PLC機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床中的應(yīng)用研究

陳 俊

（昆明冶金高等專科學(xué)校 電氣與機械學(xué)院，昆明 650033）

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)得到了顯著提升，工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)從“機械電氣化”發(fā)展到“機電一體化”。超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration，VLSI）的出現(xiàn)，尤其是微型計算機技術(shù)的發(fā)展，為機電技術(shù)的交叉滲透提供了便利。因此，以系統(tǒng)論、信息論、自動控制理論為基礎(chǔ)，機電技術(shù)與電子技術(shù)實現(xiàn)了深度融合發(fā)展。數(shù)控機床作為機電產(chǎn)品中的代表，在制造行業(yè)占有舉足輕重的位置。鑒于此，文章探討了機電一體化在數(shù)控機床中的應(yīng)用，可為工業(yè)建設(shè)發(fā)展提供保障。

1 PLC機電一體化與數(shù)控機床概述

1.1 機電一體化的基本概念

機電一體化基于功能目標(biāo)與優(yōu)化的組織目標(biāo)為前提。目前，機電一體化的發(fā)展已成為一門具有自身特點的新學(xué)科。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷革新，工業(yè)作為支撐中國經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的主要產(chǎn)業(yè)類型，為實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)嚴格遵守節(jié)能減排等相關(guān)政策法規(guī)。機電一體化涉獵范圍較廣，具有多功能、高質(zhì)量、高可靠性以及低功耗等特點，在當(dāng)今時代充分發(fā)揮了功能價值。智能化是機電一體化的特點，也是機電一體化與機械電氣化的主要差異。換句話說，機電一體化產(chǎn)品的發(fā)明是科學(xué)技術(shù)進步的具體表現(xiàn)，促進了工業(yè)的高效發(fā)展。如今，機械工程技術(shù)已從簡單的機械電氣化技術(shù)逐漸向綜合型方向發(fā)展。機電一體化技術(shù)不是機械技術(shù)與微電子等新技術(shù)的簡單結(jié)合，而是基于相關(guān)技術(shù)集成的綜合技術(shù)，可為工業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有利支撐[1]。

1.2 數(shù)控機床相關(guān)概述

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟的快速發(fā)展，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）機電一體化技術(shù)得到了迅速發(fā)展，同時取得了重大突破[2-3]。目前，集成電路的產(chǎn)生促使電子技術(shù)與機械技術(shù)實現(xiàn)了深度融合，進而產(chǎn)生了機電一體化技術(shù)。在PLC機電一體化技術(shù)體系中，數(shù)控機床是其典型的代表，對于促進制造業(yè)快速發(fā)展具有決定性作用。因此，在數(shù)控機床中，技術(shù)人員需要加強機電一體化技術(shù)的應(yīng)用，以發(fā)揮其作用優(yōu)勢，這對于我國工業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)具有重要作用。PLC屬于一種數(shù)字運算電子系統(tǒng)，在工業(yè)自動化設(shè)計的過程中能夠發(fā)揮重要作用。它的核心部分是程序處理器，即通過存儲記憶進行順序控制、邏輯運算以及定時指令等。為了數(shù)控系統(tǒng)安全穩(wěn)定和可靠運行，技術(shù)人員需要加強PLC機電一體化的廣泛應(yīng)用，通過輸入設(shè)備和輸出設(shè)備提升數(shù)控機床智能水平，從而使工業(yè)生產(chǎn)走向新臺階[4]。

1.3 西門子公司3種PLC技術(shù)的對比分析

在20世紀80年代，PLC技術(shù)在許多發(fā)達工業(yè)國家獲得了廣泛應(yīng)用，并在社會各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。它專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計，具有先進電子設(shè)備的數(shù)字操作功能[5]。工業(yè)工廠采用電氣自動控制技術(shù)，可有效提高工作處理效率，最大限度地減少工業(yè)資源浪費，從而有效節(jié)約能源。西門子公司S7系列PLC的3個具體要求見表1[6-7]。

表1 西門子公司S7系列3種PLC的具體情況

2 PLC機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床中的具體應(yīng)用

2.1 機械設(shè)計

技術(shù)人員應(yīng)重視機械設(shè)計。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)行業(yè)對數(shù)控機床設(shè)備提出了新要求。科學(xué)且合理設(shè)置主軸運轉(zhuǎn)速度、刀具轉(zhuǎn)換及傳動裝置，可顯著提升機床控制水平。在數(shù)控機床加工過程中，通過自動檢測和控制可將原來的開放式改為半封閉式或全封閉式。該裝置能夠反映機床在具體工作中的運行狀態(tài)，還能夠從根本上減少金屬切削過程中的損壞和浪費情況，以減少工業(yè)生產(chǎn)損耗[8]。

在傳統(tǒng)的輸送機運行過程中，主動傳送和進給兩種模式需要協(xié)同操作。但是，在機電一體化框架下，PLC可以獨立運行，即先設(shè)置模式，再將其從控制裝置分離的過程中轉(zhuǎn)移出來，之后伺服電機裝置分開連接，以提高控制能力和多軸聯(lián)動。傳統(tǒng)自動排屑在機床運行過程中憑借內(nèi)置機械部件保證相關(guān)工作正常開展，相關(guān)刀具大大磨損，縮短了使用壽命。機電一體化依靠內(nèi)置部件自動收集產(chǎn)生的碎屑，按照程序進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，促使相關(guān)工作正常開展，以降低損失[9-11]。

2.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)是機電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，主要為單片機、輸入輸出、通信系統(tǒng)以及執(zhí)行器等提供技術(shù)支持。數(shù)控機床種類形式多樣，但其工作原理與方法并無本質(zhì)區(qū)別。采用機電一體化技術(shù)可有效增強系統(tǒng)控制水平。此外，修改參數(shù)時，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)修改后的系統(tǒng)指令，通過通信系統(tǒng)將指令傳輸給單片機，隨即匹配存儲器中的指令。確定參數(shù)后，相關(guān)人員將指定的參數(shù)發(fā)送給發(fā)動機，最終更改參數(shù)[12]。

2.3 執(zhí)行和驅(qū)動技術(shù)

伺服驅(qū)動器的主要對象是驅(qū)動元件和執(zhí)行元件，能夠?qū)?shù)控設(shè)備與執(zhí)行元件連接。執(zhí)行元素可以在完成所有輸入指令后快速響應(yīng)，還可以通過相關(guān)接口與執(zhí)行元素建立連接。在應(yīng)用機電一體化技術(shù)的情況下，它的工作原理、控制環(huán)節(jié)與傳動裝置并無明顯區(qū)別。相關(guān)技術(shù)人員所發(fā)布的指令是機床使用重點，有效簡化了操作過程，也減少了事故發(fā)生的可能性，從根本上提高了工作效率[13]。

2.4 控制面板

數(shù)控機床中，控制面板種類相對多樣化，是保證機床正常運行的關(guān)鍵。過去由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和控制困難，通常無法及時發(fā)送輸入信號和接收區(qū)域信號。技術(shù)人員憑借機電一體化優(yōu)勢可確保相關(guān)信號傳輸?shù)教囟ㄏ到y(tǒng)，以完成工作切換。此外，它可以優(yōu)化電子元件結(jié)構(gòu)，并測試機床中的數(shù)據(jù)。

3 基于PLC機電一體化的數(shù)控機床技術(shù)應(yīng)用發(fā)展前景

3.1 智能化

未來PLC機電一體化的技術(shù)將繼續(xù)向網(wǎng)絡(luò)通信、模塊化、智能化以及智能化產(chǎn)品布局發(fā)展，可推動萬維網(wǎng)（World Wide Web，WWW）、海量數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)及產(chǎn)品實體深度融合，為設(shè)計者與用戶提供強大的技術(shù)支持。為滿足不同數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控機床的要求，PLC廠商不斷創(chuàng)新和發(fā)展，發(fā)明了如智能輸入/輸出模塊、智能溫控模塊、專門處理外部問題的智能模塊等[14]。這些智能模塊的使用擴大了PLC的應(yīng)用范圍，增強了PLC的使用功能，可保證在任何情況下更加穩(wěn)定、智能及高效地使用PLC。隨著數(shù)控機床系統(tǒng)的不斷更新，PLC的體積、容量及運行速度不斷優(yōu)化，逐步提高了人們對PLC的要求。因此，小體積、大容量、快速度的PLC在市場運行中必將占據(jù)一席之地。

3.2 高精度化與高效率化

近年來，數(shù)控機床正朝著高速、高精度、高效率方向發(fā)展，在我國航空工業(yè)、國防工業(yè)及汽車工業(yè)取得了一定成就，且對數(shù)控機床要求越來越高。數(shù)控機床精度不僅要滿足動態(tài)精度標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且更加注重振動控制和主軸熱補償?shù)木龋瑫r拓展了機床加工功能。一臺機器可以有多種用途，因此不再受特定因素的限制。未來，數(shù)控機床在制造業(yè)中將發(fā)揮重要作用，有利于促進數(shù)控機床的發(fā)展、普及和應(yīng)用。

3.3 高柔韌性

現(xiàn)階段，PLC機電一體化技術(shù)在數(shù)控加工中的柔性化改造已成為研究的熱點和方向。這種柔性化改造利用PLC和機電一體化技術(shù)使數(shù)控加工中加工零件更加靈活，并可以將相關(guān)人員集中在具體的生產(chǎn)過程中，提高相關(guān)工作人員對機床生產(chǎn)工作的興趣。此外，這種靈活性可以降低相關(guān)人員的操作難度，便于人員操作程序和進行系統(tǒng)控制，使PLC和機電一體化數(shù)控加工技術(shù)成為高質(zhì)量和高速加工的產(chǎn)物[15]。

3.4 節(jié)能化

PLC機電一體化技術(shù)可以節(jié)能自動化過程，發(fā)揮自身優(yōu)勢改進生產(chǎn)工藝，減少不必要的工序，從而簡化操作，對節(jié)約成本、加快生產(chǎn)過程、實現(xiàn)更快的批量生產(chǎn)具有重要意義，也能夠從根本上提高企業(yè)在市場上的競爭優(yōu)勢，有助于實現(xiàn)企業(yè)的多元化發(fā)展。

4 結(jié)語

PLC機電一體化是集信息技術(shù)、自動控制技術(shù)及計算機技術(shù)為一體的綜合管理體系，對發(fā)展和完善數(shù)控機床具有重要作用。目前，在數(shù)控機床加工過程中，技術(shù)人員利用PLC機電一體化技術(shù)的自身優(yōu)勢，有效保障了加工精度、操作安全性以及可靠性，同時提高了工作效率和質(zhì)量，可為我國工業(yè)行業(yè)的高效發(fā)展奠定基礎(chǔ)。