PLC机电一体化技术在数控机床中的应用

赵 佳 ， 乔新丽

（许昌职业技术学院，河南 许昌 461000）

1 PLC机电一体化技术概述

PLC即可编程控制器，而PLC机电一体化技术则是在存储器的帮助下，完成相关数据的计算与处理，并具备顺序控制、定时以及编程等功能的一种控制技术。与传统控制方式相比，PLC技术实现了数字控制，并可自动化控制机械设备按照既定的程序工作，极大地提升了机械设备的自动化应用水平。在工业企业中，PLC技术在生产设备中得到了广泛应用。PLC技术由许多模块组成，例如，输入模块、输出模块、电源模块、CPU以及存储器等。在工业生产领域，PLC技术的应用十分普遍，将PLC技术与生产需求相结合，充分发挥PLC技术的应用优势。从编程难易程度上看，PLC技术在编程方面十分简单，可适应多种需求，对操控人员的综合素质要求不高。从经济性看，PLC技术的开发成本比较低，可以根据生产需求调整既定程序，程序修改十分方便、灵活，不需要拆换设备，有助于降低PLC技术的应用成本。在网络技术的帮助下，PLC技术可以实现信息化控制与统一管理，确保各项生产活动可以得到精准控制[1]。PLC机电一体化技术具备传统控制系统的优势，在梯形图绘制的过程中，能够根据继电器运行情况，有效控制继电器，确保工业生产系统正常运行。另外，将继电器设备与PLC端口进行连接，而接触器与另一端PLC端口连接，可以有效避免系统运行出现问题，减少人为误差，提高系统运行效率[2]。

2 PLC与数控机床间的信息交换、处理

PLC和NC一起组成了数控机床的控制部分，PLC和NC之间的信息交换使得PLC功能的发挥更加顺利高效，PLC与外部的信息交换通过机床侧的I/O单元接口输入到PLC中，每个信号的含义及所分配的地址都是通过PLC进行编辑和控制，通过编程调试人员自定义进行分配。CNC到PLC侧，CNC侧直接将信息传送至PLC的寄存器，如一些常用的数控指令M、S、T等功能，通过CNC译码后传送至PLC的相应寄存器中进行处理。处理完成后执行相应的动作。PLC到CNC侧也是通过寄存器完成，CNC的地址由系统直接分配，只可用，不可修改。

PLC在数控机床的工作流程一般分为：1）输入扫描。PLC在开始执行前，按顺序将所有的信号读入到映像寄存器中，程序运行时则直接读取寄存器中的信息，本扫描周期内采样结果不会改变，直到下一个周期若原有的信号状态改变了，读取结果才会改变。2）程序执行。程序从起始地址开始逐步扫描，并分别存入映像寄存器，所获得的数据经过运算处理，再次将执行的结果保存到寄存器中。3）输出刷新。执行完所有的程序后，PLC将映像寄存器的内容传送至锁存器中进行输出，驱动用户设备[3-5]。

3 PLC机电一体化技术在数控机床中应用分析

3.1 PLC机电一体化技术在数控机床中的控制功能

PLC机电一体化技术通过与控制系统、伺服驱动、操作面板等进行信号交互来完成对机床整体动作的控制。1）PLC和机床的控制。系统对伺服控制一般包括一个主轴和三个进给轴。它的作用是通过PLC和数控系统处理产生的脉冲信号进而转换成轴移动的位移量，伺服驱动装置把运动指令变成节运动，通过联轴器、丝杆等驱动机床工作台运动，通过插补使工作台精准地按照指令要求进行运动，从而加工出合格的工件。2）外围输入输出的控制。可编程控制器能够控制输入输出信号的通断，通过对PLC外部辅助运动装置、液压启动装置、润滑装置、冷却装置等的控制，这其中包括了电机的启动停止、很多检测元件（如行程开关、接近开关等），以及继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象，完成整体信号的逻辑编辑控制，使数控机床整体稳定有效地运行。同时PLC机电一体化对后期的数控机床自动化改造也发挥着重要的作用，可以通过输入输出信息交互与机器人、机械手、AGV、物流仓储等进行通信，协同作业，一起完成打造智能化加工工厂，并且可将数据传送至上位机进行实时的控制监控。这也是后期制造业的智能无人化生产制造的发展趋势，从而实现无人、稳定、高效的生产智能化加工[6]。

3.2 自控

在数控机床电气控制系统中加入PLC技术，可以实现数控机床的自动化控制，降低操作人员的工作强度，减少人为因素对数控机床的影响，提升数控机床的加工精度。在应用PLC技术时，操作人员可根据实际需求完成程序的编写工作，使数控机床可以按照程序要求完成相关操作，如果有故障问题出现，PLC技术可以分析故障原因，并给出故障解决策略，缩短数控机床因故障停止运行的时间。工作人员借助PLC系统将相应的指令及时传输到系统当中，并优化参数，运用计算机数据处理功能，准确计算变更参数，从而自动化控制数控机床系统[7]。例如：在确保数控机床安全运行过程中，需要通过有效结合PLC机电一体化技术，发挥出技术优势，以此来对数控机床系统进行自动化控制，避免电动机设备在运行中存在误差，根据数据的变化，运用报警装置，促使工作技术人员可以在第一时间内找出故障准确位置，及时解决故障，以此来确保数控机床运行的安全性。与此同时在应用这一技术时，需要在准备环节设置自动报警装置，当数控机床内有不正常运行信号时将会报警，以此全面获取故障信息，为后期维修故障工作提供数据支持，保证PLC控制技术能够更好地发挥效果。

3.3 信息反馈

在数控机床电气控制系统中应用PLC技术，可以即时检测数控机床是否存在运行问题，并将检测到的问题反馈给操作人员，有助于使故障问题得到及时处理。在PLC技术的帮助下，其可自动化地检测数控机床的工作状态，判断故障位置与原因，并形成故障解决方案，缩短故障维修时间。

3.4 照明

在数控机床启动时，照明系统便会自动启动；当关闭数控机床时，照明系统也会处于关闭状态。在数控机床的照明系统中应用PLC技术，则照明系统的工作便会更加灵活，更加容易控制。例如，以黄灯表示开机，红灯则是停止运行，绿灯表示机床工作正常，操控人员可根据灯的颜色判断数控机床处于何种状态。

3.5 组合机床控制

数控机床电气控制系统十分复杂，存在许多控制要求，在应用PLC技术时对数控机床的稳定性与安全性有严格要求。PLC技术可以增强数控机床的自动化工作能力，缓解操控人员的工作强度，使数控机床的操控更加便捷。对于组合数控机床而言，PLC技术可以满足各种生产需求，提升组合数控机床的自动化加工能力。与普通数控机床相比，组合数控机床中的电路更加复杂，所以可通过应用PLC技术解决组合数控机床操作、维修难度大的问题，降低组合机床的控制难度[8]。

3.6 集中控制

一台PLC控制系统便可实现多任务的集中控制，利用PLC技术，可将不同设备连接为一个整体，通过使用集中式控制系统实现各个设备的控制需求。从运行成本上看，集中式控制系统投入成本低，并且应用优势十分显著，可以随时调整控制对象，操控也十分方便、简单。

3.7 单独控制

PLC技术在数控机床中的应用，可以根据不同生产流程要求，编制相应的程序来控制数控机床，有助于提升数控机床的工作效率。PLC技术可单独控制数控机床，将控制程序植入PLC当中，根据所设定程序的要求，使数控机床完成有关生产任务，提升数控机床的使用稳定性。

3.8 逻辑控制开关量

开关量控制是PLC技术在数控机床中最重要的功能之一。传统控制大多由继电器完成，随着PLC技术的不断发展，其可完全取代继电器的作用，从而实现了开关量的自动控制。开关量控制的适用范围广，可以分为顺序控制与逻辑控制，有助于提升数控机床的自动化水平[9]。

3.9 运动控制

在加工复杂结构零部件时，通过运用PLC技术中的运动控制功能，可以提升零部件的加工质量。在运动控制时，PLC控制系统可高精度调整控制机构，满足生产加工要求。控制系统由微型处理器驱动，将设计好的程序输入至处理器中，数控机床的运动便可由微型处理器负责。

3.10 数据处理

随着PLC技术应用范围的不断扩大，PLC技术也日趋完善，为提升PLC技术的性能，科研人员开始升级控制系统的内置处理器，确保PLC技术可以满足更多的任务要求。目前，将数据处理程序嵌入到PLC技术中，数控机床操控人员可将相应的指令输入到PLC中，使数控机床完成相关生产任务。在数控机床工作过程中，PLC技术可采集与统计数控机床的有关运行参数，根据数据信息的统计、分析结果优化、升级输入程序。

4 基于PLC机电一体化的数控机床技术应用发展前景

4.1 智能化

PLC机电一体化技术在未来的发展中将会不断通信网络化、模块化、产品规划精巧化以及智能化。显而易见，这可以有效地促进互联网、大数据、人工智能技术与产品实体的有机结合，为设计者和用户提供强大的技术支持。同时为了满足数控机床以及工业自动化各种操作体系的需求，PLC制造商也不断进行革新开发，如智能I/O模块，温度控制模块以及专用处理外部故障的智能模块等，这些智能模块的使用加大了PLC的使用范围，同时增强了使用功能，这必然会使PLC在各个场合的使用更加稳定、智能、高效。在未来的发展中，PLC的体积、容量和运行速度必然也会优化，随着机床数控系统的不断迭代更新，对PLC的要求也会逐步提高，小体积、大容量、高速度的PLC必然会受到市场的欢迎。

4.2 高精度化与高效率化

目前，数控机床的发展也逐步走向高速高精化、高效率化。随着航空航天、国防军工、汽车制造的不断发展，对数控机床的要求也不断提高。对于数控机床的精度已经不止满足于动态精度，现阶段对机床的加工震动、主轴热补偿等的精度控制也越来越重视。同时机床的加工功能也会逐步多样化，一机多用，并不再局限于五轴或者六轴。区别于使用CNC和车床，更可能的是一件复杂的加工工件仅仅只用一台机床便可完成全部的加工流程。未来的数控机床在工业制造中扮演着重要角色，数控机床的发展与技术水平可代表整个国家工业制造的水平。我国的制造业也应当加强数控机床应用的升级强化，向着高精度方向前进。

4.3 高柔韧性化

就目前而言，PLC机电一体化技术在数控加工的柔性化改造工作已然成为重点研究的方向，而柔性化的改变也的的确确能够使得使用PLC机电一体化技术进行数控加工的零件加工得更加柔化，且能将相关工作人员的注意力集中在具体的生产流程中去，例如增加对于机床生产的关注。此外，柔性化能够降低相关工作人员的工作操作难度，使其能够更轻易地控制机床的运行程序及其系统，使得PLC机电一体化技术数控加工的产品兼具高质量与高生产速度。

4.4 节能化

PLC机电一体化技术的进步会使未来的自动化过程更加节省能耗。未来的PLC机电一体化技术能够对生产过程实现大幅度的优化，缩减不必要的流程，简化必要的流程。这对于节省成本的重要程度是不言而喻的，同时也能加快生产流程，做到更快速的量产。这对于提高企业的竞争优势，多元化发展都是益处多多[10]。

5 小结

综上所述，数控机床在工业生产系统中要想实现安全稳定运行，就需要有效运用PLC机电一体化技术，全面发挥出数控机床实际功能，提升数控机床的运行效率，转变工作技术人员操作理念。对相关生产制造技术进一步加强学习与研究，确保整体的生产制造流程达到规范化，发挥出PLC机电一体化的实际应用价值，促使我国工业领域实现可持续发展。