PLC機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用研究

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（蘇州泰格驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

PLC主要指的是可編輯邏輯控制器，利用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制、數(shù)字、通信、半導(dǎo)體等技術(shù)的綜合，形成的自動(dòng)控制裝置，對(duì)開關(guān)邏輯、順序、模擬、數(shù)字處理通信、連鎖系統(tǒng)等進(jìn)行有效控制，其工作原理是運(yùn)用編輯器內(nèi)部的存儲(chǔ)裝置，來進(jìn)行指令的存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的各種運(yùn)算，來對(duì)機(jī)械生產(chǎn)和制造過程進(jìn)行控制。而數(shù)控機(jī)床是在其內(nèi)部裝置控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)床，包含輸入、輸出、驅(qū)動(dòng)設(shè)備，還有PLC、電氣控制、測(cè)量、機(jī)床等組成。利用機(jī)電一體化技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的高效高質(zhì)量控制，可以保證設(shè)備運(yùn)行安全和穩(wěn)定，提高機(jī)械加工和制造質(zhì)量。

1 PLC技術(shù)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

主要是依據(jù)對(duì)應(yīng)的順序進(jìn)行掃描，并不斷地重復(fù)進(jìn)行，包括三個(gè)方面的內(nèi)容：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新。其具體的掃描時(shí)間，主要取決于中央控制器執(zhí)行的速度、指令自身運(yùn)行時(shí)間以及具體的指令多少。

（1）輸入采樣。主要是PLC在投入使用后，它會(huì)按照掃描的方式，將所有信號(hào)端的狀態(tài)讀取到對(duì)應(yīng)的映像存儲(chǔ)設(shè)備中，在執(zhí)行的過程中，如果狀態(tài)發(fā)生改變，里面的內(nèi)容保持不變，對(duì)于變化的狀態(tài)，需要在進(jìn)行下一個(gè)輸入采樣過程中才會(huì)被讀取。

（2）程序執(zhí)行。在執(zhí)行中會(huì)依據(jù)對(duì)應(yīng)的順序來進(jìn)行掃描，如果是梯形圖，它會(huì)按照從上到下，從左到右的順序進(jìn)行掃描，每當(dāng)掃描到指令時(shí)，輸入和其他元素的狀態(tài)，會(huì)分別由輸入之后的寄存器進(jìn)行讀取，然后將具體的結(jié)果讀入元素寄存器中，因而其實(shí)際寄存的內(nèi)容，會(huì)根據(jù)程序的執(zhí)行而發(fā)生改變[1]。

（3）輸出刷新。在程序完成后，會(huì)進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的輸出刷新工作中，將元素寄存器中相關(guān)輸出繼電器的狀態(tài)存儲(chǔ)到鎖存電路中，并利用驅(qū)動(dòng)裝置來進(jìn)行輸出，在每次的掃描中，都會(huì)對(duì)具體的圖樣進(jìn)行掃描，同時(shí)進(jìn)行輸出的刷新，從而保證映像寄存器和鎖存電路內(nèi)容不被改變。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

硬件結(jié)構(gòu)主要包括微處理器、存儲(chǔ)器、輸入、輸出、電源、整體和模塊結(jié)構(gòu)、擴(kuò)展機(jī)、編程器等組成，而軟件部分是由管理、用戶指令和解釋、標(biāo)準(zhǔn)模塊所構(gòu)成。

（1）中央控制系統(tǒng)。將編制好的程序存入到對(duì)應(yīng)的用戶存儲(chǔ)設(shè)備中時(shí)，會(huì)利用系統(tǒng)的解釋和編譯程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為PLC認(rèn)可的程序內(nèi)容，并將輸入狀態(tài)下的信息從接口進(jìn)入，然后將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或者映像寄存器中，促使數(shù)據(jù)和程序有效地結(jié)合最后輸出到對(duì)應(yīng)接口和驅(qū)動(dòng)器中。

（2）存儲(chǔ)器。主要是由具備記憶功能的半導(dǎo)體電路，可分為系統(tǒng)程序和用戶存儲(chǔ)器兩種。前者是用來存儲(chǔ)系統(tǒng)中的各個(gè)程序，包含管理、監(jiān)測(cè)、編譯程序，使用只讀存儲(chǔ)器來進(jìn)行，因而數(shù)據(jù)和信息不可以改改。后者主要分為兩個(gè)部分：用戶存儲(chǔ)和工作數(shù)據(jù)，適用于用戶控制程序，并運(yùn)用特定的方法將其存入到只讀設(shè)備中[2]。

（3）輸入和輸出接口。主要是和相關(guān)的輸入、輸出設(shè)備、PLC進(jìn)行有機(jī)連接，將各個(gè)傳入的對(duì)應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行處理，然后將信號(hào)轉(zhuǎn)換成用戶信號(hào)，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。輸入接口主要是將電路開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制器接收的熟數(shù)字信號(hào)。而輸出接口是將內(nèi)部的數(shù)字電路轉(zhuǎn)化成特定的信號(hào)，來促使驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)。

（4）開關(guān)量接口。主要是在不同的輸入接口處都裝置抗干擾設(shè)施，有濾波器和耦合器等。開關(guān)量輸入接口主要三種直輸入形式：直流、交流、交流與直流。而輸出有繼電器、晶體管等，端口的電源大多都由用戶提供。

（5）編程器.主要分為兩種：手持編程器和PLC接口與計(jì)算機(jī)相連接，結(jié)合相關(guān)軟件的使用，向控制器內(nèi)部輸入對(duì)應(yīng)的程序。

3 PLC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 有關(guān)編程較為簡(jiǎn)單

在PLC編程工作中，具體的使用和操作方法比較簡(jiǎn)單，而且相關(guān)的系統(tǒng)開發(fā)周期短，在積進(jìn)行內(nèi)部控制系統(tǒng)方案的調(diào)整和改變中，不需要進(jìn)行拆解，就可以直接完成。

3.2 功能效果好

主要是針對(duì)一些較為復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)，可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中和分散管理，因而工作效益和質(zhì)量高。

3.3 抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好

主要是PLC運(yùn)用軟件來替代原有的繼電器裝置，僅僅需要少量的硬件裝置來運(yùn)作，大幅度減少由于接觸不良帶來的故障問題。

3.4 系統(tǒng)故障少

該技術(shù)系統(tǒng)自身就具備故障診斷和檢測(cè)功能，而且可以運(yùn)用編程裝置快速地發(fā)現(xiàn)故障問題的部位，并利用數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，獲得對(duì)應(yīng)的解決方案，所以在維修工作中效率較高[3]。

4 PLC對(duì)數(shù)控機(jī)床的作用

4.1 操作面板的控制

主要是將相關(guān)面板信號(hào)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的接口區(qū)域，其功能表現(xiàn)在這三個(gè)方面：一是利用調(diào)整主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，來控制二位和四位代碼。二是運(yùn)用數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，對(duì)其刀庫進(jìn)行管理，并保證刀具自動(dòng)切換的準(zhǔn)確和安全。三是對(duì)PLC裝置輔助功能的管理和運(yùn)用。

4.2 輸入信號(hào)

主要是對(duì)輸入的信號(hào)，利用開合和關(guān)閉的方式，將信號(hào)傳遞給控制的目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的控制。

4.3 電工元件

根據(jù)PLC技術(shù)的信號(hào)輸出控制，來對(duì)不同的數(shù)控機(jī)床操作裝置進(jìn)行控制。

4.4 警報(bào)

主要是利用PLC來收集數(shù)控機(jī)床中各種故障信號(hào)，然后將相關(guān)的信息通過數(shù)據(jù)的形式傳遞給工作人員，然后安排技術(shù)人員進(jìn)行故障檢修工作，提高設(shè)備運(yùn)行效益。

4.5 伺服

運(yùn)用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置的加載，從而對(duì)相關(guān)的伺服電動(dòng)機(jī)的控制。

5 數(shù)控機(jī)床工作原理和結(jié)構(gòu)分析

5.1 工作原理

主要是數(shù)控裝置內(nèi)的控制系統(tǒng)，利用輸入裝置對(duì)數(shù)字和字符以編碼的形式，進(jìn)行記錄信息的處理，然后經(jīng)過伺服和PLC控制器向?qū)?yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，然后根據(jù)下達(dá)的具體指令來完成機(jī)械加工。在進(jìn)行加工前，將相關(guān)的程序和工藝調(diào)好后，輸入并啟動(dòng)，機(jī)床就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)，而作業(yè)人員具體要做的是對(duì)程序進(jìn)行編輯和輸入，并將使用到的零件進(jìn)行裝卸，還有道具的準(zhǔn)備，對(duì)自動(dòng)化作業(yè)過程的檢測(cè)和零件的檢驗(yàn)等，因而對(duì)于操作的技術(shù)要求較低[4]。

5.2 基本結(jié)構(gòu)

（1）程序編程。主要是依據(jù)機(jī)械加工零件的工藝分析和研究，確定零件在機(jī)床中的位置，對(duì)零件加工和切削工藝路線和參數(shù)設(shè)置，還有輔助裝置的動(dòng)作反應(yīng)，并對(duì)零件和道具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)尺寸進(jìn)行編輯，同時(shí)將所有收集到的信息和數(shù)字，轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的代碼，根據(jù)特定的格式，編制數(shù)控程序。

（2）輸入。將編好的程序上的代碼進(jìn)行傳送和存儲(chǔ)，然后依據(jù)不同的存儲(chǔ)介質(zhì)，可以分為驅(qū)動(dòng)和光盤等，在零件加工程序的輸入過程中，主要有兩種方式：一是在系統(tǒng)內(nèi)存較小的情況下，使用邊輸入邊加工的方式進(jìn)行。二是將零件加工的所有程序全部輸入到控制裝置的存儲(chǔ)器里面，在加工時(shí)根據(jù)工作需求，進(jìn)行程序的調(diào)用。

（3）數(shù)控。該裝置是所有工作的核心部分，主要是將存儲(chǔ)器內(nèi)的程序或者是輸入裝置傳送的對(duì)應(yīng)程序，利用裝置中的軟件和邏輯電路進(jìn)行計(jì)算、分析、處理，然后進(jìn)行信息的輸出和指令的生成、下達(dá)，從而對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，保證各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的穩(wěn)定。

（4）驅(qū)動(dòng)和位置檢測(cè)裝置。主要是接收數(shù)控系統(tǒng)下達(dá)的指令信息，在功率放大后，根據(jù)指令的要求進(jìn)行機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，因而其伺服和動(dòng)作反應(yīng)靈敏度，對(duì)加工的質(zhì)量和精度有著較大的影響，在驅(qū)動(dòng)裝置中主要包含兩個(gè)部分：控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。位置檢測(cè)是根據(jù)機(jī)床內(nèi)坐標(biāo)進(jìn)行位移測(cè)量，在反饋系統(tǒng)作用下，將其傳給數(shù)控系統(tǒng)，并根據(jù)反饋的信息與實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的控制，來進(jìn)行指令的調(diào)整和運(yùn)動(dòng)[5]。

（5）輔助控制。主要是用來接收數(shù)控系統(tǒng)輸出的開關(guān)指令，在編程、邏輯控制、運(yùn)動(dòng)后，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而促使機(jī)床中的機(jī)械、氣動(dòng)等輔助設(shè)置，完成指令動(dòng)作，在控制中主要是對(duì)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的速度、方向調(diào)整、開關(guān)指令、刀具選用和交換、機(jī)床部件的松開和緊固等進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。

（6）機(jī)床。它由主軸和進(jìn)給傳動(dòng)裝置、工作臺(tái)、機(jī)身、液壓氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成，是零件加工的主要載體，經(jīng)過零件程序編制和輸入、數(shù)控、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)以及輔助裝置等，來進(jìn)行加工過程自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)，保證加工和制造活動(dòng)的安全和順利進(jìn)行。

6 數(shù)控機(jī)床當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r

6.1 數(shù)控水平低

對(duì)于數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展來說，我國(guó)的數(shù)控化水平較低，和外國(guó)的一些發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，一些經(jīng)濟(jì)型的機(jī)床占據(jù)著大部分，大型或者較為精密的機(jī)床只有百分之三，造成這個(gè)現(xiàn)象的主要原因在于，機(jī)床技術(shù)開發(fā)所需要的周期較長(zhǎng)，且需要較多的人力、物力支撐，而且沒有核心技術(shù)，導(dǎo)致工作進(jìn)度緩慢[6]。

6.2 缺少核心技術(shù)

對(duì)于我國(guó)的機(jī)械加工和制作行業(yè)的發(fā)展來看，對(duì)機(jī)床的出口和消費(fèi)都在前列，但是主要是以經(jīng)濟(jì)性的機(jī)床為中心，那些較大型的機(jī)床可獲得的利潤(rùn)較少，主要是對(duì)于機(jī)床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)研發(fā)不足，缺少核心技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的互助發(fā)展，還有在機(jī)床的加工和制造過程中是對(duì)其中的部件來進(jìn)行的。

6.3 產(chǎn)品性能相對(duì)不高

由數(shù)控機(jī)床加工和制造出的產(chǎn)品，其具體的性能和質(zhì)量主要取決于零部件的制造精度以及在運(yùn)行中的轉(zhuǎn)速等，而在實(shí)際的零部件制造中，相關(guān)的精度水平暫時(shí)無法滿足客戶的要求，尤其是在進(jìn)行重復(fù)定位中，還有對(duì)刀具轉(zhuǎn)換、主軸、移動(dòng)速度中，與機(jī)床技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相差較遠(yuǎn)。

7 PLC機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的具體運(yùn)用

7.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

加強(qiáng)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)，可以提高機(jī)電一體化運(yùn)用和實(shí)施效益，隨著工業(yè)化和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于數(shù)控機(jī)床中使用的設(shè)備提出了新的要求，通過對(duì)主軸轉(zhuǎn)速、刀具轉(zhuǎn)換、傳動(dòng)裝置等進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，有利于提升機(jī)床的控制能力和水平。

（1）防護(hù)裝置。在數(shù)控機(jī)床的作業(yè)中，將原有的開放式改為半封閉或者是全封閉式，從而減少人為因素對(duì)機(jī)電一體化運(yùn)行的影響，通過自動(dòng)化檢測(cè)和控制裝置，就可以明確機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行狀況，還可以有效地降低在切削過程中金屬的損壞和浪費(fèi)問題，提高工業(yè)生產(chǎn)的安全性。

（2）傳送裝置?？梢苑譃橹鲃?dòng)傳送和進(jìn)給兩種模式，在傳統(tǒng)的操作過程中，需要將兩種模式同時(shí)運(yùn)行，但是在PLC機(jī)電一體化之下可以進(jìn)行分開運(yùn)行，具體的是先進(jìn)行模式的設(shè)定，然后通過分離控制裝置將其傳遞給傳遞和進(jìn)給，并和伺服電機(jī)裝置進(jìn)行單獨(dú)連接，從而提高控制能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多軸聯(lián)動(dòng)[7]。

（3）自動(dòng)排屑。主要是利用內(nèi)置機(jī)械件來開展工作，由于機(jī)床的運(yùn)行過程中，會(huì)受到切削工藝留下的金屬碎屑影響，使得相關(guān)的工具產(chǎn)生較大的磨損，降低使用壽命，而運(yùn)用機(jī)電一體化，主要是通過內(nèi)置構(gòu)件，將產(chǎn)生的碎屑進(jìn)行自動(dòng)收集，并根據(jù)程序設(shè)定進(jìn)行集中化處理，從而保證工作的順利進(jìn)行，減少損耗。

7.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

該技術(shù)是一體化系統(tǒng)中的核心部分，它主要是單片機(jī)、輸入和輸出、通信系統(tǒng)、執(zhí)行構(gòu)件提供運(yùn)作和控制支撐，盡管數(shù)控機(jī)床有多種類型，會(huì)使得其存在一定的差異性，但是具體的工作原理和方式是大致相同的，所以利用機(jī)電一體化集成運(yùn)用，來提高系統(tǒng)的控制水平。另外在進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整時(shí)，有關(guān)人員要根據(jù)系統(tǒng)調(diào)整的指令，利用通信傳輸系統(tǒng)將指令傳給單片機(jī)，然后再與存儲(chǔ)器內(nèi)部的指令進(jìn)行匹配，在確定具體的參數(shù)后，將其傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成參數(shù)的改變[8]。

7.3 執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)技術(shù)

在伺服驅(qū)動(dòng)中其具體的使用對(duì)象是驅(qū)動(dòng)裝置和執(zhí)行原件，將數(shù)控裝置和執(zhí)行原件相連，將全部的輸入指令完成后，可以快速地作出反應(yīng)，還可以將執(zhí)行原件經(jīng)過相關(guān)的接口來與執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立連接。運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)，執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)的工作原理和控制環(huán)節(jié)基本相同，技術(shù)人員輸入的操作指令是機(jī)床使用的關(guān)鍵部分，從而對(duì)其運(yùn)作的過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低事故的發(fā)生，提高工作效率。

7.4 控制面板

在數(shù)控機(jī)床中有許多不同的控制面板，它們是保證機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部件，在以往的工作中，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部較為復(fù)雜，在控制起來有較大的難度，往往無法將輸入信號(hào)及時(shí)傳遞給信號(hào)接收區(qū)，而利用機(jī)電一體化，不但可以將信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的傳遞，到達(dá)合適的位置，而且能夠保證相關(guān)的信號(hào)可以傳到指定的系統(tǒng)中，完成工作轉(zhuǎn)化。此外還可以對(duì)電子元件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)機(jī)床中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)[9]。

8 PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的運(yùn)用策略

8.1 加大技術(shù)的引用和投入，改變管理思想

PLC機(jī)電一體化技術(shù)可以大幅度提高數(shù)控機(jī)床的控制能力，提高工作質(zhì)量，但是具體的技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，在具體的機(jī)械工業(yè)化制造和加工過程中，可以從這幾個(gè)方面，來提高技術(shù)運(yùn)用的效率和質(zhì)量：一是轉(zhuǎn)變對(duì)技術(shù)的認(rèn)知，明確其重要價(jià)值和帶來的經(jīng)濟(jì)效益，建立技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。二是加強(qiáng)技術(shù)引用資金的投入，可以尋求和政府部門的合作，來保證技術(shù)開發(fā)工作的順利進(jìn)行。三是對(duì)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)用之間的聯(lián)系，根據(jù)實(shí)際的工作情況，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。四是制定技術(shù)工作計(jì)劃，并建立對(duì)應(yīng)的技術(shù)管理體系，安排專業(yè)的技術(shù)人員，對(duì)數(shù)控機(jī)床作業(yè)過程和工藝進(jìn)行分解，然后加強(qiáng)對(duì)員工的技能培訓(xùn)工作[10]。

8.2 加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的創(chuàng)新運(yùn)用

在PLC機(jī)電一體化運(yùn)用下的數(shù)控機(jī)床技術(shù)，不僅僅是對(duì)數(shù)控機(jī)床和PLC技術(shù)的技術(shù)研究，還要根據(jù)其具體的作業(yè)過程和出現(xiàn)的問題，在實(shí)際的工藝流程中進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化[11]，并結(jié)合現(xiàn)代化的人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，來提高控制水平，同時(shí)結(jié)合實(shí)際的運(yùn)用效果，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，提高一體化工作質(zhì)量。

9 結(jié)語

綜上所述，在PLC機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床技術(shù)運(yùn)用中，不但可以大幅度提高控制能力和水平，而且利用現(xiàn)代不同科學(xué)技術(shù)，來加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床作業(yè)過程的檢測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，來對(duì)其中存在的故障問題進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，從而提高設(shè)備的使用效益，減少能源消耗，降低設(shè)備的磨損，這對(duì)于機(jī)械行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義，因而相關(guān)的企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)技術(shù)的研發(fā)和資金投入，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床作業(yè)過程和控制的調(diào)整與改進(jìn)。