山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 李海峰

引言

數(shù)控機(jī)床是材料加工的常用設(shè)備，具有加工精度高、生產(chǎn)率高和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，在企業(yè)經(jīng)營(yíng)發(fā)展中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。而電氣控制系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用核心，與數(shù)控機(jī)床的加工效率和生產(chǎn)質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系。傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床控制器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且總體線路繁多，極容易在使用過(guò)程中出現(xiàn)各種故障問(wèn)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(huì)顯著降低數(shù)控機(jī)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(huì)令企業(yè)面臨高額的維修費(fèi)用，對(duì)企業(yè)的快速發(fā)展造成極為不利的影響。隨著近些年P(guān)LC的不斷更新，其更加適應(yīng)了現(xiàn)代企業(yè)的需要，已逐漸替代了傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床控制器的地位。相比于傳統(tǒng)控制器，PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用，既能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制器的各種缺陷，還可以進(jìn)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(gè)全新的臺(tái)階，為我國(guó)企業(yè)的快速發(fā)展起到了良好的促進(jìn)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(chǔ)器，主要由CPU、電源、輸入單元、輸出單元和存儲(chǔ)器五個(gè)部分構(gòu)成。使用者能夠通過(guò)編程、導(dǎo)入數(shù)據(jù)和執(zhí)行等環(huán)節(jié)，按照自身的需求讓PLC實(shí)施邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，從而完成各種材料的加工任務(wù)。其中，CPU是可編程邏輯控制器的核心，主要內(nèi)容是負(fù)責(zé)邏輯計(jì)算，相當(dāng)于人體的大腦。而存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)儲(chǔ)存可編程邏輯控制器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)庫(kù)的特征[1]。輸入單元具有信號(hào)接收功能，能夠?qū)⒉杉降母黜?xiàng)數(shù)據(jù)完整傳輸至CPU，以便開展實(shí)時(shí)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(lái)自CPU的指令傳遞到各個(gè)系統(tǒng)中，使數(shù)控機(jī)床按照PLC預(yù)先設(shè)計(jì)的程序予以執(zhí)行，從而滿足材料加工的各項(xiàng)需求。由于PLC的基礎(chǔ)構(gòu)成語(yǔ)言較為簡(jiǎn)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(qiáng)的適用性。將PLC應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床中，可以根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的具體需求，結(jié)合PLC的編程規(guī)則，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的個(gè)性化運(yùn)行，使材料加工的精度和速度均出現(xiàn)質(zhì)的提升，從而有效推動(dòng)企業(yè)的快速發(fā)展[2]。而且，PLC的抗干擾能力較強(qiáng)，能夠在使用者運(yùn)行程序后，穩(wěn)定有序地完成各項(xiàng)材料的加工任務(wù)，令數(shù)控機(jī)床使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大幅度降低，避免故障問(wèn)題和人員傷亡的情況出現(xiàn)，促進(jìn)了現(xiàn)代企業(yè)的快速有序發(fā)展。

2 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

數(shù)控機(jī)床通常由基本結(jié)構(gòu)和特殊結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括機(jī)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(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)的實(shí)際機(jī)械部件，對(duì)材料加工的整體質(zhì)量有著密不可分的聯(lián)系。而電氣控制單位能夠控制機(jī)床本體的運(yùn)行操作，可以根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求，適當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)床本體的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)方式和加工工藝等內(nèi)容，從而完成一系列的精密加工任務(wù)[3]。電氣控制單元主要由電源、電機(jī)和PLC三部分構(gòu)成。電源是電氣控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠充分滿足控制管理機(jī)床時(shí)的電力需求，確保材料加工任務(wù)的順利進(jìn)行。而電機(jī)主要起到了轉(zhuǎn)換電流的作用，通過(guò)電機(jī)可以將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，使機(jī)床的運(yùn)行效率得到顯著增強(qiáng)，進(jìn)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(duì)機(jī)床的運(yùn)行起著總體的協(xié)調(diào)作用，通過(guò)向執(zhí)行部分下達(dá)各項(xiàng)指令，使數(shù)控機(jī)床按照使用者的意愿順利運(yùn)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(xiàng)指令，對(duì)刀具角度、推進(jìn)距離和運(yùn)行速度等加工參數(shù)予以調(diào)節(jié)，使材料加工的整體質(zhì)量得到精準(zhǔn)控制。

2.2 特殊結(jié)構(gòu)

在使用數(shù)控機(jī)床加工材料的過(guò)程中，常常會(huì)因工作人員疏忽、操作不規(guī)范或數(shù)值設(shè)置錯(cuò)誤等原因，造成現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)事故的發(fā)生，其不僅會(huì)對(duì)材料加工質(zhì)量，造成一定程度的影響，還極容易對(duì)工作人員造成損傷，令工作人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。而數(shù)控機(jī)床中的特殊結(jié)構(gòu)，恰恰是為了預(yù)防和控制突發(fā)事故專門設(shè)置的按鈕開關(guān)。特殊結(jié)構(gòu)包括緊急按鈕和超程限位兩個(gè)部分，若在材料加工過(guò)程中出現(xiàn)突發(fā)情況，操作人員可以及時(shí)按下緊急按鈕，使數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的接觸點(diǎn)自動(dòng)斷開，從而達(dá)到切斷電源的效果[5]。而且，按下緊急按鈕的同時(shí)，輸入單元會(huì)將報(bào)警信號(hào)傳輸至PLC的CPU。待CPU接收到報(bào)警信號(hào)后，會(huì)按照預(yù)定程序的設(shè)計(jì)內(nèi)容，經(jīng)輸出單元向各個(gè)系統(tǒng)發(fā)出停止運(yùn)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(huì)使相應(yīng)的程序完成復(fù)位操作，確保后續(xù)操作的順利進(jìn)行[6]。超程限位開關(guān)和緊急按鈕的作用相類似，也是在工作人員按下開關(guān)以后，使數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)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(yīng)用，在提升數(shù)控機(jī)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(jī)床電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括上位機(jī)功能設(shè)計(jì)、PLC程序設(shè)計(jì)和伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)三項(xiàng)內(nèi)容。上位機(jī)功能設(shè)計(jì)的內(nèi)容，主要是利用編寫軟件程序的方式，對(duì)數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)運(yùn)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?zhǔn)確有效，令數(shù)控機(jī)床的各項(xiàng)運(yùn)行操作順利有序進(jìn)行。在編寫軟件程序的過(guò)程中，工作人員應(yīng)根據(jù)材料加工的各項(xiàng)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(guò)串口將上位機(jī)與PLC相連接，完成兩者之間的信息交流。令內(nèi)部監(jiān)控軟件有據(jù)可依，確保數(shù)控機(jī)床的每一步操作均準(zhǔn)確無(wú)誤。若數(shù)控機(jī)床在材料加工過(guò)程中出現(xiàn)異常，上位機(jī)即刻會(huì)接收到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在監(jiān)控畫面中顯示報(bào)警信息，以引起操作人員的及時(shí)關(guān)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(jìn)行。

PLC在數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅要與上位機(jī)時(shí)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(xiàng)信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的控制指令，通過(guò)輸出單元將孔位脈沖信息傳遞給伺服驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而完成材料加工的定位工作。待電氣控制系統(tǒng)程序運(yùn)行后，讓潤(rùn)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(duì)齊零點(diǎn)后，結(jié)合上機(jī)位傳遞的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，PLC將其轉(zhuǎn)化成輸出指令，使數(shù)控機(jī)床完成鉆孔、定位和鉆削等操作。同時(shí)將這整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)反饋至上位機(jī)中，令監(jiān)控工作順利開展。無(wú)論何種原因觸發(fā)報(bào)警開關(guān)后，數(shù)控機(jī)床的加工操作均會(huì)停止，從而避免不必要的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，確保材料加工的整體安全性。

在設(shè)計(jì)伺服機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，工作人員應(yīng)對(duì)其性能方面著重關(guān)注，為材料加工奠定良好基礎(chǔ)。若伺服機(jī)構(gòu)性能較高，可以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指令的快速響應(yīng)，那兒材料加工質(zhì)量可得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。而且，高性能的伺服系統(tǒng)也可以對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速起到良好的檢測(cè)效果，以確保數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行穩(wěn)定。而伺服機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)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(shí)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(yīng)同時(shí)滿足手動(dòng)加工和自動(dòng)加工的雙重功能，使數(shù)控機(jī)床的實(shí)時(shí)加工位置得以明確，保障各項(xiàng)材料加工的順利有序進(jìn)行。手動(dòng)加工功能是指通過(guò)上位機(jī)軟件的調(diào)試頁(yè)，實(shí)時(shí)觀察機(jī)床上X、Y、Z軸的各項(xiàng)數(shù)值，從而準(zhǔn)確掌握數(shù)控機(jī)床的加工位置，確保材料加工質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。而自動(dòng)加工功能，是通過(guò)輸入程序、超程校驗(yàn)、調(diào)整零點(diǎn)坐標(biāo)和按下啟動(dòng)伺服指令等環(huán)節(jié)，令數(shù)控機(jī)床按照預(yù)定的軌跡完成材料加工操作，并將相應(yīng)的加工信息實(shí)時(shí)反映在顯示屏上，以便后續(xù)的觀察與調(diào)整。

4 基于PLC的數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)精度驗(yàn)證

為了確保材料加工質(zhì)量的穩(wěn)定可靠，當(dāng)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，工作人員應(yīng)利用少量材料對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度進(jìn)行驗(yàn)證。及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理相關(guān)問(wèn)題隱患，為企業(yè)產(chǎn)品的大批量加工奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。首先，工作人員先將PLC的輸出脈沖調(diào)至最低，結(jié)合慣性和摩擦力等外界因素，對(duì)X、Y、Z軸的任意方向行走速度進(jìn)行全面完整的搜集與評(píng)估。然后根據(jù)規(guī)范的操作流程，執(zhí)行預(yù)定的材料加工程序，完成相應(yīng)的材料加工制造，并利用?？怂箍等鴺?biāo)，對(duì)加工后的每個(gè)材料的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。將所有參數(shù)匯總之后，結(jié)合平方和均值公式，計(jì)算出X、Y、Z軸的均值誤差，從而掌握數(shù)控機(jī)床的實(shí)際加工質(zhì)量。若X、Y、Z三軸的加工誤差均小于材料加工時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)水平，即代表數(shù)控機(jī)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)PLC和數(shù)控機(jī)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(jī)床的生產(chǎn)操作中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，對(duì)上位機(jī)功能、PLC程序和伺服機(jī)構(gòu)科學(xué)設(shè)計(jì)，不僅能夠顯著提升材料加工的速度和精度，還可以對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)床的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行，進(jìn)而為我國(guó)企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)有序發(fā)展，發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用。