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

趙 佳 ， 喬新麗

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000）

1 PLC機(jī)電一體化技術(shù)概述

PLC即可編程控制器，而PLC機(jī)電一體化技術(shù)則是在存儲(chǔ)器的幫助下，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理，并具備順序控制、定時(shí)以及編程等功能的一種控制技術(shù)。與傳統(tǒng)控制方式相比，PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，并可自動(dòng)化控制機(jī)械設(shè)備按照既定的程序工作，極大地提升了機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化應(yīng)用水平。在工業(yè)企業(yè)中，PLC技術(shù)在生產(chǎn)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。PLC技術(shù)由許多模塊組成，例如，輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、CPU以及存儲(chǔ)器等。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，PLC技術(shù)的應(yīng)用十分普遍，將PLC技術(shù)與生產(chǎn)需求相結(jié)合，充分發(fā)揮PLC技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。從編程難易程度上看，PLC技術(shù)在編程方面十分簡(jiǎn)單，可適應(yīng)多種需求，對(duì)操控人員的綜合素質(zhì)要求不高。從經(jīng)濟(jì)性看，PLC技術(shù)的開(kāi)發(fā)成本比較低，可以根據(jù)生產(chǎn)需求調(diào)整既定程序，程序修改十分方便、靈活，不需要拆換設(shè)備，有助于降低PLC技術(shù)的應(yīng)用成本。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的幫助下，PLC技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息化控制與統(tǒng)一管理，確保各項(xiàng)生產(chǎn)活動(dòng)可以得到精準(zhǔn)控制[1]。PLC機(jī)電一體化技術(shù)具備傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在梯形圖繪制的過(guò)程中，能夠根據(jù)繼電器運(yùn)行情況，有效控制繼電器，確保工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行。另外，將繼電器設(shè)備與PLC端口進(jìn)行連接，而接觸器與另一端PLC端口連接，可以有效避免系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題，減少人為誤差，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率[2]。

2 PLC與數(shù)控機(jī)床間的信息交換、處理

PLC和NC一起組成了數(shù)控機(jī)床的控制部分，PLC和NC之間的信息交換使得PLC功能的發(fā)揮更加順利高效，PLC與外部的信息交換通過(guò)機(jī)床側(cè)的I/O單元接口輸入到PLC中，每個(gè)信號(hào)的含義及所分配的地址都是通過(guò)PLC進(jìn)行編輯和控制，通過(guò)編程調(diào)試人員自定義進(jìn)行分配。CNC到PLC側(cè)，CNC側(cè)直接將信息傳送至PLC的寄存器，如一些常用的數(shù)控指令M、S、T等功能，通過(guò)CNC譯碼后傳送至PLC的相應(yīng)寄存器中進(jìn)行處理。處理完成后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。PLC到CNC側(cè)也是通過(guò)寄存器完成，CNC的地址由系統(tǒng)直接分配，只可用，不可修改。

PLC在數(shù)控機(jī)床的工作流程一般分為：1）輸入掃描。PLC在開(kāi)始執(zhí)行前，按順序?qū)⑺械男盘?hào)讀入到映像寄存器中，程序運(yùn)行時(shí)則直接讀取寄存器中的信息，本掃描周期內(nèi)采樣結(jié)果不會(huì)改變，直到下一個(gè)周期若原有的信號(hào)狀態(tài)改變了，讀取結(jié)果才會(huì)改變。2）程序執(zhí)行。程序從起始地址開(kāi)始逐步掃描，并分別存入映像寄存器，所獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，再次將執(zhí)行的結(jié)果保存到寄存器中。3）輸出刷新。執(zhí)行完所有的程序后，PLC將映像寄存器的內(nèi)容傳送至鎖存器中進(jìn)行輸出，驅(qū)動(dòng)用戶設(shè)備[3-5]。

3 PLC機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用分析

3.1 PLC機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的控制功能

PLC機(jī)電一體化技術(shù)通過(guò)與控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、操作面板等進(jìn)行信號(hào)交互來(lái)完成對(duì)機(jī)床整體動(dòng)作的控制。1）PLC和機(jī)床的控制。系統(tǒng)對(duì)伺服控制一般包括一個(gè)主軸和三個(gè)進(jìn)給軸。它的作用是通過(guò)PLC和數(shù)控系統(tǒng)處理產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)而轉(zhuǎn)換成軸移動(dòng)的位移量，伺服驅(qū)動(dòng)裝置把運(yùn)動(dòng)指令變成節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器、絲桿等驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)插補(bǔ)使工作臺(tái)精準(zhǔn)地按照指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而加工出合格的工件。2）外圍輸入輸出的控制?？删幊炭刂破髂軌蚩刂戚斎胼敵鲂盘?hào)的通斷，通過(guò)對(duì)PLC外部輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓?jiǎn)?dòng)裝置、潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置等的控制，這其中包括了電機(jī)的啟動(dòng)停止、很多檢測(cè)元件（如行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等），以及繼電器、接觸器、電磁閥等輸出給控制對(duì)象，完成整體信號(hào)的邏輯編輯控制，使數(shù)控機(jī)床整體穩(wěn)定有效地運(yùn)行。同時(shí)PLC機(jī)電一體化對(duì)后期的數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化改造也發(fā)揮著重要的作用，可以通過(guò)輸入輸出信息交互與機(jī)器人、機(jī)械手、AGV、物流倉(cāng)儲(chǔ)等進(jìn)行通信，協(xié)同作業(yè)，一起完成打造智能化加工工廠，并且可將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制監(jiān)控。這也是后期制造業(yè)的智能無(wú)人化生產(chǎn)制造的發(fā)展趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)智能化加工[6]。

3.2 自控

在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中加入PLC技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化控制，降低操作人員的工作強(qiáng)度，減少人為因素對(duì)數(shù)控機(jī)床的影響，提升數(shù)控機(jī)床的加工精度。在應(yīng)用PLC技術(shù)時(shí)，操作人員可根據(jù)實(shí)際需求完成程序的編寫工作，使數(shù)控機(jī)床可以按照程序要求完成相關(guān)操作，如果有故障問(wèn)題出現(xiàn)，PLC技術(shù)可以分析故障原因，并給出故障解決策略，縮短數(shù)控機(jī)床因故障停止運(yùn)行的時(shí)間。工作人員借助PLC系統(tǒng)將相應(yīng)的指令及時(shí)傳輸?shù)较到y(tǒng)當(dāng)中，并優(yōu)化參數(shù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能，準(zhǔn)確計(jì)算變更參數(shù)，從而自動(dòng)化控制數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)[7]。例如：在確保數(shù)控機(jī)床安全運(yùn)行過(guò)程中，需要通過(guò)有效結(jié)合PLC機(jī)電一體化技術(shù)，發(fā)揮出技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以此來(lái)對(duì)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制，避免電動(dòng)機(jī)設(shè)備在運(yùn)行中存在誤差，根據(jù)數(shù)據(jù)的變化，運(yùn)用報(bào)警裝置，促使工作技術(shù)人員可以在第一時(shí)間內(nèi)找出故障準(zhǔn)確位置，及時(shí)解決故障，以此來(lái)確保數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的安全性。與此同時(shí)在應(yīng)用這一技術(shù)時(shí)，需要在準(zhǔn)備環(huán)節(jié)設(shè)置自動(dòng)報(bào)警裝置，當(dāng)數(shù)控機(jī)床內(nèi)有不正常運(yùn)行信號(hào)時(shí)將會(huì)報(bào)警，以此全面獲取故障信息，為后期維修故障工作提供數(shù)據(jù)支持，保證PLC控制技術(shù)能夠更好地發(fā)揮效果。

3.3 信息反饋

在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)，可以即時(shí)檢測(cè)數(shù)控機(jī)床是否存在運(yùn)行問(wèn)題，并將檢測(cè)到的問(wèn)題反饋給操作人員，有助于使故障問(wèn)題得到及時(shí)處理。在PLC技術(shù)的幫助下，其可自動(dòng)化地檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)，判斷故障位置與原因，并形成故障解決方案，縮短故障維修時(shí)間。

3.4 照明

在數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)時(shí)，照明系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)關(guān)閉數(shù)控機(jī)床時(shí)，照明系統(tǒng)也會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。在數(shù)控機(jī)床的照明系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)，則照明系統(tǒng)的工作便會(huì)更加靈活，更加容易控制。例如，以黃燈表示開(kāi)機(jī)，紅燈則是停止運(yùn)行，綠燈表示機(jī)床工作正常，操控人員可根據(jù)燈的顏色判斷數(shù)控機(jī)床處于何種狀態(tài)。

3.5 組合機(jī)床控制

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，存在許多控制要求，在應(yīng)用PLC技術(shù)時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定性與安全性有嚴(yán)格要求。PLC技術(shù)可以增強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化工作能力，緩解操控人員的工作強(qiáng)度，使數(shù)控機(jī)床的操控更加便捷。對(duì)于組合數(shù)控機(jī)床而言，PLC技術(shù)可以滿足各種生產(chǎn)需求，提升組合數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化加工能力。與普通數(shù)控機(jī)床相比，組合數(shù)控機(jī)床中的電路更加復(fù)雜，所以可通過(guò)應(yīng)用PLC技術(shù)解決組合數(shù)控機(jī)床操作、維修難度大的問(wèn)題，降低組合機(jī)床的控制難度[8]。

3.6 集中控制

一臺(tái)PLC控制系統(tǒng)便可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的集中控制，利用PLC技術(shù)，可將不同設(shè)備連接為一個(gè)整體，通過(guò)使用集中式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的控制需求。從運(yùn)行成本上看，集中式控制系統(tǒng)投入成本低，并且應(yīng)用優(yōu)勢(shì)十分顯著，可以隨時(shí)調(diào)整控制對(duì)象，操控也十分方便、簡(jiǎn)單。

3.7 單獨(dú)控制

PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，可以根據(jù)不同生產(chǎn)流程要求，編制相應(yīng)的程序來(lái)控制數(shù)控機(jī)床，有助于提升數(shù)控機(jī)床的工作效率。PLC技術(shù)可單獨(dú)控制數(shù)控機(jī)床，將控制程序植入PLC當(dāng)中，根據(jù)所設(shè)定程序的要求，使數(shù)控機(jī)床完成有關(guān)生產(chǎn)任務(wù)，提升數(shù)控機(jī)床的使用穩(wěn)定性。

3.8 邏輯控制開(kāi)關(guān)量

開(kāi)關(guān)量控制是PLC技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中最重要的功能之一。傳統(tǒng)控制大多由繼電器完成，隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，其可完全取代繼電器的作用，從而實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)量的自動(dòng)控制。開(kāi)關(guān)量控制的適用范圍廣，可以分為順序控制與邏輯控制，有助于提升數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化水平[9]。

3.9 運(yùn)動(dòng)控制

在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件時(shí)，通過(guò)運(yùn)用PLC技術(shù)中的運(yùn)動(dòng)控制功能，可以提升零部件的加工質(zhì)量。在運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，PLC控制系統(tǒng)可高精度調(diào)整控制機(jī)構(gòu)，滿足生產(chǎn)加工要求?？刂葡到y(tǒng)由微型處理器驅(qū)動(dòng)，將設(shè)計(jì)好的程序輸入至處理器中，數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)便可由微型處理器負(fù)責(zé)。

3.10 數(shù)據(jù)處理

隨著PLC技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，PLC技術(shù)也日趨完善，為提升PLC技術(shù)的性能，科研人員開(kāi)始升級(jí)控制系統(tǒng)的內(nèi)置處理器，確保PLC技術(shù)可以滿足更多的任務(wù)要求。目前，將數(shù)據(jù)處理程序嵌入到PLC技術(shù)中，數(shù)控機(jī)床操控人員可將相應(yīng)的指令輸入到PLC中，使數(shù)控機(jī)床完成相關(guān)生產(chǎn)任務(wù)。在數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中，PLC技術(shù)可采集與統(tǒng)計(jì)數(shù)控機(jī)床的有關(guān)運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)計(jì)、分析結(jié)果優(yōu)化、升級(jí)輸入程序。

4 基于PLC機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景

4.1 智能化

PLC機(jī)電一體化技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展中將會(huì)不斷通信網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、產(chǎn)品規(guī)劃精巧化以及智能化。顯而易見(jiàn)，這可以有效地促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)與產(chǎn)品實(shí)體的有機(jī)結(jié)合，為設(shè)計(jì)者和用戶提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。同時(shí)為了滿足數(shù)控機(jī)床以及工業(yè)自動(dòng)化各種操作體系的需求，PLC制造商也不斷進(jìn)行革新開(kāi)發(fā)，如智能I/O模塊，溫度控制模塊以及專用處理外部故障的智能模塊等，這些智能模塊的使用加大了PLC的使用范圍，同時(shí)增強(qiáng)了使用功能，這必然會(huì)使PLC在各個(gè)場(chǎng)合的使用更加穩(wěn)定、智能、高效。在未來(lái)的發(fā)展中，PLC的體積、容量和運(yùn)行速度必然也會(huì)優(yōu)化，隨著機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的不斷迭代更新，對(duì)PLC的要求也會(huì)逐步提高，小體積、大容量、高速度的PLC必然會(huì)受到市場(chǎng)的歡迎。

4.2 高精度化與高效率化

目前，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也逐步走向高速高精化、高效率化。隨著航空航天、國(guó)防軍工、汽車制造的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求也不斷提高。對(duì)于數(shù)控機(jī)床的精度已經(jīng)不止?jié)M足于動(dòng)態(tài)精度，現(xiàn)階段對(duì)機(jī)床的加工震動(dòng)、主軸熱補(bǔ)償?shù)鹊木瓤刂埔苍絹?lái)越重視。同時(shí)機(jī)床的加工功能也會(huì)逐步多樣化，一機(jī)多用，并不再局限于五軸或者六軸。區(qū)別于使用CNC和車床，更可能的是一件復(fù)雜的加工工件僅僅只用一臺(tái)機(jī)床便可完成全部的加工流程。未來(lái)的數(shù)控機(jī)床在工業(yè)制造中扮演著重要角色，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與技術(shù)水平可代表整個(gè)國(guó)家工業(yè)制造的水平。我國(guó)的制造業(yè)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的升級(jí)強(qiáng)化，向著高精度方向前進(jìn)。

4.3 高柔韌性化

就目前而言，PLC機(jī)電一體化技術(shù)在數(shù)控加工的柔性化改造工作已然成為重點(diǎn)研究的方向，而柔性化的改變也的的確確能夠使得使用PLC機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行數(shù)控加工的零件加工得更加柔化，且能將相關(guān)工作人員的注意力集中在具體的生產(chǎn)流程中去，例如增加對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)的關(guān)注。此外，柔性化能夠降低相關(guān)工作人員的工作操作難度，使其能夠更輕易地控制機(jī)床的運(yùn)行程序及其系統(tǒng)，使得PLC機(jī)電一體化技術(shù)數(shù)控加工的產(chǎn)品兼具高質(zhì)量與高生產(chǎn)速度。

4.4 節(jié)能化

PLC機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)步會(huì)使未來(lái)的自動(dòng)化過(guò)程更加節(jié)省能耗。未來(lái)的PLC機(jī)電一體化技術(shù)能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)大幅度的優(yōu)化，縮減不必要的流程，簡(jiǎn)化必要的流程。這對(duì)于節(jié)省成本的重要程度是不言而喻的，同時(shí)也能加快生產(chǎn)流程，做到更快速的量產(chǎn)。這對(duì)于提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，多元化發(fā)展都是益處多多[10]。

5 小結(jié)

綜上所述，數(shù)控機(jī)床在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中要想實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，就需要有效運(yùn)用PLC機(jī)電一體化技術(shù)，全面發(fā)揮出數(shù)控機(jī)床實(shí)際功能，提升數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率，轉(zhuǎn)變工作技術(shù)人員操作理念。對(duì)相關(guān)生產(chǎn)制造技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí)與研究，確保整體的生產(chǎn)制造流程達(dá)到規(guī)范化，發(fā)揮出PLC機(jī)電一體化的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，促使我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。