PLC机电一体化技术在数控机床中的应用研究

张鑫

（苏州泰格驱动技术有限公司，江苏 苏州 215021）

0 引言

PLC主要指的是可编辑逻辑控制器，利用计算机、自动化控制、数字、通信、半导体等技术的综合，形成的自动控制装置，对开关逻辑、顺序、模拟、数字处理通信、连锁系统等进行有效控制，其工作原理是运用编辑器内部的存储装置，来进行指令的存储，并实现数据的各种运算，来对机械生产和制造过程进行控制。而数控机床是在其内部装置控制系统的自动化机床，包含输入、输出、驱动设备，还有PLC、电气控制、测量、机床等组成。利用机电一体化技术，来实现对数控机床的高效高质量控制，可以保证设备运行安全和稳定，提高机械加工和制造质量。

1 PLC技术的工作原理和基本结构

1.1 工作原理

主要是依据对应的顺序进行扫描，并不断地重复进行，包括三个方面的内容：输入采样、程序执行、输出刷新。其具体的扫描时间，主要取决于中央控制器执行的速度、指令自身运行时间以及具体的指令多少。

（1）输入采样。主要是PLC在投入使用后，它会按照扫描的方式，将所有信号端的状态读取到对应的映像存储设备中，在执行的过程中，如果状态发生改变，里面的内容保持不变，对于变化的状态，需要在进行下一个输入采样过程中才会被读取。

（2）程序执行。在执行中会依据对应的顺序来进行扫描，如果是梯形图，它会按照从上到下，从左到右的顺序进行扫描，每当扫描到指令时，输入和其他元素的状态，会分别由输入之后的寄存器进行读取，然后将具体的结果读入元素寄存器中，因而其实际寄存的内容，会根据程序的执行而发生改变[1]。

（3）输出刷新。在程序完成后，会进入到对应的输出刷新工作中，将元素寄存器中相关输出继电器的状态存储到锁存电路中，并利用驱动装置来进行输出，在每次的扫描中，都会对具体的图样进行扫描，同时进行输出的刷新，从而保证映像寄存器和锁存电路内容不被改变。

1.2 结构分析

硬件结构主要包括微处理器、存储器、输入、输出、电源、整体和模块结构、扩展机、编程器等组成，而软件部分是由管理、用户指令和解释、标准模块所构成。

（1）中央控制系统。将编制好的程序存入到对应的用户存储设备中时，会利用系统的解释和编译程序将其转化为PLC认可的程序内容，并将输入状态下的信息从接口进入，然后将数据存入到数据库系统或者映像寄存器中，促使数据和程序有效地结合最后输出到对应接口和驱动器中。

（2）存储器。主要是由具备记忆功能的半导体电路，可分为系统程序和用户存储器两种。前者是用来存储系统中的各个程序，包含管理、监测、编译程序，使用只读存储器来进行，因而数据和信息不可以改改。后者主要分为两个部分：用户存储和工作数据，适用于用户控制程序，并运用特定的方法将其存入到只读设备中[2]。

（3）输入和输出接口。主要是和相关的输入、输出设备、PLC进行有机连接，将各个传入的对应信号转换成PLC标准，并进行处理，然后将信号转换成用户信号，进行驱动。输入接口主要是将电路开关信号转化为控制器接收的熟数字信号。而输出接口是将内部的数字电路转化成特定的信号，来促使驱动产生反应。

（4）开关量接口。主要是在不同的输入接口处都装置抗干扰设施，有滤波器和耦合器等。开关量输入接口主要三种直输入形式：直流、交流、交流与直流。而输出有继电器、晶体管等，端口的电源大多都由用户提供。

（5）编程器.主要分为两种：手持编程器和PLC接口与计算机相连接，结合相关软件的使用，向控制器内部输入对应的程序。

3 PLC技术的优势

3.1 有关编程较为简单

在PLC编程工作中，具体的使用和操作方法比较简单，而且相关的系统开发周期短，在积进行内部控制系统方案的调整和改变中，不需要进行拆解，就可以直接完成。

3.2 功能效果好

主要是针对一些较为复杂的程序设计，可以利用网络进行集中和分散管理，因而工作效益和质量高。

3.3 抗干扰能力强，稳定性好

主要是PLC运用软件来替代原有的继电器装置，仅仅需要少量的硬件装置来运作，大幅度减少由于接触不良带来的故障问题。

3.4 系统故障少

该技术系统自身就具备故障诊断和检测功能，而且可以运用编程装置快速地发现故障问题的部位，并利用数据分析和处理技术，获得对应的解决方案，所以在维修工作中效率较高[3]。

4 PLC对数控机床的作用

4.1 操作面板的控制

主要是将相关面板信号传输到对应的接口区域，其功能表现在这三个方面：一是利用调整主轴的运转速度，来控制二位和四位代码。二是运用数控机床系统，对其刀库进行管理，并保证刀具自动切换的准确和安全。三是对PLC装置辅助功能的管理和运用。

4.2 输入信号

主要是对输入的信号，利用开合和关闭的方式，将信号传递给控制的目标，从而实现对输入信号的控制。

4.3 电工元件

根据PLC技术的信号输出控制，来对不同的数控机床操作装置进行控制。

4.4 警报

主要是利用PLC来收集数控机床中各种故障信号，然后将相关的信息通过数据的形式传递给工作人员，然后安排技术人员进行故障检修工作，提高设备运行效益。

4.5 伺服

运用计算机来实现驱动装置的加载，从而对相关的伺服电动机的控制。

5 数控机床工作原理和结构分析

5.1 工作原理

主要是数控装置内的控制系统，利用输入装置对数字和字符以编码的形式，进行记录信息的处理，然后经过伺服和PLC控制器向对应的执行机构发出指令，然后根据下达的具体指令来完成机械加工。在进行加工前，将相关的程序和工艺调好后，输入并启动，机床就会进行自动作业，而作业人员具体要做的是对程序进行编辑和输入，并将使用到的零件进行装卸，还有道具的准备，对自动化作业过程的检测和零件的检验等，因而对于操作的技术要求较低[4]。

5.2 基本结构

（1）程序编程。主要是依据机械加工零件的工艺分析和研究，确定零件在机床中的位置，对零件加工和切削工艺路线和参数设置，还有辅助装置的动作反应，并对零件和道具的相对运动尺寸进行编辑，同时将所有收集到的信息和数字，转化为对应的代码，根据特定的格式，编制数控程序。

（2）输入。将编好的程序上的代码进行传送和存储，然后依据不同的存储介质，可以分为驱动和光盘等，在零件加工程序的输入过程中，主要有两种方式：一是在系统内存较小的情况下，使用边输入边加工的方式进行。二是将零件加工的所有程序全部输入到控制装置的存储器里面，在加工时根据工作需求，进行程序的调用。

（3）数控。该装置是所有工作的核心部分，主要是将存储器内的程序或者是输入装置传送的对应程序，利用装置中的软件和逻辑电路进行计算、分析、处理，然后进行信息的输出和指令的生成、下达，从而对机床进行控制，保证各个系统运作的稳定。

（4）驱动和位置检测装置。主要是接收数控系统下达的指令信息，在功率放大后，根据指令的要求进行机床的驱动，因而其伺服和动作反应灵敏度，对加工的质量和精度有着较大的影响，在驱动装置中主要包含两个部分：控制器和执行机构。位置检测是根据机床内坐标进行位移测量，在反馈系统作用下，将其传给数控系统，并根据反馈的信息与实际的标准数据进行对比和分析，通过对驱动装置的控制，来进行指令的调整和运动[5]。

（5）辅助控制。主要是用来接收数控系统输出的开关指令，在编程、逻辑控制、运动后，进行驱动，从而促使机床中的机械、气动等辅助设置，完成指令动作，在控制中主要是对主轴运转的速度、方向调整、开关指令、刀具选用和交换、机床部件的松开和紧固等进行有效的调节。

（6）机床。它由主轴和进给传动装置、工作台、机身、液压气动、润滑、冷却系统等构成，是零件加工的主要载体，经过零件程序编制和输入、数控、驱动、检测以及辅助装置等，来进行加工过程自动化控制和调节，保证加工和制造活动的安全和顺利进行。

6 数控机床当前发展状况

6.1 数控水平低

对于数控机床技术发展来说，我国的数控化水平较低，和外国的一些发达国家差距较大，一些经济型的机床占据着大部分，大型或者较为精密的机床只有百分之三，造成这个现象的主要原因在于，机床技术开发所需要的周期较长，且需要较多的人力、物力支撑，而且没有核心技术，导致工作进度缓慢[6]。

6.2 缺少核心技术

对于我国的机械加工和制作行业的发展来看，对机床的出口和消费都在前列，但是主要是以经济性的机床为中心，那些较大型的机床可获得的利润较少，主要是对于机床技术和产业研发不足，缺少核心技术，无法实现技术与产业的互助发展，还有在机床的加工和制造过程中是对其中的部件来进行的。

6.3 产品性能相对不高

由数控机床加工和制造出的产品，其具体的性能和质量主要取决于零部件的制造精度以及在运行中的转速等，而在实际的零部件制造中，相关的精度水平暂时无法满足客户的要求，尤其是在进行重复定位中，还有对刀具转换、主轴、移动速度中，与机床技术标准相差较远。

7 PLC机电一体化技术在数控机床中的具体运用

7.1 机械设计

加强对机械设计，可以提高机电一体化运用和实施效益，随着工业化和科学技术的发展，对于数控机床中使用的设备提出了新的要求，通过对主轴转速、刀具转换、传动装置等进行科学设计，有利于提升机床的控制能力和水平。

（1）防护装置。在数控机床的作业中，将原有的开放式改为半封闭或者是全封闭式，从而减少人为因素对机电一体化运行的影响，通过自动化检测和控制装置，就可以明确机床的实际运行状况，还可以有效地降低在切削过程中金属的损坏和浪费问题，提高工业生产的安全性。

（2）传送装置。可以分为主动传送和进给两种模式，在传统的操作过程中，需要将两种模式同时运行，但是在PLC机电一体化之下可以进行分开运行，具体的是先进行模式的设定，然后通过分离控制装置将其传递给传递和进给，并和伺服电机装置进行单独连接，从而提高控制能力，实现系统的多轴联动[7]。

（3）自动排屑。主要是利用内置机械件来开展工作，由于机床的运行过程中，会受到切削工艺留下的金属碎屑影响，使得相关的工具产生较大的磨损，降低使用寿命，而运用机电一体化，主要是通过内置构件，将产生的碎屑进行自动收集，并根据程序设定进行集中化处理，从而保证工作的顺利进行，减少损耗。

7.2 自动控制系统

该技术是一体化系统中的核心部分，它主要是单片机、输入和输出、通信系统、执行构件提供运作和控制支撑，尽管数控机床有多种类型，会使得其存在一定的差异性，但是具体的工作原理和方式是大致相同的，所以利用机电一体化集成运用，来提高系统的控制水平。另外在进行参数的调整时，有关人员要根据系统调整的指令，利用通信传输系统将指令传给单片机，然后再与存储器内部的指令进行匹配，在确定具体的参数后，将其传送给执行机构，从而完成参数的改变[8]。

7.3 执行和驱动技术

在伺服驱动中其具体的使用对象是驱动装置和执行原件，将数控装置和执行原件相连，将全部的输入指令完成后，可以快速地作出反应，还可以将执行原件经过相关的接口来与执行机构建立连接。运用机电一体化技术，执行和驱动的工作原理和控制环节基本相同，技术人员输入的操作指令是机床使用的关键部分，从而对其运作的过程进行简化，降低事故的发生，提高工作效率。

7.4 控制面板

在数控机床中有许多不同的控制面板，它们是保证机床运转的重要部件，在以往的工作中，由于其结构内部较为复杂，在控制起来有较大的难度，往往无法将输入信号及时传递给信号接收区，而利用机电一体化，不但可以将信号进行准确的传递，到达合适的位置，而且能够保证相关的信号可以传到指定的系统中，完成工作转化。此外还可以对电子元件结构进行优化，并对机床中的数据进行检验[9]。

8 PLC技术在数控机床中的运用策略

8.1 加大技术的引用和投入，改变管理思想

PLC机电一体化技术可以大幅度提高数控机床的控制能力，提高工作质量，但是具体的技术还处于实验阶段，在具体的机械工业化制造和加工过程中，可以从这几个方面，来提高技术运用的效率和质量：一是转变对技术的认知，明确其重要价值和带来的经济效益，建立技术研发团队。二是加强技术引用资金的投入，可以寻求和政府部门的合作，来保证技术开发工作的顺利进行。三是对数控机床设计和实际运用之间的联系，根据实际的工作情况，对数控机床进行调整和改进。四是制定技术工作计划，并建立对应的技术管理体系，安排专业的技术人员，对数控机床作业过程和工艺进行分解，然后加强对员工的技能培训工作[10]。

8.2 加强对技术的创新运用

在PLC机电一体化运用下的数控机床技术，不仅仅是对数控机床和PLC技术的技术研究，还要根据其具体的作业过程和出现的问题，在实际的工艺流程中进行调整和优化[11]，并结合现代化的人工智能和互联网技术，来提高控制水平，同时结合实际的运用效果，加强对技术的创新研发，提高一体化工作质量。

9 结语

综上所述，在PLC机电一体化的数控机床技术运用中，不但可以大幅度提高控制能力和水平，而且利用现代不同科学技术，来加强对数控机床作业过程的检测，根据数据分析和处理技术，来对其中存在的故障问题进行及时调整，从而提高设备的使用效益，减少能源消耗，降低设备的磨损，这对于机械行业的发展具有重要的意义，因而相关的企业要加强对技术的研发和资金投入，进一步加强对数控机床作业过程和控制的调整与改进。