基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)研究

山東工業(yè)職業(yè)學院 李海峰

引言

數(shù)控機床是材料加工的常用設備，具有加工精度高、生產(chǎn)率高和穩(wěn)定性強等特點，在企業(yè)經(jīng)營發(fā)展中占據(jù)著至關重要的地位。而電氣控制系統(tǒng)作為數(shù)控機床的應用核心，與數(shù)控機床的加工效率和生產(chǎn)質量有著密不可分的關系。傳統(tǒng)的數(shù)控機床控制器結構較為復雜，且總體線路繁多，極容易在使用過程中出現(xiàn)各種故障問題，為材料加工埋下了巨大的安全隱患。一旦控制器出現(xiàn)故障，不僅會顯著降低數(shù)控機床的加工精度和制造效率，影響企業(yè)產(chǎn)品的順利交付，還會令企業(yè)面臨高額的維修費用，對企業(yè)的快速發(fā)展造成極為不利的影響。隨著近些年PLC的不斷更新，其更加適應了現(xiàn)代企業(yè)的需要，已逐漸替代了傳統(tǒng)數(shù)控機床控制器的地位。相比于傳統(tǒng)控制器，PLC在數(shù)控機床中的應用，既能夠彌補傳統(tǒng)控制器的各種缺陷，還可以進一步提升控制精度與操作靈活度，使材料加工制造水平邁上了一個全新的臺階，為我國企業(yè)的快速發(fā)展起到了良好的促進作用。

1 PLC概述

PLC的全稱是可編程邏輯控制器，它是一種可編程的存儲器，主要由CPU、電源、輸入單元、輸出單元和存儲器五個部分構成。使用者能夠通過編程、導入數(shù)據(jù)和執(zhí)行等環(huán)節(jié)，按照自身的需求讓PLC實施邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作指令，從而完成各種材料的加工任務。其中，CPU是可編程邏輯控制器的核心，主要內容是負責邏輯計算，相當于人體的大腦。而存儲器負責儲存可編程邏輯控制器的各項數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)庫的特征[1]。輸入單元具有信號接收功能，能夠將采集到的各項數(shù)據(jù)完整傳輸至CPU，以便開展實時的管理控制工作。輸出單元與輸入單元的功能恰恰相反，它通常是將來自CPU的指令傳遞到各個系統(tǒng)中，使數(shù)控機床按照PLC預先設計的程序予以執(zhí)行，從而滿足材料加工的各項需求。由于PLC的基礎構成語言較為簡單，且該控制器本身編程靈活，所以PLC在企業(yè)生產(chǎn)中具有極強的適用性。將PLC應用于數(shù)控機床中，可以根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的具體需求，結合PLC的編程規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)控機床的個性化運行，使材料加工的精度和速度均出現(xiàn)質的提升，從而有效推動企業(yè)的快速發(fā)展[2]。而且，PLC的抗干擾能力較強，能夠在使用者運行程序后，穩(wěn)定有序地完成各項材料的加工任務，令數(shù)控機床使用過程中的風險系數(shù)大幅度降低，避免故障問題和人員傷亡的情況出現(xiàn)，促進了現(xiàn)代企業(yè)的快速有序發(fā)展。

2 數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的結構

2.1 基礎結構

數(shù)控機床通常由基本結構和特殊結構兩部分構成。基礎結構包括機床主體、電氣控制單元和電氣控制系統(tǒng)執(zhí)行部分，主要起到加工原材料的作用。機床本體是數(shù)控機床加工運動的實際機械部件，對材料加工的整體質量有著密不可分的聯(lián)系。而電氣控制單位能夠控制機床本體的運行操作，可以根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求，適當調節(jié)機床本體的運動方向、運動方式和加工工藝等內容，從而完成一系列的精密加工任務[3]。電氣控制單元主要由電源、電機和PLC三部分構成。電源是電氣控制系統(tǒng)正常運行的基礎，能夠充分滿足控制管理機床時的電力需求，確保材料加工任務的順利進行。而電機主要起到了轉換電流的作用，通過電機可以將直流電轉換成交流電，使機床的運行效率得到顯著增強，進而令材料加工速度大幅度提升。而PLC作為電氣控制系統(tǒng)的核心，對機床的運行起著總體的協(xié)調作用，通過向執(zhí)行部分下達各項指令，使數(shù)控機床按照使用者的意愿順利運行，完成原材料的加工制造工作[4]。執(zhí)行部分則是按照電氣控制系統(tǒng)的各項指令，對刀具角度、推進距離和運行速度等加工參數(shù)予以調節(jié)，使材料加工的整體質量得到精準控制。

2.2 特殊結構

在使用數(shù)控機床加工材料的過程中，常常會因工作人員疏忽、操作不規(guī)范或數(shù)值設置錯誤等原因，造成現(xiàn)場突發(fā)事故的發(fā)生，其不僅會對材料加工質量，造成一定程度的影響，還極容易對工作人員造成損傷，令工作人員的生命安全受到嚴重威脅。而數(shù)控機床中的特殊結構，恰恰是為了預防和控制突發(fā)事故專門設置的按鈕開關。特殊結構包括緊急按鈕和超程限位兩個部分，若在材料加工過程中出現(xiàn)突發(fā)情況，操作人員可以及時按下緊急按鈕，使數(shù)控機床內部的接觸點自動斷開，從而達到切斷電源的效果[5]。而且，按下緊急按鈕的同時，輸入單元會將報警信號傳輸至PLC的CPU。待CPU接收到報警信號后，會按照預定程序的設計內容，經(jīng)輸出單元向各個系統(tǒng)發(fā)出停止運行的操作指令，使突發(fā)情況得到有效控制。在系統(tǒng)停止工作后，也會使相應的程序完成復位操作，確保后續(xù)操作的順利進行[6]。超程限位開關和緊急按鈕的作用相類似，也是在工作人員按下開關以后，使數(shù)控機床的正常運行即刻停止，將突發(fā)事件造成的影響降至最低。緊急按鈕和超程限位的應用，在提升數(shù)控機床操作安全性方面發(fā)揮了良好的作用。

3 基于PLC的數(shù)控機床電氣系統(tǒng)設計

3.1 電氣控制系統(tǒng)設計

基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)設計，主要包括上位機功能設計、PLC程序設計和伺服機構設計三項內容。上位機功能設計的內容，主要是利用編寫軟件程序的方式，對數(shù)控機床的實時運行狀態(tài)和PLC數(shù)據(jù)傳輸情況予以監(jiān)控，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_有效，令數(shù)控機床的各項運行操作順利有序進行。在編寫軟件程序的過程中，工作人員應根據(jù)材料加工的各項需求，將鋼板尺寸、厚度和孔位大小等數(shù)據(jù)輸入到加工程序中[7]，并將所有數(shù)據(jù)上傳至PLC的數(shù)據(jù)區(qū)，通過串口將上位機與PLC相連接，完成兩者之間的信息交流。令內部監(jiān)控軟件有據(jù)可依，確保數(shù)控機床的每一步操作均準確無誤。若數(shù)控機床在材料加工過程中出現(xiàn)異常，上位機即刻會接收到實時數(shù)據(jù)，并在監(jiān)控畫面中顯示報警信息，以引起操作人員的及時關注，使其采取有效的措施予以處理，避免各類安全事故的發(fā)生，確保材料加工的順利進行。

PLC在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中的設計與應用，不僅要與上位機時刻保持信息溝通，確保數(shù)據(jù)傳輸能力的穩(wěn)定可靠，還要將接收的各項信息轉化成相應的控制指令，通過輸出單元將孔位脈沖信息傳遞給伺服驅動器，進而完成材料加工的定位工作。待電氣控制系統(tǒng)程序運行后，讓潤滑系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)和照明系統(tǒng)依次開啟，為后續(xù)的材料加工做良好的鋪墊。將原材料對齊零點后，結合上機位傳遞的坐標數(shù)據(jù)，PLC將其轉化成輸出指令，使數(shù)控機床完成鉆孔、定位和鉆削等操作。同時將這整個過程的數(shù)據(jù)信息，實時反饋至上位機中，令監(jiān)控工作順利開展。無論何種原因觸發(fā)報警開關后，數(shù)控機床的加工操作均會停止，從而避免不必要的人員傷亡和經(jīng)濟損失，確保材料加工的整體安全性。

在設計伺服機構的過程中，工作人員應對其性能方面著重關注，為材料加工奠定良好基礎。若伺服機構性能較高，可以實現(xiàn)各項指令的快速響應，那兒材料加工質量可得到進一步的增強。而且，高性能的伺服系統(tǒng)也可以對電機的實時轉速起到良好的檢測效果，以確保數(shù)控機床的運行穩(wěn)定。而伺服機構的參數(shù)設置，主要包括增量式、位移距離和相鄰兩孔之間的誤差范圍。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的實際加工需求，選擇合適的伺服系統(tǒng)，能夠使材料的加工精度得到顯著提升。

3.2 PLC控制系統(tǒng)功能要求

PLC控制系統(tǒng)應同時滿足手動加工和自動加工的雙重功能，使數(shù)控機床的實時加工位置得以明確，保障各項材料加工的順利有序進行。手動加工功能是指通過上位機軟件的調試頁，實時觀察機床上X、Y、Z軸的各項數(shù)值，從而準確掌握數(shù)控機床的加工位置，確保材料加工質量的穩(wěn)定可靠。而自動加工功能，是通過輸入程序、超程校驗、調整零點坐標和按下啟動伺服指令等環(huán)節(jié)，令數(shù)控機床按照預定的軌跡完成材料加工操作，并將相應的加工信息實時反映在顯示屏上，以便后續(xù)的觀察與調整。

4 基于PLC的數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)精度驗證

為了確保材料加工質量的穩(wěn)定可靠，當電氣控制系統(tǒng)設計完畢后，工作人員應利用少量材料對數(shù)控機床的加工精度進行驗證。及時發(fā)現(xiàn)并處理相關問題隱患，為企業(yè)產(chǎn)品的大批量加工奠定堅實的基礎。首先，工作人員先將PLC的輸出脈沖調至最低，結合慣性和摩擦力等外界因素，對X、Y、Z軸的任意方向行走速度進行全面完整的搜集與評估。然后根據(jù)規(guī)范的操作流程，執(zhí)行預定的材料加工程序，完成相應的材料加工制造，并利用海克斯康三坐標，對加工后的每個材料的各項參數(shù)進行測量。將所有參數(shù)匯總之后，結合平方和均值公式，計算出X、Y、Z軸的均值誤差，從而掌握數(shù)控機床的實際加工質量。若X、Y、Z三軸的加工誤差均小于材料加工時的標準水平，即代表數(shù)控機床的加工精度較高，可以開展大批量的加工操作，為企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造提供良好幫助。

5 結語

通過對PLC和數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)的深入了解，可以發(fā)現(xiàn)PLC在數(shù)控機床的生產(chǎn)操作中占據(jù)著至關重要的地位。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，對上位機功能、PLC程序和伺服機構科學設計，不僅能夠顯著提升材料加工的速度和精度，還可以對數(shù)據(jù)機床的各項數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，避免各類安全事故的發(fā)生，確保材料加工的順利進行，進而為我國企業(yè)的長遠有序發(fā)展，發(fā)揮了積極的促進作用。