PLC機電一體化技術在數控機床中的應用研究

張鑫

（蘇州泰格驅動技術有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

PLC主要指的是可編輯邏輯控制器，利用計算機、自動化控制、數字、通信、半導體等技術的綜合，形成的自動控制裝置，對開關邏輯、順序、模擬、數字處理通信、連鎖系統等進行有效控制，其工作原理是運用編輯器內部的存儲裝置，來進行指令的存儲，并實現數據的各種運算，來對機械生產和制造過程進行控制。而數控機床是在其內部裝置控制系統的自動化機床，包含輸入、輸出、驅動設備，還有PLC、電氣控制、測量、機床等組成。利用機電一體化技術，來實現對數控機床的高效高質量控制，可以保證設備運行安全和穩定，提高機械加工和制造質量。

1 PLC技術的工作原理和基本結構

1.1 工作原理

主要是依據對應的順序進行掃描，并不斷地重復進行，包括三個方面的內容：輸入采樣、程序執行、輸出刷新。其具體的掃描時間，主要取決于中央控制器執行的速度、指令自身運行時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，它會按照掃描的方式，將所有信號端的狀態讀取到對應的映像存儲設備中，在執行的過程中，如果狀態發生改變，里面的內容保持不變，對于變化的狀態，需要在進行下一個輸入采樣過程中才會被讀取。

（2）程序執行。在執行中會依據對應的順序來進行掃描，如果是梯形圖，它會按照從上到下，從左到右的順序進行掃描，每當掃描到指令時，輸入和其他元素的狀態，會分別由輸入之后的寄存器進行讀取，然后將具體的結果讀入元素寄存器中，因而其實際寄存的內容，會根據程序的執行而發生改變[1]。

（3）輸出刷新。在程序完成后，會進入到對應的輸出刷新工作中，將元素寄存器中相關輸出繼電器的狀態存儲到鎖存電路中，并利用驅動裝置來進行輸出，在每次的掃描中，都會對具體的圖樣進行掃描，同時進行輸出的刷新，從而保證映像寄存器和鎖存電路內容不被改變。

1.2 結構分析

硬件結構主要包括微處理器、存儲器、輸入、輸出、電源、整體和模塊結構、擴展機、編程器等組成，而軟件部分是由管理、用戶指令和解釋、標準模塊所構成。

（1）中央控制系統。將編制好的程序存入到對應的用戶存儲設備中時，會利用系統的解釋和編譯程序將其轉化為PLC認可的程序內容，并將輸入狀態下的信息從接口進入，然后將數據存入到數據庫系統或者映像寄存器中，促使數據和程序有效地結合最后輸出到對應接口和驅動器中。

（2）存儲器。主要是由具備記憶功能的半導體電路，可分為系統程序和用戶存儲器兩種。前者是用來存儲系統中的各個程序，包含管理、監測、編譯程序，使用只讀存儲器來進行，因而數據和信息不可以改改。后者主要分為兩個部分：用戶存儲和工作數據，適用于用戶控制程序，并運用特定的方法將其存入到只讀設備中[2]。

（3）輸入和輸出接口。主要是和相關的輸入、輸出設備、PLC進行有機連接，將各個傳入的對應信號轉換成PLC標準，并進行處理，然后將信號轉換成用戶信號，進行驅動。輸入接口主要是將電路開關信號轉化為控制器接收的熟數字信號。而輸出接口是將內部的數字電路轉化成特定的信號，來促使驅動產生反應。

（4）開關量接口。主要是在不同的輸入接口處都裝置抗干擾設施，有濾波器和耦合器等。開關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接口與計算機相連接，結合相關軟件的使用，向控制器內部輸入對應的程序。

3 PLC技術的優勢

3.1 有關編程較為簡單

在PLC編程工作中，具體的使用和操作方法比較簡單，而且相關的系統開發周期短，在積進行內部控制系統方案的調整和改變中，不需要進行拆解，就可以直接完成。

3.2 功能效果好

主要是針對一些較為復雜的程序設計，可以利用網絡進行集中和分散管理，因而工作效益和質量高。

3.3 抗干擾能力強，穩定性好

主要是PLC運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作，大幅度減少由于接觸不良帶來的故障問題。

3.4 系統故障少

該技術系統自身就具備故障診斷和檢測功能，而且可以運用編程裝置快速地發現故障問題的部位，并利用數據分析和處理技術，獲得對應的解決方案，所以在維修工作中效率較高[3]。

4 PLC對數控機床的作用

4.1 操作面板的控制

主要是將相關面板信號傳輸到對應的接口區域，其功能表現在這三個方面：一是利用調整主軸的運轉速度，來控制二位和四位代碼。二是運用數控機床系統，對其刀庫進行管理，并保證刀具自動切換的準確和安全。三是對PLC裝置輔助功能的管理和運用。

4.2 輸入信號

主要是對輸入的信號，利用開合和關閉的方式，將信號傳遞給控制的目標，從而實現對輸入信號的控制。

4.3 電工元件

根據PLC技術的信號輸出控制，來對不同的數控機床操作裝置進行控制。

4.4 警報

主要是利用PLC來收集數控機床中各種故障信號，然后將相關的信息通過數據的形式傳遞給工作人員，然后安排技術人員進行故障檢修工作，提高設備運行效益。

4.5 伺服

運用計算機來實現驅動裝置的加載，從而對相關的伺服電動機的控制。

5 數控機床工作原理和結構分析

5.1 工作原理

主要是數控裝置內的控制系統，利用輸入裝置對數字和字符以編碼的形式，進行記錄信息的處理，然后經過伺服和PLC控制器向對應的執行機構發出指令，然后根據下達的具體指令來完成機械加工。在進行加工前，將相關的程序和工藝調好后，輸入并啟動，機床就會進行自動作業，而作業人員具體要做的是對程序進行編輯和輸入，并將使用到的零件進行裝卸，還有道具的準備，對自動化作業過程的檢測和零件的檢驗等，因而對于操作的技術要求較低[4]。

5.2 基本結構

（1）程序編程。主要是依據機械加工零件的工藝分析和研究，確定零件在機床中的位置，對零件加工和切削工藝路線和參數設置，還有輔助裝置的動作反應，并對零件和道具的相對運動尺寸進行編輯，同時將所有收集到的信息和數字，轉化為對應的代碼，根據特定的格式，編制數控程序。

（2）輸入。將編好的程序上的代碼進行傳送和存儲，然后依據不同的存儲介質，可以分為驅動和光盤等，在零件加工程序的輸入過程中，主要有兩種方式：一是在系統內存較小的情況下，使用邊輸入邊加工的方式進行。二是將零件加工的所有程序全部輸入到控制裝置的存儲器里面，在加工時根據工作需求，進行程序的調用。

（3）數控。該裝置是所有工作的核心部分，主要是將存儲器內的程序或者是輸入裝置傳送的對應程序，利用裝置中的軟件和邏輯電路進行計算、分析、處理，然后進行信息的輸出和指令的生成、下達，從而對機床進行控制，保證各個系統運作的穩定。

（4）驅動和位置檢測裝置。主要是接收數控系統下達的指令信息，在功率放大后，根據指令的要求進行機床的驅動，因而其伺服和動作反應靈敏度，對加工的質量和精度有著較大的影響，在驅動裝置中主要包含兩個部分：控制器和執行機構。位置檢測是根據機床內坐標進行位移測量，在反饋系統作用下，將其傳給數控系統，并根據反饋的信息與實際的標準數據進行對比和分析，通過對驅動裝置的控制，來進行指令的調整和運動[5]。

（5）輔助控制。主要是用來接收數控系統輸出的開關指令，在編程、邏輯控制、運動后，進行驅動，從而促使機床中的機械、氣動等輔助設置，完成指令動作，在控制中主要是對主軸運轉的速度、方向調整、開關指令、刀具選用和交換、機床部件的松開和緊固等進行有效的調節。

（6）機床。它由主軸和進給傳動裝置、工作臺、機身、液壓氣動、潤滑、冷卻系統等構成，是零件加工的主要載體，經過零件程序編制和輸入、數控、驅動、檢測以及輔助裝置等，來進行加工過程自動化控制和調節，保證加工和制造活動的安全和順利進行。

6 數控機床當前發展狀況

6.1 數控水平低

對于數控機床技術發展來說，我國的數控化水平較低，和外國的一些發達國家差距較大，一些經濟型的機床占據著大部分，大型或者較為精密的機床只有百分之三，造成這個現象的主要原因在于，機床技術開發所需要的周期較長，且需要較多的人力、物力支撐，而且沒有核心技術，導致工作進度緩慢[6]。

6.2 缺少核心技術

對于我國的機械加工和制作行業的發展來看，對機床的出口和消費都在前列，但是主要是以經濟性的機床為中心，那些較大型的機床可獲得的利潤較少，主要是對于機床技術和產業研發不足，缺少核心技術，無法實現技術與產業的互助發展，還有在機床的加工和制造過程中是對其中的部件來進行的。

6.3 產品性能相對不高

由數控機床加工和制造出的產品，其具體的性能和質量主要取決于零部件的制造精度以及在運行中的轉速等，而在實際的零部件制造中，相關的精度水平暫時無法滿足客戶的要求，尤其是在進行重復定位中，還有對刀具轉換、主軸、移動速度中，與機床技術標準相差較遠。

7 PLC機電一體化技術在數控機床中的具體運用

7.1 機械設計

加強對機械設計，可以提高機電一體化運用和實施效益，隨著工業化和科學技術的發展，對于數控機床中使用的設備提出了新的要求，通過對主軸轉速、刀具轉換、傳動裝置等進行科學設計，有利于提升機床的控制能力和水平。

（1）防護裝置。在數控機床的作業中，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機電一體化運行的影響，通過自動化檢測和控制裝置，就可以明確機床的實際運行狀況，還可以有效地降低在切削過程中金屬的損壞和浪費問題，提高工業生產的安全性。

（2）傳送裝置。可以分為主動傳送和進給兩種模式，在傳統的操作過程中，需要將兩種模式同時運行，但是在PLC機電一體化之下可以進行分開運行，具體的是先進行模式的設定，然后通過分離控制裝置將其傳遞給傳遞和進給，并和伺服電機裝置進行單獨連接，從而提高控制能力，實現系統的多軸聯動[7]。

（3）自動排屑。主要是利用內置機械件來開展工作，由于機床的運行過程中，會受到切削工藝留下的金屬碎屑影響，使得相關的工具產生較大的磨損，降低使用壽命，而運用機電一體化，主要是通過內置構件，將產生的碎屑進行自動收集，并根據程序設定進行集中化處理，從而保證工作的順利進行，減少損耗。

7.2 自動控制系統

該技術是一體化系統中的核心部分，它主要是單片機、輸入和輸出、通信系統、執行構件提供運作和控制支撐，盡管數控機床有多種類型，會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，所以利用機電一體化集成運用，來提高系統的控制水平。另外在進行參數的調整時，有關人員要根據系統調整的指令，利用通信傳輸系統將指令傳給單片機，然后再與存儲器內部的指令進行匹配，在確定具體的參數后，將其傳送給執行機構，從而完成參數的改變[8]。

7.3 執行和驅動技術

在伺服驅動中其具體的使用對象是驅動裝置和執行原件，將數控裝置和執行原件相連，將全部的輸入指令完成后，可以快速地作出反應，還可以將執行原件經過相關的接口來與執行機構建立連接。運用機電一體化技術，執行和驅動的工作原理和控制環節基本相同，技術人員輸入的操作指令是機床使用的關鍵部分，從而對其運作的過程進行簡化，降低事故的發生，提高工作效率。

7.4 控制面板

在數控機床中有許多不同的控制面板，它們是保證機床運轉的重要部件，在以往的工作中，由于其結構內部較為復雜，在控制起來有較大的難度，往往無法將輸入信號及時傳遞給信號接收區，而利用機電一體化，不但可以將信號進行準確的傳遞，到達合適的位置，而且能夠保證相關的信號可以傳到指定的系統中，完成工作轉化。此外還可以對電子元件結構進行優化，并對機床中的數據進行檢驗[9]。

8 PLC技術在數控機床中的運用策略

8.1 加大技術的引用和投入，改變管理思想

PLC機電一體化技術可以大幅度提高數控機床的控制能力，提高工作質量，但是具體的技術還處于實驗階段，在具體的機械工業化制造和加工過程中，可以從這幾個方面，來提高技術運用的效率和質量：一是轉變對技術的認知，明確其重要價值和帶來的經濟效益，建立技術研發團隊。二是加強技術引用資金的投入，可以尋求和政府部門的合作，來保證技術開發工作的順利進行。三是對數控機床設計和實際運用之間的聯系，根據實際的工作情況，對數控機床進行調整和改進。四是制定技術工作計劃，并建立對應的技術管理體系，安排專業的技術人員，對數控機床作業過程和工藝進行分解，然后加強對員工的技能培訓工作[10]。

8.2 加強對技術的創新運用

在PLC機電一體化運用下的數控機床技術，不僅僅是對數控機床和PLC技術的技術研究，還要根據其具體的作業過程和出現的問題，在實際的工藝流程中進行調整和優化[11]，并結合現代化的人工智能和互聯網技術，來提高控制水平，同時結合實際的運用效果，加強對技術的創新研發，提高一體化工作質量。

9 結語

綜上所述，在PLC機電一體化的數控機床技術運用中，不但可以大幅度提高控制能力和水平，而且利用現代不同科學技術，來加強對數控機床作業過程的檢測，根據數據分析和處理技術，來對其中存在的故障問題進行及時調整，從而提高設備的使用效益，減少能源消耗，降低設備的磨損，這對于機械行業的發展具有重要的意義，因而相關的企業要加強對技術的研發和資金投入，進一步加強對數控機床作業過程和控制的調整與改進。