上下料系统进行了设计优化，该系统集成HMI人机界面、工业控制器PLC、三轴伺服驱动及气动执行元件，利用多模式控制策略实现原点校准、手动调试和自动运行的无缝切换，保证系统的灵活性与稳定性。采用精准的信号识别与动作协同机制，可确保三轴运动与气动抓取动作高效协调，提高上下料效率和加工节拍。

参考文献：

[1]  陈奎，张文瑾. 基于智能协作机器人的CNC上下料系统改造[J]. 机电工程技术，2024，53（2）：154-158.

[2]  庄志鑫. 工业机器人上料工艺与数控车床制造技术的综合应用[J].  南方农机，2023，54（7）：153 -155.

[3]  王建军，武秋俊，张勇. 基于PLC数控车床上下料机器人软件设计研究[J].  电子制作， 2020（16）：77-78，40.

[4]  孟金伟，李红，何青. 基于PLC数控车床上下料机器人软件设计[J].  电力与能源，2020，41（3）：339-344.

[5]  陆晨芳，宋鹏，丁中华. 基于工业机器人和数控车床的自动上下料工作站[J]. 机械制造，2019，57（12）：45-47.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2026年第3期97~99页，作者：青岛高测科技股份有限公司 夏裕、黄朋朋、孙明波，原标题：《基于电气控制的数控车床智能上下料系统优化》。

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