PLC 機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床中運用研究

李永鑫

（富奧汽車零部件股份有限公司泵業(yè)分公司，吉林 遼源 136200）

0 引言

PLC 機電一體化技術(shù)實現(xiàn)了機械技術(shù)與電子信息技術(shù)的融合，當(dāng)前已經(jīng)在各個領(lǐng)域中實現(xiàn)有效應(yīng)用。伴隨著PLC 機電一體化技術(shù)的優(yōu)化升級，其在數(shù)控機床領(lǐng)域體現(xiàn)出更加突出的優(yōu)勢，而在相關(guān)技術(shù)的支持下，數(shù)控機床的價值也得到進一步發(fā)揮。與此同時，推動PLC 技術(shù)與數(shù)控機床機電一體化系統(tǒng)的融合還有助于強化設(shè)備控制效果，減少工業(yè)生產(chǎn)活動中受人為因素的影響，促進數(shù)控機床生產(chǎn)質(zhì)量與效率的提升。

1 PLC 機電一體化技術(shù)分析

PLC 也就是可編程控制器，而PLC 機電一體化技術(shù)的運行則是借助存儲器實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的計算與處理，同時還可以實現(xiàn)定時、編程與順序調(diào)控等功能，其基本構(gòu)造如圖1 所示。相較于以往的控制方式，PLC技術(shù)有效通過數(shù)字控制實現(xiàn)機械設(shè)備的穩(wěn)定運行，很大程度上推動了機械設(shè)備自動化應(yīng)用水平的提升，因此PLC 技術(shù)也在工業(yè)企業(yè)中得到十分廣泛的應(yīng)用。PLC 技術(shù)在應(yīng)用過程中所包含的模塊包括輸入、輸出、電源、CPU 及存儲器等，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中通過與生產(chǎn)需求的有機結(jié)合來實現(xiàn)其技術(shù)優(yōu)勢的體現(xiàn)。若站在編程的角度上來說，PLC 技術(shù)的應(yīng)用大大降低了編程難度，既可以減輕操控人員的工作壓力，又可以有效滿足生產(chǎn)環(huán)節(jié)的多種需求。此外，PLC 技術(shù)的開發(fā)成本也比較低，可以在不拆換設(shè)備的基礎(chǔ)上修改程序，進而保證可以將相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用成本控制在較低范圍內(nèi)。值得注意的是，PLC 技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以進一步實現(xiàn)信息化控制與統(tǒng)一管理，而PLC 機電一體化技術(shù)則可以在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上強化繼電器控制，確保工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)可以處于正常運行狀態(tài)，降低系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題的概率。

圖1 PLC 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 PLC 機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床中的作用與應(yīng)用

2.1 作用

PLC 機電一體化技術(shù)對數(shù)控機床的作用主要體現(xiàn)在以下5 個方面：①優(yōu)化操作面板控制。在PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用下，可以實現(xiàn)面板信號向?qū)?yīng)接口區(qū)域的穩(wěn)定傳輸，其具體的功能表現(xiàn)為通過調(diào)整主軸運轉(zhuǎn)速度實現(xiàn)二位和四位代碼控制；借助數(shù)控機床系統(tǒng)實現(xiàn)刀具的安全管理與準確切換；實現(xiàn)對PLC 裝置輔助功能的有效應(yīng)用。②控制輸入信號。通過開合、關(guān)閉流程將輸入信號傳遞給控制目標。③電工元件管理。PLC 機電一體化技術(shù)可以控制輸出信號，并實現(xiàn)對不同數(shù)控機床裝置的操作控制。④警報收集。PLC 技術(shù)在運行過程中可以實現(xiàn)對數(shù)控機床故障信號的收集，并以數(shù)據(jù)形式進行傳遞，以實現(xiàn)第一時間的接收與處理，促進數(shù)控機床運行穩(wěn)定性與運行效益的提升。⑤實現(xiàn)伺服運用。在計算機技術(shù)的支持下，可以完成驅(qū)動裝置加載，進而為伺服電動機的運行打好基礎(chǔ)。

2.2 應(yīng)用

2.2.1 在機械設(shè)計中的應(yīng)用

在制造業(yè)不斷發(fā)展的環(huán)境下，對于機械加工也提出了更高的要求，將PLC 機電一體化技術(shù)引入其中有助于完善數(shù)控機床機械設(shè)計功能，并帶動其加工質(zhì)量與精度的提升。可以說，PLC 機電一體化技術(shù)轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)數(shù)控機床運行模式，即從開放式運行向封閉式運行的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床在開放環(huán)境中運轉(zhuǎn)不僅容易造成安全問題，還增加了出現(xiàn)人為數(shù)控操作失誤的可能性，而PLC 機電一體化技術(shù)則為半封閉乃至全封閉運行模式提供可能。這樣的操作模式既有效保證了相關(guān)人員的人身安全，又為機械加工準確率的提升打下基礎(chǔ)。與此同時，PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用還可以強化金屬屑回收功能，減少其對整體設(shè)備的影響。面對傳統(tǒng)數(shù)控機床運行模式的轉(zhuǎn)變，原本的統(tǒng)一控制逐步向分別、獨立控制發(fā)展，進而在很大程度上提升了數(shù)控機床的運行穩(wěn)定性。

2.2.2 在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)控機床在實際運行過程中，其加工參數(shù)需要根據(jù)加工零件的不同進行調(diào)整，在傳統(tǒng)運行模式下，這部分工作往往是由人工來完成的，因此其加工精度和質(zhì)量很容易受到人為因素的影響。隨著PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用，逐步實現(xiàn)了數(shù)控機床加工參數(shù)的半自動化輸入，很大程度上提升了其精度與質(zhì)量。相關(guān)人員可以借助PLC 控制系統(tǒng)輸入指令，隨后計算機系統(tǒng)可以完成指令的查找與審核環(huán)節(jié)，整體過程可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)，并顯著減少人工參與的程度。由此可見，在PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用下，數(shù)控機床運行的穩(wěn)定性、連續(xù)性均得到有效保障。

2.2.3 在驅(qū)動技術(shù)中的應(yīng)用

驅(qū)動技術(shù)也是數(shù)控機床運行過程中十分關(guān)鍵的組成部分，其主要功能在于對數(shù)控機床所需能力進行輸送。然而在具體應(yīng)用的過程中，如果不具備相應(yīng)的高效運行條件，那么就很容易導(dǎo)致數(shù)控機床運轉(zhuǎn)動力不足等問題。在驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用中，雖然驅(qū)動裝置沒有與數(shù)控裝置實現(xiàn)直接連接，但與數(shù)控機床執(zhí)行元件構(gòu)成了一個完整的裝置系統(tǒng)，只有確保驅(qū)動裝置處于平穩(wěn)狀態(tài)，才可以保障整體系統(tǒng)的正常運行。因此，需要通過PLC 機電一體化技術(shù)保證驅(qū)動技術(shù)合理應(yīng)用與驅(qū)動指令穩(wěn)定執(zhí)行，最大限度上提升驅(qū)動裝置運行的科學(xué)性與合理性，這對于提升數(shù)控機床工作效率也將起到十分關(guān)鍵的作用。

2.2.4 在數(shù)控面板中的應(yīng)用

在數(shù)控機床運行中會涉及很多的控制面板，只有確保這部分電工元件的合理應(yīng)用，才可以確保數(shù)控機床的穩(wěn)定運行。因此，除了要完成數(shù)控機床重要系統(tǒng)優(yōu)化以外，還需要強化其內(nèi)部的控制與排查。PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用可以有效滿足這一需求，實現(xiàn)對數(shù)控機床控制系統(tǒng)的全面控制。在以往的管理模式下，受到數(shù)控機床控制面板位置與結(jié)構(gòu)限制，在控制上也面臨較大難度，導(dǎo)致很多信號被隔離在接口信號區(qū)域內(nèi)部外部。對于這樣的問題，可以借助PLC 機電一體化技術(shù)實現(xiàn)信號傳輸，并及時實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)化。除了調(diào)節(jié)控制面板、優(yōu)化電子元件結(jié)構(gòu)以外，PLC 機電一體化技術(shù)還可以有效控制機床伺服，提升控制面板內(nèi)部各電工元件的控制成效。通過這樣的形式，可以進一步滿足電動機多種需求，最大限度上發(fā)揮出計算機技術(shù)優(yōu)勢，對于提升數(shù)控機床運行效率、生產(chǎn)質(zhì)量與安全性均起到十分關(guān)鍵的作用。除此以外，通過PLC 機電一體化技術(shù)還可以進一步減少不必要的能量消耗，從而將數(shù)控機床運行成本控制在合理范圍內(nèi)。

3 PLC 機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床中應(yīng)用實例

3.1 應(yīng)用背景

在我國經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提升的環(huán)境下，電氣設(shè)備制造行業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展，其中電氣自動化技術(shù)發(fā)揮出十分關(guān)鍵的作用。在“雙創(chuàng)”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，某泵業(yè)企業(yè)也積極投入相關(guān)技術(shù)的研發(fā)中，通過自制油泵總成性能試驗臺來保障產(chǎn)品性能指標，并解決生產(chǎn)過程中的實際問題。其中，PLC 技術(shù)為其中十分關(guān)鍵的組成部分，在PLC 技術(shù)的應(yīng)用下實施反復(fù)調(diào)試，為油泵總成性能試驗臺運行效果的提升打好基礎(chǔ)。

3.2 方案設(shè)計

在實施方案設(shè)計的過程中，企業(yè)需要熟悉相關(guān)油泵產(chǎn)品的工作原理與設(shè)計理念，并針對產(chǎn)品功能完成油泵總成性能試驗臺的設(shè)計，并保證完成檢測油泵軸負載扭矩以及吸油能力的指標。技術(shù)人員在確定試驗臺動作原理后，就需要借助PLC 技術(shù)完成試驗臺框架與動作流程的設(shè)計。在PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用下可以進一步實現(xiàn)對相關(guān)信息的外部收集與內(nèi)部處理，同時通過觸摸屏保證數(shù)據(jù)通信的實時聯(lián)通，以觸摸屏作為PLC 的上位機實現(xiàn)傳感器信號與試驗工藝參數(shù)的顯示與設(shè)定。在完成試驗臺框架制造之后，就需要確保伺服電機、氣缸閥體等部件的安裝，完成PLC 和觸摸屏組態(tài)軟件程序編輯，連接各個電氣部件后反復(fù)調(diào)試，并確保滿足相應(yīng)的生產(chǎn)工藝要求。

3.3 部件分析

PLC 可編程控制器屬于其中核心的電氣部件，其功能就是通過自動控制來實現(xiàn)數(shù)控設(shè)計，相較于以往的繼電器自控方式，PLC 可編程控制器具有使用壽命長、可靠性強以及易于修改編寫等優(yōu)勢。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展水平的提升，PLC 可編程控制器也面臨著進一步的優(yōu)化與革新，進而朝向小型化、高性能化的方向發(fā)展。觸摸屏作為PLC 的上位機還可以稱為可編程終端，可以有效滿足與不同PLC 的連接需求。該企業(yè)所采用的觸摸屏具有穿越功能，既可以滿足計算機與觸摸屏以及觸摸屏與PLC 的同時連接。與此同時，在組態(tài)工具GTWIN 和PLC 編程軟件FPWIN 的支持下，還可以實現(xiàn)對PLC 的通信功能。此外，還需要通過伺服驅(qū)動信號控制、模擬以及輸入輸出功能，位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩控制以及全閉環(huán)控制來滿足相應(yīng)的控制要求，體積比較小，能夠提高功率與轉(zhuǎn)速。而且通過安裝高慣量伺服電機來滿足響應(yīng)速度快、定位時間短、指令分辨率高等要求。

3.4 技術(shù)調(diào)試

PLC 的調(diào)試是整體試驗臺調(diào)試工作的核心所在，在完成硬件配盤之后就需要對PLC 進行調(diào)試，可以說，PLC 的調(diào)試成果將會直接影響到試驗臺運行的情況。PLC 運行過程中具有十分豐富的編程命令，其中包括20 條基本命令以及包括數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)比較等在內(nèi)的380 條特殊命令。在這部分編程命令的影響下，可以進一步滿足企業(yè)自制試驗臺的技術(shù)需求。對于PLC 的調(diào)試工作來說，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)主要包括以下3 個方面：①PLC 連接巴魯夫RFID 卡實現(xiàn)通信傳輸，其具體形式如圖2 所示。巴魯夫RFID 卡作為存儲部件可以完成數(shù)據(jù)讀寫，在與PLC 相連后，需要確保波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等數(shù)據(jù)與PLC 端保持一致，進而滿足正常通信需求。當(dāng)讀卡器完成對巴魯夫RFID 卡的讀取后，相關(guān)數(shù)據(jù)就會進入PLC 的存儲寄存器，并進一步傳輸至觸摸屏顯示具體內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)開始檢測，并將扭矩值、吸油時間、合格信號等內(nèi)容寫入RFID 卡內(nèi)，最終上傳至服務(wù)器中。②扭矩信號的處理。扭矩傳感器的安裝應(yīng)保證與電機處于同一高度水平線，并完成對各部件位置的調(diào)整。完成后，由扭矩傳感器發(fā)出信號，通過放大器轉(zhuǎn)換電流進入PLCWX11 通道，最后經(jīng)過計算進入觸摸屏中。③電機實際轉(zhuǎn)速信號的處理。結(jié)合整體試驗臺調(diào)試工作工藝要求來看，試驗設(shè)備分別需要以50r/min、600r/min、100r/min 的轉(zhuǎn)速運行，先以50r/min 的轉(zhuǎn)速進行扭矩檢測，隨后轉(zhuǎn)換至600r 進行吸油性能檢測，檢測完成之后恢復(fù)至100r/min，為技術(shù)人員操作提供便利。在此過程中，需要將驅(qū)動器設(shè)置為轉(zhuǎn)速模式，并借助PLC 開關(guān)量完成地址控制，不同轉(zhuǎn)速所連接的開關(guān)量接通信號也是不同的。驅(qū)動器完成標準速度信號輸出后會進入A/D模塊，進而通過計算上傳至觸摸屏，確保可以將其轉(zhuǎn)速進行實時顯示。

圖2 PLC 通過讀卡器向巴魯夫RFID 卡發(fā)出指令

4 結(jié)語

綜上所述，PLC 機電一體化技術(shù)在數(shù)控機床工業(yè)生產(chǎn)中體現(xiàn)出十分突出的優(yōu)勢，顯著提升數(shù)控機床設(shè)計的科學(xué)性與合理性。相較于傳統(tǒng)數(shù)控機床控制模式，PLC 機電一體化技術(shù)的應(yīng)用更加簡便，在減少技術(shù)人員工作量的同時提升工作質(zhì)量與效率。因此，相關(guān)企業(yè)有必要不斷強化對PLC 機電一體化技術(shù)的研究，進一步通過該技術(shù)來滿足數(shù)控機床自動化控制需求，有效確保可以將技術(shù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為企業(yè)的經(jīng)濟效益。