PLC机电一体化技术在数控机床中的应用研究

2022-07-23陈俊

现代制造技术与装备 2022年6期

陈俊

（昆明冶金高等专科学校电气与机械学院，昆明 650033）

随着社会经济的不断发展，科学技术得到了显著提升，工业生产已经从“机械电气化”发展到“机电一体化”。超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）的出现，尤其是微型计算机技术的发展，为机电技术的交叉渗透提供了便利。因此，以系统论、信息论、自动控制理论为基础，机电技术与电子技术实现了深度融合发展。数控机床作为机电产品中的代表，在制造行业占有举足轻重的位置。鉴于此，文章探讨了机电一体化在数控机床中的应用，可为工业建设发展提供保障。

1 PLC机电一体化与数控机床概述

1.1 机电一体化的基本概念

机电一体化基于功能目标与优化的组织目标为前提。目前，机电一体化的发展已成为一门具有自身特点的新学科。随着现代化科学技术的不断革新，工业作为支撑中国经济建设发展的主要产业类型，为实现工业经济可持续发展，应严格遵守节能减排等相关政策法规。机电一体化涉猎范围较广，具有多功能、高质量、高可靠性以及低功耗等特点，在当今时代充分发挥了功能价值。智能化是机电一体化的特点，也是机电一体化与机械电气化的主要差异。换句话说，机电一体化产品的发明是科学技术进步的具体表现，促进了工业的高效发展。如今，机械工程技术已从简单的机械电气化技术逐渐向综合型方向发展。机电一体化技术不是机械技术与微电子等新技术的简单结合，而是基于相关技术集成的综合技术，可为工业可持续发展提供有利支撑[1]。

1.2 数控机床相关概述

随着科学技术和经济的快速发展，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）机电一体化技术得到了迅速发展，同时取得了重大突破[2-3]。目前，集成电路的产生促使电子技术与机械技术实现了深度融合，进而产生了机电一体化技术。在PLC机电一体化技术体系中，数控机床是其典型的代表，对于促进制造业快速发展具有决定性作用。因此，在数控机床中，技术人员需要加强机电一体化技术的应用，以发挥其作用优势，这对于我国工业发展和现代化建设具有重要作用。PLC属于一种数字运算电子系统，在工业自动化设计的过程中能够发挥重要作用。它的核心部分是程序处理器，即通过存储记忆进行顺序控制、逻辑运算以及定时指令等。为了数控系统安全稳定和可靠运行，技术人员需要加强PLC机电一体化的广泛应用，通过输入设备和输出设备提升数控机床智能水平，从而使工业生产走向新台阶[4]。

1.3 西门子公司3种PLC技术的对比分析

在20世纪80年代，PLC技术在许多发达工业国家获得了广泛应用，并在社会各行业领域发挥了重要作用。它专为工业环境设计，具有先进电子设备的数字操作功能[5]。工业工厂采用电气自动控制技术，可有效提高工作处理效率，最大限度地减少工业资源浪费，从而有效节约能源。西门子公司S7系列PLC的3个具体要求见表1[6-7]。

表1 西门子公司S7系列3种PLC的具体情况

2 PLC机电一体化技术在数控机床中的具体应用

2.1 机械设计

技术人员应重视机械设计。随着制造技术的不断发展，工业行业对数控机床设备提出了新要求。科学且合理设置主轴运转速度、刀具转换及传动装置，可显著提升机床控制水平。在数控机床加工过程中，通过自动检测和控制可将原来的开放式改为半封闭式或全封闭式。该装置能够反映机床在具体工作中的运行状态，还能够从根本上减少金属切削过程中的损坏和浪费情况，以减少工业生产损耗[8]。

在传统的输送机运行过程中，主动传送和进给两种模式需要协同操作。但是，在机电一体化框架下，PLC可以独立运行，即先设置模式，再将其从控制装置分离的过程中转移出来，之后伺服电机装置分开连接，以提高控制能力和多轴联动。传统自动排屑在机床运行过程中凭借内置机械部件保证相关工作正常开展，相关刀具大大磨损，缩短了使用寿命。机电一体化依靠内置部件自动收集产生的碎屑，按照程序进行标准化处理，促使相关工作正常开展，以降低损失[9-11]。

2.2 自动控制系统

自动控制系统是机电一体化系统的重要组成部分，主要为单片机、输入输出、通信系统以及执行器等提供技术支持。数控机床种类形式多样，但其工作原理与方法并无本质区别。采用机电一体化技术可有效增强系统控制水平。此外，修改参数时，相关人员应根据修改后的系统指令，通过通信系统将指令传输给单片机，随即匹配存储器中的指令。确定参数后，相关人员将指定的参数发送给发动机，最终更改参数[12]。

2.3 执行和驱动技术

伺服驱动器的主要对象是驱动元件和执行元件，能够将数控设备与执行元件连接。执行元素可以在完成所有输入指令后快速响应，还可以通过相关接口与执行元素建立连接。在应用机电一体化技术的情况下，它的工作原理、控制环节与传动装置并无明显区别。相关技术人员所发布的指令是机床使用重点，有效简化了操作过程，也减少了事故发生的可能性，从根本上提高了工作效率[13]。

2.4 控制面板

数控机床中，控制面板种类相对多样化，是保证机床正常运行的关键。过去由于内部结构复杂和控制困难，通常无法及时发送输入信号和接收区域信号。技术人员凭借机电一体化优势可确保相关信号传输到特定系统，以完成工作切换。此外，它可以优化电子元件结构，并测试机床中的数据。

3 基于PLC机电一体化的数控机床技术应用发展前景

3.1 智能化

未来PLC机电一体化的技术将继续向网络通信、模块化、智能化以及智能化产品布局发展，可推动万维网（World Wide Web，WWW）、海量数据、人工智能技术及产品实体深度融合，为设计者与用户提供强大的技术支持。为满足不同数控系统对数控机床的要求，PLC厂商不断创新和发展，发明了如智能输入/输出模块、智能温控模块、专门处理外部问题的智能模块等[14]。这些智能模块的使用扩大了PLC的应用范围，增强了PLC的使用功能，可保证在任何情况下更加稳定、智能及高效地使用PLC。随着数控机床系统的不断更新，PLC的体积、容量及运行速度不断优化，逐步提高了人们对PLC的要求。因此，小体积、大容量、快速度的PLC在市场运行中必将占据一席之地。

3.2 高精度化与高效率化

近年来，数控机床正朝着高速、高精度、高效率方向发展，在我国航空工业、国防工业及汽车工业取得了一定成就，且对数控机床要求越来越高。数控机床精度不仅要满足动态精度标准的要求，而且更加注重振动控制和主轴热补偿的精度，同时拓展了机床加工功能。一台机器可以有多种用途，因此不再受特定因素的限制。未来，数控机床在制造业中将发挥重要作用，有利于促进数控机床的发展、普及和应用。

3.3 高柔韧性

现阶段，PLC机电一体化技术在数控加工中的柔性化改造已成为研究的热点和方向。这种柔性化改造利用PLC和机电一体化技术使数控加工中加工零件更加灵活，并可以将相关人员集中在具体的生产过程中，提高相关工作人员对机床生产工作的兴趣。此外，这种灵活性可以降低相关人员的操作难度，便于人员操作程序和进行系统控制，使PLC和机电一体化数控加工技术成为高质量和高速加工的产物[15]。