基于840D的曲轴内铣数控系统设计及应用毕业论文

毕 业 设 计（论 文） 题 目： 基于 840D 的曲轴内铣数控系统设计及应用 系 别： 业： 级： 生姓名： 号： 导教师： 位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 20 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、 保密 ，在 _年解密后适用本授权书。 2、 不保密。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 20 年 月 日 导师签名： 20 年 月 日 摘要 针对 轴内铣机床双通道六坐标轴特点，提出了利用 40D 双通道 系统控制方案 。各坐标轴均配置带距离编码光栅尺进行精确定位。通过对双通道功能的相关参数设置，达到同时控制两个刀盘的动作。通过学习300 的 程功能完成 程实现坐标轴自动回零操作。经实践证明机床的数控改造取得了成功。 关键词： 改造、 双通道、光栅尺、 on is of 40D a of LC of LC to NC 目录 第一章 概论 . 1 言 . 1 题来源 . 1 题任务 . 1 内现状 . 2 第二章 数控系统控制方案及硬件连接 . 4 床概述 . 4 门子 840D 系统简介 . 4 40D 数控系统硬件结构 . 6 件连接及电气原理图 . 7 气连接图 . 8 板连接图 . 10 置图 . 11 第三章 双通道控制功能的设计及参数设置 . 12 计要求 . 12 . 12 第四章 坐标轴回中心程序 设计 . 15 . 15 . 15 零方式 . 17 4 4 带距离编码光栅尺 . 17 理 . 17 用 . 18 制 . 19 坐标轴中心时序图 . 20 1 回零程序设计 . 20 第五章 序设计 . 24 介绍 . 24 序结构 . 25 织块和程序结构 . 27 环程序处理 . 27 件驱动的程序处理 . 28 户程序中调用的分层结构 . 29 干重要信号 . 31 第七章 结论 . 33 致谢 . 35 参考文献 . 36 毕业设计（论文） 1 第一章 概论 言 数字控制机床（ 称数控机床，它是一种以数控技术（ 称 基础的新技术对传统机械制造业渗透而成的一种机电一体化产品。随着科技的迅猛发展，传统手工机床加工已不能满足人们对产品质量的要求，数控机床加工势在必行 15。我国现有机床大多数是手工操作，但要 淘汰旧机床，全部更新为数控机床，难度较大，因此，对原有机床进行数控化改造就显得尤为重要 题来源 奥地利 司生产的最具代表性的曲轴固定式内铣机床，曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。 东风康明斯发动机有限公司拥有 2 台 轴内铣机床 ,1 台用于主轴颈加工 ,1 台用于连杆颈加工 ,曲轴经内铣加工后即进入磨床磨削工序。此 2 台机床经 10 余年的使用后 ,系统不同程度地出现老化、控制系统故障增多等问题。 本课题将针对 用西门子 840新型曲轴内铣控制系统。 题任务 1控制方案设计及硬件连接 2双通道控制功能的系统组态 3带距离编码光栅尺的应用设计 4 序设计 毕业设计（论文） 2 内 现状 一、 40D 数控系统性能 40D 是西门子公司 20 世纪 90 年代推出的高性能数控系 统。它保持西门子前两代系统 80 和 840C 的三 构：人机通信 C P U（ M M C - C P U）、数字控制 可编程逻辑控制器 三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上， 合为一体， 合成在 N C U（ ，但在逻辑功能上相互独立。 S I N U M E R I 要技术特性如表 1 所示。相对于前几代系统，有以下几个特点： （ 1）数字化驱动在 40D 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。 （ 2）轴控规模大最多可以配 31 个轴，其中可配 10个主轴。 （ 3）可 以实现五轴联动 40D 可以实现 X 、 Y、 Z、 A、 B 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。 （ 4）操作系统视窗化 40D 采用 为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。 （ 5）软件内容丰富功能强大 40D 可以实现加工（ 参数设置（ 服务（ 诊断（ 安装启动（ 几大软件功能。 （ 6）具有远程诊断功能如现场用 配器、 ，通过电话线实现40D 与异域 通信，完成修改 序和监控机床状态等远程诊断功能。 （ 7）保护功能健全 40D 系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等 7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。 （ 8）硬件高度集成化 40D 数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。 （ 9）模块化设计 40D 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发 展的一个热点。数控装备的网络化将 毕业设计（论文） 3 极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点 (数控单机、加工中心和数控复合加工机床 ) 、线 ( F M C 、面 (工段车间独立制造岛、 体 (布式网络集成制造系统 )的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的 基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。 机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与 联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。 毕业设计（论文） 4 第二章 数控系统控制方案及硬件连接 床概述 奥地利 司生产的曲轴内铣专用机床 ,曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。机床加工精度较高 ,尺寸稳定 ,且效率 非常高 。 图 机床结构示意图如图 示。机床有 2 个卡盘。 1 个是固定卡盘 ,另 1 个是移动卡盘。移动卡盘的设置使该机床可以加工不同长度的曲轴。机床有 2 个刀盘 (刀盘 1 和刀盘 2) 。加工时 ,2 个刀盘同步切入 ,同步结束。机床还配有 1 个中心架。中心架的纵向移动靠与门架 1 藕合 ,借助 标轴而移动。机床共有6个坐标轴。 别用于门架 1 和门架 2 的纵向移动 ,实现轴向定位。 别用于刀盘 1 和刀盘 2 的铣削进给 。 门子 840D 系统简介 40D 数控系统性能 40D 是西门子公司 20 世纪 90 年代推出的高性能数控系统。它保持西门子前两代系统 80 和 840C 的三 构：人机通信 C P U（ M M C - C P U）、数字控制 可编程逻辑控制器 三毕业设计（论文） 5 部分在功能上既相互分工，又互为支持。 在物理结构上， 合为一体， 合成在 N C U（ ，但在逻辑功能上相互独立。 相对于前几代系统， 有以下几个特点： （ 1）数字化驱动 在 40D 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。 （ 2）轴控规模大 最多可以配 31 个轴，其中可配 10个主轴。 （ 3）可以实现五轴联动 40D 可以实现 X 、 Y、 Z、 A、 B 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。 （ 4）操作系统视窗化 40D 采用 为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。 （ 5）软件内容丰富功能强大 40D 可以实现加工（ 参数设置（ 服务（ 诊断（ 安装启动（ 几大软件功能。 （ 6）具有远程诊断功能 如现场用 配器、 ，通过电话线实现 40D 与异域 通信，完成修改 序和监控机床状态等远程诊断功能。 （ 7）保护功能健全 40D 系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等 7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。 （ 8）硬件高度集成化 40D 数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。 （ 9）模块化设计 40D 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模的诊断及维修等。 毕业设计（论文） 6 （ 10）内装大容量的 统 40D 数控系统内装 大可以配 2048 输入和 2048 输出，而且采用了 场总线和 大大减少了现场布线。 （ 11） 40D 数控系统是一个基于 数控系统。 40D 数控系统硬件结构 1. 数字控制单元 40D 数控系统的控制中心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、 统的算术运算和逻辑运算都是由 成的。在 40 用硬件一体化结构，合成在 。 2. 人机通信中央处理单元 M C - C P U 的主要作用是完成机床与外界及与 间的通信，内带硬盘，用以存储系统程序、参数等。 3. 操作员面板 作员面板 作用是：显示数据及图形，提供人机显示界面；编辑、修改程序及参数；实现软功能操作。在 S I N U M E R I K 8 4 0 D 中有 及 P H G 等 5 种操作员面板。其中， 常使用的操作员面板。 4. 机床操作 面板 主要作用是完成数控机床的各类硬功能键的操作。主要有以下列 6 个硬功能键操作。 （ 1）操作模式键区 可选择的操作模式有 J O G 、 M D 、 N 和 4 种操作模式。 （ 2）轴选择键区 实现轴选择，完成轴的点动进给、回参考点和增量进给。 （ 3）自定义键区 供用户使用，通过 数据块实现与系统的联系，完成机床生产厂所要求的特毕业设计（论文） 7 殊功能。 （ 4）主轴操作区 主轴倍率开关，实现主轴转速 0 150% 倍率修调。主轴起停按钮实现主轴驱动系统的起停，一般控制主轴驱动系统的脉 冲使能和驱动使能。 （ 5）进给轴操作区 进给轴倍率开关，实现主轴转速 0 200% 倍率修调。进给轴起停按钮实现进给轴驱动系统的起停，一般控制进给轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。 （ 6）急停按钮 实现机床的紧急停车，切断进给轴和主轴的脉冲使能和驱动使能。 5. I/主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。 件连接及电气原理图 硬件配置框图见图 通道 1 控制。 通道 2控制。 6 个坐标轴配置 5 根海德汉 距离编码光栅尺，构成全闭环控制的伺 服轴。其中 用 1 根光栅尺，该尺为双读头分别供 测位置用。 光栅尺读头输出的信号为 1弦波信号，可以与驱动器直接连接，而勿需中间整形放大电路。 电源模块件配置框图 毕业设计（论文） 8 1 和 2 轴传动系均配有 6/29 减速比的蜗轮蜗杆，电机选用50000中 2轴电机带内置抱闸。 2伺服电机采用直联，无减速比，电机为 50000 具体配置如下： 1）操作显示单元： 2） 566256M 3）操 作面板： 4） 400置 14 5）输入模块： 32点输入模块（ 68块。 6）输出模块： 32点输出模块（ 66块。 7） X/503000台。型号为 1 8） 502000台。型号为 1 9）电源模块： 55号为 6 10）功率模 块： 56个，型号为 628个，型号为 6 11）控制模块： 6个，均为双轴模块，型号为 6 12）手持操作单元 6 13）手持单元分配盒： 6 气连接图 连接总图如图 业设计（论文） 9 电箱照明刀 盘 电 机 刀 盘 电 机1 2 C N C 功 率 表空调控制器件主 开 关开 关 电 源连接总图 1 连接总图 2 毕业设计（论文） 10 连接总图 3 板连接 图 O P 0 1 0 C 和 P C U 5 0X 2 0M P I c a b l e t o M C 0 I c a b l e t o O 0 V 2 4 I / D V 0 V P M 线盒X 30 V X 1 2 1X 1 01 2 39 1 0X 37 8 . 1 1S I T O 电 源2 0 C 5 2 0 3 - 0 A F 2 2 - 0 A A 0O P 0 1 0 C : 6 F C 5 2 0 3 - 0 A F 0 1 - 0 A A 0P C U 5 0 : 6 F C 5 2 1 0 - 0 D F 2 1 - 2 A A 06 F C 5 3 5 7 - 0 B B 2 4 - 0 A A 06 E P 1 4 3 6 - 3 B A 06 F X 2 0 0 6 - 1 B C 0 1B - M P I 型 手 持 单 元6 F X 2 0 0 7 - 1 A C 0 4X 5X 4毕业设计（论文） 11 图 板连接图 40 置 图 2 4 0电 0 2 4 V P S 2P M L + 3 6 3 2 1 S M 3 2 3 2 1 S M 3 2 3 2 1 S M 3 2 3 2 1 S M 3 2 3 2 2L +I M 3 6 3 2 2 S M 3 2 3 2 2 S M 3 2 X 1X 2开 关 电 源2 0 T O 3 6 1 : 6 E S 7 3 6 1 - 3 C A 0 1 - 0 A A 0S M 3 2 1 : 6 E S 7 3 2 1 - 1 B L 0 0 - 0 A A 0S M 3 2 2 : 6 E S 7 3 2 2 - 1 B L 0 0 - 0 A A 0图 置图 电源模块（ 为 供电源的 +24V 和 +5V. 接口模块（ ：用于级之间的互连。 信号模块（ 用于机床 入 /输出的模块 毕业设计（论文） 12 第三章 双通道控制功能的设计及参数设置 由于控制方式是单系统双通道控制，两个通道分别控制刀盘 1 和刀盘 2，这就涉及到对应两个刀盘的双通道设置 。 计要求 整台机床（ 坐标轴运动控制和各种动作的顺序控制由壹套西门子 840控制器为双通道配置。通道 1（ 责左门架 标轴的控制。通道 2（ 责右门架 标轴的控制，即 标轴的控制。左、右门架之 2）、 2）均为堵转转矩 50定转速 3000Z 坐标轴（ 堵转转矩 50定转速 2000 通道参数设置 个直线轴，按双通道单方式组进行设定。 ；系统中总的轴数 ；联动轴数 ；系统中的通道数 ；系统中方式组数 =“ 系统中的轴名称 =“ =“ =“ =“ =“ =1；为通道 1指定方式组 毕业设计（论文） 13 =1；为通道 2指定方式组 通道 1机床数据的设定： =1；通道 1中几何轴号 =2； =3； =“ 通道 1中几何轴的名称 =“ =“ =1；系统分配通道 1的轴号 =2； =3； =“ ；通道中轴的名称 =“ ； =“ ； 通道 2机床数据的设定： =1；通道 2中几何轴号 =2； =3； =“ 通道 2中几何轴的名称 =“ =“ =4；系统分配通道 2的轴号 =5； =6； =“ ；通道中轴的名称 =“ ； =“ ； 在每个通道中， 都有独立的加工程序。两个通道的程序可以同时启动，也可以分别启动。在程序页面下，选择分别要装载的程序，分别装载在不同的通道毕业设计（论文） 14 中。例如：通道 1 中装载 道 2 中装载 使用基本循环时 ,每个通道都可以同时或不同时调用相同或不同的基本循环。在每个通道中，有各自的 代码。不同通道内的各部分动作可 以有相同或不同的 同通道内主轴可以相同或不同的转速运转，不同通道内可以执行相同或不同的刀具补偿。 在双通道机床中，由于加工工艺的要求，通道间 如： A 1, 1, 2) ;等待通道 1、 2中的第 1个标志位 A 2, 1, 2) ;等待通道 1、 2中的第 2个标志位 A 1, 1, 2) ;等待通道 1、 2中的第 1个标志位 A 2, 1, 2) ;等待通道 1、 2中的第 2个标志位 过以上设置就将 轴内铣机床的 6 根 轴： 2,1,3 设置在两个通道里，分别是 :1,内， 2,内。而且两个通道的方式组都为 1，这就保证了两个通道的同步（即两个通道同时处于手动状态或同时处于自动状态）。 与 采用两套 统构建和开发了曲轴连杆颈内铣控制系统在此也就突显出 40D 数控系统双通道的优越性 ，很直接的解决了两个刀盘的同步问题。 毕业设计（论文） 15 第 四 章 坐标轴回中心程序设计 数控装置通电后通常要进行回零操作，这是因为 机床断电后就失去了对各坐标位置的记忆 。因此，机床开机通电后，必须让各坐标轴回到机床一固定点上，以建立机床坐标系。这一固定点就是机床坐标系的原点或零点，也称参考点。机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点， 参考点操作是数控机床操作中最重要的功能环节之一，数控机床的各种刀具补偿、间隙补偿、轴向补偿以及其他精度补偿措施能否正确发挥作用将完全取决于数控机床能否回到正确的零点位置 。 体设计思想 本机床结构比较复杂，拥有 2个刀盘， 6个坐标轴，且分别属于不同的系统。刀盘容易与卡盘、工件等发生碰撞，我们在设计坐标轴回零程序顺序时即要考虑操作方便性同时还得考虑安全性。 回零过程中有许多干涉条件，如卡盘、中心架的状态等，若为手动回零太复杂，不易操作，因此设计 自动 方式。 时只允许一套系统回零。 一下“回零”按钮， 样。 零顺序 必须具备一定的条件 ，首先 零起始位置均必须在其基本位置 ；其次回零过程中应没有安装曲轴安装在机床上，此时 中心架 处于 张开并 藕合 状态 、卡盘无轴闭合 ；此外还必须处于 移动卡盘锁紧、机床移动允许、非换刀过程等 状态下才能进行回零操作 。其回零顺序 流程图 如下： 毕业设计（论文） 16 图 零流程图 开始 向移动至不与固定卡盘发生干涉区域 中心架解耦并锁紧 零点 零点 中心架解耦 判断 零条件是否满足 结束 零点 判断 零条件是否满足 向移动至不与固定卡盘发生干涉区域 零点 零点 零点 否 是 否 是 毕业设计（论文） 17 零方式 回零的方式因数控系统类型和机床生产厂家而异。目前，数控机床的回零方式根据采用的检测装置和检测方法可分为两种：一种是使用磁感应开关的磁开关法，另一种 是使用脉冲编码器或光栅尺的栅格法。 磁开关法回零是在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关，当磁感应原点开关检测到原点信号后，伺服电机立即停止，该方法由于存在定位漂移现象，较少使用。 现在广泛使用的是栅格法，根据检测元件的计量方式的不同又可分为绝对栅格法回零和增量栅格法零。采用绝对栅格法回零的数控机床，在有后备存储器电池支持下，只需在机床第一次开机调试时进行回零操作调整，以后每次开机均记录有零点位置信息因而不必再进行回零操作，而增量栅格法回零则每次开机均必须进行回零操作。在栅格法中，检测器随着电机一转信号同时产 生一个栅点或一个零位脉冲，在机械本体上安装一个减速撞块及一个减速开关后，数控系统检测到的第一个栅点或零位信号即为原点。栅格法回零的特点是如果接近原点速度小于某一固定值，则伺服电机总是停止于同一点，也就是说，在进行回原点操作后，机床原点的保持性好。 本机床采用 的是 增量栅格法回零。 光栅尺选用 、 840参考点，双读数头。 40光栅尺，单读数头。光栅尺带气动接口，增加三套 造的 光栅面朝下，读数头朝上。更换五个光栅尺防护罩，密封口向下。当光栅尺污染后，应有报警提示。下面对带距离编码光栅尺进行简单介绍 。 距离编码光栅尺 理 带距离编码参考点标志的线性测量系统的原理是采用包括一个标准的线性栅格标志和与此平行的另一个带距离编码参考点标志通道，每组两个参考点标志的间距是相同的，但两组之间两个相邻参考点标志的距离是变化的，每一段的距离加上一个固定的值，因此数控轴可以根据距离来确定其所处的绝对位置，如图 业设计（论文） 18 图 距离编码光栅尺测量系统结构原理图 例如从 动到 C 点，中间经过 B 点，系统检测到 知道轴现在是在哪一个参考点位置。同样从 点，中间经过 统从 点的距离是 知道轴现在是在哪一个参考点位置。所以只要轴任意移动超过两个参考点距离（ 20就能得到机床的绝对位置。 用 40D/控系统已经为此功能准备了一些设定参数，下面对这些参数的设定作简单的介绍。 （ 1） 34200： =3（ 光栅尺使用类型：选择了带距离编码参考点标志的直线光栅尺。 （ 2） 34300=20直线光栅尺标准参考点标志栅格间距（ 20 （ 3） 34060 =40 返回参考点最大移动距离 =2倍直线光栅尺标准参考点标志栅格间距。 （ 4） 34000 (不使用进给轴返回参考点凸轮，即不用返回参考点减速开关信号（ （ 5） 34090 =X X X （ 毕业设计（论文） 19 返回参考点偏移值，即 数控轴的基准点偏移值。 （ 6） 34310 ： =光栅尺信号节距（ 20 m）。 制 首先选择手动返回参考点方式（ 。 (1)找到参考点标志 选择进给轴点动按钮，如 +