關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；PLC；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273；TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

數(shù)控設(shè)備作為集機(jī)械與電子技術(shù)于一體的先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)物，其技術(shù)領(lǐng)先性、結(jié)構(gòu)多樣性以及資本密集性的特征顯著。隨著企業(yè)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，數(shù)控設(shè)備在生產(chǎn)中的應(yīng)用類別和數(shù)量持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，這對(duì)提升生產(chǎn)效率和靈活性具有關(guān)鍵作用?？删幊踢壿嬁刂破鳎╬rogrammable logic controller，PLC）既保持了傳統(tǒng)繼電器操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特性，又結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)的靈活性和多功能性[1]。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境下，PLC 展現(xiàn)出強(qiáng)大的安全防護(hù)能力。該設(shè)備支持多種先進(jìn)的加密算法，確保了數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的高度安全性。同時(shí)，PLC 還集成了防火墻和入侵檢測(cè)系統(tǒng)等，使其能夠有效抵御各類網(wǎng)絡(luò)攻擊和惡意軟件的威脅，保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的安全性。采用PLC技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，旨在提升數(shù)控機(jī)床的性能，優(yōu)化其在復(fù)雜工況下的運(yùn)行表現(xiàn)，以確保在保障安全生產(chǎn)的同時(shí)，提高設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。這將為企業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 數(shù)控機(jī)床及其控制系統(tǒng)架構(gòu)

PLC 數(shù)字編程系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能、高度可靠的程序運(yùn)行穩(wěn)定性和較高的工作效能，因此受到廣泛認(rèn)可。其編程的數(shù)控平臺(tái)也展示出較好的適應(yīng)性和靈活性。PLC 數(shù)字控制系統(tǒng)架構(gòu)由用戶環(huán)境、硬件組件及軟件模塊共同構(gòu)建[2]。在硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)上，該系統(tǒng)整合了外部與內(nèi)部交互的接口。其中，外部接口負(fù)責(zé)與外部機(jī)械電氣設(shè)備進(jìn)行通信，而內(nèi)部接口則包含處理模塊、控制模塊以及用戶輸入/ 2d2c9a03fab81892276ae0f7627f3cd042a7b396e953f37d98046fe28c432c20輸出模塊，這些組件均嚴(yán)格遵循控制程序的精確指令運(yùn)行。PLC 數(shù)字控制系統(tǒng)通過(guò)解析并執(zhí)行獲取的數(shù)字指令來(lái)操縱數(shù)字機(jī)床，該系統(tǒng)由4 個(gè)相互協(xié)作的組件構(gòu)成，包括程序媒介、數(shù)控設(shè)備、機(jī)床主體和電機(jī)系統(tǒng)。

圖1展示了PLC 數(shù)字控制系統(tǒng)的核心組件、輔助模塊以及擴(kuò)展接口，并深入揭示了它們之間的緊密聯(lián)系。在核心組件的基礎(chǔ)上，輔助模塊和擴(kuò)展接口賦予了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變應(yīng)用場(chǎng)景的強(qiáng)大能力。通過(guò)借助擴(kuò)展接口，PLC 數(shù)字控制系統(tǒng)能夠無(wú)縫對(duì)接各類傳感器與執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控與精確調(diào)控。

此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，PLC 數(shù)字控制系統(tǒng)正逐步向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向邁進(jìn)。該系統(tǒng)通過(guò)融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷及數(shù)據(jù)分析等核心功能，大幅提升了系統(tǒng)的智能化水平和運(yùn)行效率。在具體應(yīng)用領(lǐng)域中，PLC 數(shù)字控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、樓宇自控、交通控制等關(guān)鍵領(lǐng)域。

2 基于 PLC技術(shù)的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)設(shè)備、輸入/ 輸出裝置以及這些組件間的互連網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其中，嵌入式微處理器在監(jiān)管嵌入式數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行流程中起到核心作用。外部設(shè)備則通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、計(jì)算機(jī)接口設(shè)備以及生成控制數(shù)據(jù)的打印設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與操作環(huán)境的交互功能。用戶可根據(jù)具體需求對(duì)硬件配置進(jìn)行定制，以滿足特定應(yīng)用需求。因此，系統(tǒng)中的嵌入式計(jì)算機(jī)必須確保與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)完全兼容，并且其他硬件配置應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)保持一致，以保證其能夠執(zhí)行與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)相同的工作任務(wù)。

硬件設(shè)計(jì)核心集中在輸入接口的電路設(shè)計(jì)。此接口電路采用了集成型組件，該組件集成了光電隔離和信號(hào)濾波功能，能有效管理和接收來(lái)自數(shù)字量和模擬量輸入的信號(hào)[3]。微處理器的輸入接口由寄存設(shè)備、選通線路以及包含中斷請(qǐng)求邏輯的線路共同構(gòu)建，通過(guò)將這些功能模塊整合于單一芯片，從而建立一個(gè)完整的集成化電路架構(gòu)。

輸出接口部分采用基于繼電器的輸出方案，利用其固有的線圈與觸點(diǎn)隔離特性，使其能夠適應(yīng)并連接各種不同特性與電壓等級(jí)的外部電路。因此，本設(shè)計(jì)中的PLC 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繼電器輸出電路內(nèi)部與外部驅(qū)動(dòng)電路的完全隔離，從而在保證兩者相互獨(dú)立的同時(shí)，維持系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

3 基于PLC技術(shù)的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)控機(jī)床控制數(shù)據(jù)通信接收

在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的操作流程中，首先是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與管控，這一步驟主要通過(guò)接口模塊從外部輸入端口捕獲控制指令。由于實(shí)際操作中數(shù)據(jù)可能混雜一些非有效信息，所以需要利用PLC 進(jìn)行系統(tǒng)性的排查處理，依據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，確保只有有效信息能夠被安全地存儲(chǔ)在內(nèi)存中，以備后續(xù)的處理步驟使用。在程序運(yùn)行進(jìn)程中，借助機(jī)床內(nèi)置的控制數(shù)據(jù)穩(wěn)定機(jī)制，以確保在輸入控制數(shù)據(jù)出現(xiàn)變動(dòng)的情景下，存儲(chǔ)的控制數(shù)據(jù)能夠維持其固有的穩(wěn)定性，有效防止任何潛在的異常狀況發(fā)生。控制數(shù)據(jù)的更新操作將嚴(yán)格遵循預(yù)定的周期性規(guī)則，在下一個(gè)既定的數(shù)據(jù)接收周期中進(jìn)行安全操作，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 基于PLC 的控制數(shù)據(jù)映射

在數(shù)控機(jī)床的控制流程中，通信接收階段結(jié)束后，系統(tǒng)將立即通過(guò)專用的計(jì)算接口進(jìn)行精確、高效的控制數(shù)據(jù)交流，以獲取由兩個(gè)8 位的十六進(jìn)制數(shù)值組成的參數(shù)[5]。這些數(shù)值經(jīng)過(guò)映射轉(zhuǎn)換，能夠精準(zhǔn)解析各個(gè)控制點(diǎn)的數(shù)值，隨后這些值會(huì)被安全地儲(chǔ)存在特定的變量中，實(shí)現(xiàn)局部的數(shù)據(jù)映射?；赑LC 的控制數(shù)據(jù)映射階段是系統(tǒng)的核心操作，該系統(tǒng)充分運(yùn)用其功能，將用戶的輸入?yún)?shù)精確無(wú)誤地轉(zhuǎn)化為控制指令，以確保對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精準(zhǔn)操作。在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，將用戶編寫的語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可運(yùn)行的數(shù)據(jù)，再利用計(jì)算機(jī)接口板的端口狀態(tài)對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。這些數(shù)據(jù)隨后被導(dǎo)入映射區(qū)域，通過(guò)映射程序解析數(shù)據(jù)的原始含義及相應(yīng)背景信息，以得到精確的控制決策，確保操作的規(guī)范性和準(zhǔn)確性。

3.3 數(shù)控機(jī)床控制程序執(zhí)行

實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床控制程序執(zhí)行的首要任務(wù)是根據(jù)用戶的輸入信息，采用運(yùn)行控制程序來(lái)達(dá)成預(yù)期的輸出效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先，需要確保控制數(shù)據(jù)變量與系統(tǒng)接口的精確對(duì)應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備元件狀態(tài)的實(shí)時(shí)同步。控制程序?qū)⒈徊鸾鉃槎鄠€(gè)獨(dú)立的操作模塊，逐一進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理。每個(gè)模塊均與機(jī)床的特定元件相匹配，各自承載獨(dú)立的控制邏輯和功能。其次，本文還對(duì)邏輯進(jìn)行后序周游，使系統(tǒng)在后序周游的過(guò)程中對(duì)各個(gè)控制指令進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果輸出至對(duì)應(yīng)的映射區(qū)域。最后，依據(jù)映射區(qū)域的運(yùn)算結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床精確、高效的控制。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)初始的數(shù)控機(jī)床工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)施了PLC 的改良與優(yōu)化策略，同時(shí)運(yùn)用線性控制器中的比例積分（proportional integral，PI）控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。首先，在進(jìn)行模糊控制前，根據(jù)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，搭建PI 控制器模型，再根據(jù)躍階響應(yīng)的曲線調(diào)制PI 參數(shù)。其次，在模糊控制階段，選擇信號(hào)絕對(duì)值與微分環(huán)節(jié)輸出信號(hào)的絕對(duì)值作為輸入?yún)?shù)，結(jié)合積分環(huán)節(jié)的傳輸函數(shù)，將其輸入系統(tǒng)運(yùn)行模型中，以深入研究動(dòng)態(tài)波形特性。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：在應(yīng)用PLC優(yōu)化后，相較于未優(yōu)化的控制系統(tǒng)，改良系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間顯著減少，PI 控制器的效率有所提升，并且系統(tǒng)超調(diào)量更小。此外，經(jīng)過(guò)PLC 優(yōu)化的機(jī)床控制體系表現(xiàn)出更快的響應(yīng)速度和更短的過(guò)渡時(shí)間，使數(shù)控系統(tǒng)可以更迅速地進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，其穩(wěn)定性和精度均得到了顯著增強(qiáng)，具有較好的可靠性。此外，優(yōu)化前的數(shù)控系統(tǒng)在1.1s 后才趨向穩(wěn)定，且伴有微小的波動(dòng)，這種狀況可能導(dǎo)致刀具的磨損加劇和加工零件的不良品率增加。然而，使用了PLC優(yōu)化的模糊PI 控制系統(tǒng)后，數(shù)控系統(tǒng)在0.6 s 內(nèi)即能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，且后期的曲線保持了高度平滑，波動(dòng)幅度極小，這極大地提升了機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性。這充分證明了改進(jìn)后的系統(tǒng)在精確度和穩(wěn)定性方面都具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，隨著各行業(yè)對(duì)數(shù)控技術(shù)的依賴度持續(xù)增強(qiáng)，提升該技術(shù)的尖端性已成為當(dāng)前的關(guān)鍵需求。在機(jī)電行業(yè)中，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)居于核心地位，其與PLC的集成運(yùn)用顯著提升了企業(yè)的生產(chǎn)效能，同時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床的性能改進(jìn)具有積極影響。本文對(duì)結(jié)合PLC的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究和分析，旨在優(yōu)化機(jī)床系統(tǒng)的架構(gòu)，從而推動(dòng)機(jī)電行業(yè)的進(jìn)步。