淺談PLC數控機床改造技術

摘要：數控機床一般由輸入輸出設備、CNC裝置（或稱CNC單元）、伺服單元、驅動裝置（或稱執行機構）、可編程控制器PLC及電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量反饋裝置組成。現代科學技術的不斷發展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。

關鍵詞：PLC技術 自動控制 機電一體化 數控設備

1、引言

在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發展及其向機械工業的滲透所形成的機電一體化，使機械工業的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發生了巨大變化，使工業生產由機械電氣化邁入了以機電一體化為特征的發展階段。

2、機電一體化帶動數控技術的發展

機電一體化的發展狀況是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術，將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統的總稱。它是從系統的觀點出發，綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術，根據系統功能目標和優化組織目標，合理配置與布局各功能單元，在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現特定功能價值，并使整個系統最優化的系統工程技術。由此而產生的功能系統，則成為一個機電一體化系統或機電一體化產品。機電一體化發展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科，隨著科學技術的不斷發展，還將被賦予新的內容。它的發展對當今世界具有非常重要的意義。

3、機床自動組成單元

⑴機床本體

數控機床的機床本體與傳統機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置、液壓氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置等組成。但數控機床在整體布局、外觀造型、傳動系統、刀具系統的結構以及操作機構等方面都已發生了很大的變化，這種變化的目的是為了滿足數控機床的要求和充分發揮數控機床的特點。

⑵CNC單元

CNC單元是數控機床的核心，CNC單元由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成。CNC單元接受數字化信息，經過數控裝置的控制軟件和邏輯電路進行譯碼、插補、邏輯處理后，將各種指令信息輸出給伺服系統，伺服系統驅動執行部件作進給運動。

⑶輸入/輸出設備

輸入裝置將各種加工信息傳遞于計算機的外部設備。在數控機床產生初期，輸入裝置為穿孔紙帶，現已淘汰，后發展成盒式磁帶，再發展成鍵盤、磁盤等便攜式硬件，極大方便了信息輸入工作，現通用DNC網絡通訊串行通信的方式輸入。

輸出指輸出內部工作參數（含機床正常、理想工作狀態下的原始參數，故障診斷參數等），一般在機床剛工作狀態需輸出這些參數作記錄保存，待工作一段時間后，再將輸出與原始資料作比較、對照，可幫助判斷機床工作是否維持正常。

⑷伺服單元

伺服單元由驅動器、驅動電機組成，并與機床上的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統。它的作用是把來自數控裝置的脈沖信號轉換成機床移動部件的運動。對于步進電機來說，每一個脈沖信號使電機轉過一個角度，進而帶動機床移動部件移動一個微小距離。每個進給運動的執行部件都有相應的伺服驅動系統，整個機床的性能主要取決于伺服系統。

⑸驅動裝置

驅動裝置把經放大的指令信號變為機械運動，通過簡單的機械連接部件驅動機床，使工作臺精確定位或按規定的軌跡作嚴格的相對運動， 最后加工出圖紙所要求的零件。和伺服單元相對應，驅動裝置有步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機等。

伺服單元和驅動裝置可合稱為伺服驅動系統，它是機床工作的動力裝置，CNC裝置的指令要靠伺服驅動系統付諸實施，所以，伺服驅動系統是數控機床的重要組成部分。

4、PLC的應用技術

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。

1）開關量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

2) 模擬量控制

在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。

3) 運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

4) 過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。

5) 數據處理

現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數據處理一般用于大型控制系統，如無人控制的柔性制造系統；也可用于過程控制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

6) 通信及聯網

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

5、結論

由于數控機床的精密要求，所以在設計的時候不得不考慮它的剛度要求及抗振性要求，這使得在設計床身的時候就要考慮到它所承受的各種外力的情況，在這方面，我針對床身的材料、厚度及其機構幾方面進行了設計。在傳動方面為適應其加工范圍、工藝要求、加工精度及自動化要求等方面，對主軸進行了設計使其具有較高的熱穩定性，并能保證配合精度，并且還對X、Y、Z軸及其它相關零件進行了計算。在進給伺服系統的設計中，因其要求定位精度高、跟蹤指令信號的響應快、系統的穩定好等，首先對其進行了分析并根據其要求完成這方面的設計。

在設計微機控制系統時，在選取主控制器及存儲器時通過對本系統的考慮，在從性能價格比上選取了合適的硬件結構，在電路設計方面以達到簡潔明了實用為目的，做出了設計。在選取電機時，以絲杠的最大負載及不影響電路的正常工作。最后根據所加工的工件形狀針對刀具及工作平臺設計了相應的工作程序。

參考文獻：

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