PLC机电一体化技术在数控机床中的应用_段美燕.pdf

现代制造技术与装备1802023 年第 3 期总第 316 期PLC 机电一体化技术在数控机床中的应用段美燕（内蒙古乌兰察布市中等职业技术学校（技师学院），乌兰察布 012000）摘要：随着社会的发展，科技水平愈来愈高，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）机电一体化技术被广泛应用于工业生产。数控机床（Computerized Numerical Control，CNC）作为我国工业生产的主要设备之一，在我国工业发展中占据重要地位。PLC 机电一体化技术的应用，实现了对数控机床的自动化控制，提高了工作效率，可保证加工质量。因此，重点分析了 PLC 机电一体化技术在数控机床中的运用，以期为相关人员提供参考。关键词：可编程逻辑控制器（PLC）；机电一体化；数控机床（CNC）Application of PLC Electromechanical Integration Technology in CNC Machine ToolsDUAN Meiyan(Ulanqab Secondary Vocational and Technical School(Technician College),Ulanqab 012000)Abstract:With the development of society and the increasing level of science and technology,Programmable Logic Controller(PLC)electromechanical integration technology is widely used in industrial production.Computerized Numerical Control(CNC)machine tool is one of the main equipment in China s industrial production,and plays an important role in China s industrial development.The application of PLC electromechanical integration technology can not only realize the automatic control of CNC machine tools,but also improve the working efficiency and ensure the processing quality.This paper analyzes the application of PLC electromechanical integration technology in CNC machine tools,hoping to provide some reference for relevant personnel.Keywords:Programmable Logic Controller(PLC);mechatronics;Computerized Numerical Control(CNC)可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）应用领域较为广泛。在数控机床（Computerized Numerical Control，CNC）中应用 PLC 能有效提高工作效率，避免出现人为失误，且在操作时具有较强的安全性和稳定性。在 PLC 技术发展过程中，通过不断合理优化和设计可提高其功能和效率。采用 PLC 技术是应对目前国内市场数控机床的高要求比较理想的解决方案。1PLC 机电一体化技术概述PLC 是一种依托于计算机技术的控制设备1，体积小，功能强大，对操作人员的技术要求较低，可提高机电一体化的进程。PLC 的结构基本一致，由中央处理器（Central Processing Unit，CPU）电源、储存器和输入输出接口电路等组成。中央处理器单元一般由控制器、运算器和寄存器组成。PLC 系统基本结构的具体情况如图 1 所示。编程器中央处理单元输出电器电源系统程序存储器系统程序存储器输入电路图 1PLC 系统基本结构2PLC 机电一体化技术在数控机床中的应用2.1机械设计的应用为实现工业制造过程的自动化和机械化，需要对机器进行有效的设计和控制。在机械设计中有计算机辅助设计、数控加工技术、数字化加工和机电一体化等多种不同的方法。计算机辅助设计通过结合传统的计算机辅助技术与机械部件控制生产过程，可以通过计算机生成模型取代传统的实体模型。这个模型中，每个零部件都可以被分解成一个零件。数控技术是通过计算机系统加工设备的技术，可控制零部件的形状、尺寸等，不仅是一种现代生产技术，还是由一系列电子和机械部件组成的复杂系统，具有精确性、速度和可靠性等特性。数字化设计是利用先进科学技术优化产品结构实现产品结构优化的过程。该技术可将产品设计从传统的经验设计阶段转移到科学发展阶段，从传统制造向信息制造转变。现代机械产品很大程度上都可通过数字化设计来完成。数字加工和数控生产工艺是实现生产自动化与机械化不可缺少的组成部分。数字化加工可以使零部件表面光洁度好、形状精度高、尺寸稳定等，有效提高机械结构强度。数字化加工将零件制造和装配过程转变为计算机数字控制阶段，实现零件在各阶段的无缝基金项目：中国管理科学研究院教育科学研究所立项课题“中职机械专业教学方法的改革与实践探讨”（JKSC106039）。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0169181自动化与控制连接、无间隙过渡及快速换刀等功能。数控机床可直接控制零部件及机器系统在运动过程中产生的各种运动变化，完成从输入到输出的过程。数字设备还可实时监控并管理机器设备，可根据需要将信息传递给人、物及空间。在机械产品方面，它主要包括传统机械产品、工业机器人以及各类自动化设备、自动化生产线及自动生产线产品、其他设备产品 4 个类型2。数控机床属于机械制造业的基础装备之一，包括数控装置、数控系统和数控机床 3 大部分。在现代制造技术中，采用计算机进行数字化设计制造被广泛应用于机械制造业。数字化设计制造通过创新变革传统的设计模式，提高现代机械产品设计能力、行业生产效率及其设计质量。在自动化领域中应用的智能系统是由大量计算机组成的信息处理系统，具有高效、快速及准确等特点。智能制造是以计算机为核心实现工业制造过程自动化的过程。在传统机械设计模式下，通过设计各个部件而生成一系列结构组成图和程序代码，实现机械产品生产过程中所需的零件加工和装配动作等控制工作。在智能制造时代下，可利用 PLC技术操作控制工业生产设备。目前，PLC 技术广泛应用于我国现代机械制造业，在数控机床领域中发挥着重要作用，提高了我国现代工业制造业的自动化水平与效率，降低了产品成本、生产成本及能源消耗，提升了我国现代制造业的产品质量水平与质量标准制定能力。2.2自动控制技术的应用在现代社会中，为提高工业生产的自动化水平，促进国民经济的快速发展，PLC 技术成为工业生产领域中不可缺少的核心控制技术之一。PLC 机电一体化技术应用过程主要包括两个方面。一是控制数控机床。现在市面上有很多种类的数控设备，包括卧式、立式和龙门式加工中心等。加工中心在加工工件时需要自动定位，因此数控机床使用电主轴驱动控制系统中的齿轮带动工作台运动到指定位置。现在使用比较广泛的伺服电机，可用来驱动并定位主轴，同时通过控制工作台移动速度和旋转角度控制加工中心内各个工件位置之间的距离。利用 PLC 进行数控加工中心自动控制，可以更好地实现生产工作中各种复杂程序之间的转换和运动控制。二是处理生产过程中存在的问题。在我国工业生产水平不断提高的过程中，一些突发事件的出现导致了许多质量问题，需要借助自动化控制技术处理生产过程中存在的问题。例如为解决机床设备工作环境中存在的辐射温度危害，在机床结构设计和设备选型中合理运用 PLC 机电一体化技术。2.3执行与驱动技术的应用PLC 作为计算机辅助控制的主要装置之一，能直接控制数控机床。数控系统中采用继电器和接触器传递信号，能直接从 PLC 中获得指令，控制数控机床设备。PLC 执行机构采用双中央处理器（Central Processing Unit，CPU）方式控制输入/输出信号，并根据输入/输出信息完成执行机构的动作。PLC 内部设置了多个 CPU，每个 CPU 都有自己特定的功能。程序存储器单元是最重要的一个 CPU。程序存储器单元通常包括多个功能块，如输入开关、定时器、存储器、中断处理电路以及执行机构中所有指令和控制信息的存储单元。在机床执行机构上将继电器或接触器与 PLC 连接，控制数控机床设备。在机床主轴上将接触式执行机构与 PLC 连接，控制数控机床主轴本身。在其他执行机构上还有一些附加功能块和指令单元，如步进电机驱动和旋转驱动器。采用继电器和接触器传递信号是为了避免继电器受电磁干扰导致信号发生误读而引起故障，但是不适用于长时间频繁地通过继电器改变工作状态。将接触器直接连接 PLC 是为了减少触点间的相互影响作用，故障发生时能及时更换触点，且不需要改变主控制回路。继电器和接触器直接连接使用软启动装置具有更高的可靠性和安全性。2.4控制面板的应用PLC 控制面板一般由控制系统和报警系统组成。控制系统中包括 PLC 控制模块和电气控制模块，其中电气控制模块包括信号处理电路、电源电路和电气连接，信号处理电路包括报警继电器电路、信号传输模块、电压/电流测量模块、时间测量与频率测量接口、通信接口和信号切换开关。电源电路包括交流电源和直流电源。PLC程序中包括主程序、子程序、报警系统、逻辑判断以及定时/计数。PLC 在数控机床中的应用，提高了数控机床的智能化程度。在加工数控机床时，为提高生产效率，缩短生产时间，需对数控装置进行编程实现自动编程，提高生产效率。一般采用基于个人计算机或嵌入式 PLC（可扩展）的控制系统编写操作和运行程序。当 PLC 出现故障时，采用现场总线切换数控机床内部的功能模块，保证数控系统正常运行。对数控机床进行编程时，一般需要用到多个 PLC程序语言。根据使用不同的要求可以选择不同种类的程序语言，避免编程人员使用多种语言而产生歧义或冲突。在 PLC 系统中编写程序应先建立好文件格式，现代制造技术与装备1822023 年第 3 期总第 316 期然后用这些文件格式进行编码工作，以保证程序稳定可靠运行。为方便编程人员查阅和调用程序，在每个控制系统中设置一组专用文件夹来存放程序代码3。2.5组合机床控制的应用组合机床控制是一种应用于机械制造行业的控制方式。这种控制方式可以应用到各种数控机床上，如车床、铣床等。组合机床有普通的组合机床、卧式组合机床及立式组合机床等多种类型4。组合机床控制的切削工具，一般由西门子 PLC、变频器以及伺服系统构成。数控系统和电气控制由西门子 PLC 构成。电气控制分为西门子输入/输出模块和西门子CPU400 模块。电气控制模块包括 PLC 接口和电机（变频器）。西门子可编程控制器也称为标准 PLC，简称 PLC，是目前我国较流行的数控系统。标准 PLC有两种使用方式：一种是作为系统总线使用，也称为总线控制器；另一种是作为中央处理机使用，通常为专用设备或小型加工车间使用。它可以用来编程和监控自动化生产线上的设备在机器加工过程中的运行。西门子公司所生产的 S7 系列是较为先进的 PLC 设备。西门子公司 S7 系列 3 种 PLC 的具体情况如表 1 所示。表 1西门子公司 S7 系列三种 PLC 的具体情况型号CPU 配置数字量输入/输出模拟量输入/输出程序与数据 内存/kBS7-200CPU216/48/6CPU2228/68/48/6CPU22414/1028/7（12）8/6S7-300CPU312FM128/30/26+6CPU3