数控铣床控制系统的设计与研究.doc

本科毕业设计说明书（论文）第I页共I页目录1引言11.1数控机床的概述11.2数控技术的发展与现状31.3FANUC公司介绍51.4BEIJING-FANUCO系统介绍61.5本课题的主要任务与解决方法92数控铣床控制系统的总体方案设计102.1数控铣床的结构102.2数控铣床控制系统的总体设计103控制系统驱动单元设计123.1电机功率计算123.2电机类型的选择143.3伺服单元的选择153.4伺服单元的接线图154控制系统电路设计164.1主电路设计164.2控制电路设计184.3其他电路的设计205控制面板设计225.1外部功能区235.2CNC控制功能区235.3机床状态指示区256PMC程序设计266.1控制要求266.2变量名的标注266.3PMC输入原理图277其他标件选型设计287.1接触器的选型287.2断路器的选型287.3其他标件的选择30结束语31致谢32本科毕业设计说明书（论文）第II页共II页参考文献33本科毕业设计说明书（论文）第1页共33页1引言1.1数控机床的概述1.1.1数控机床的产生随着社会生产与科学技术的迅猛发展，机械生产日趋精密且结构愈加复杂。这不仅增加了对机床加工精度要求，对机床加工的灵活性要求也变的更高。仿型机床基本解决了小批量、复杂零件的自动化加工问题。但是靠模的制造、安装和调整要花费许多劳力，而且为小批量生产甚至单件制造靠模也很不经济。另外，仿型机床生产出的零件误差受靠模制造误差的影响，不能满足一些高精度零件的加工要求。随着微电子技术、自动信息处理技术、数据处理以及电子计算机技术的发展，给自动化技术带来了新的理念，推动了机械制造自动化的发展1。于是，第一台数控机床是为航空工业制造复杂零件的需要而产生。1.1.2数控机床的组成数控机床由四个方面组成：(1)控制介质(2)数控装置(3)伺服系统(4)机床本体1.1.3数控机床的特点数控机床有以下特点：(1)提高加工精度，产品质量稳定(2)提高生产效率(3)提高了加工零件的适应性、灵活性(4)减轻工人劳动强度(5)提高生产管理水平1.1.4数控机床的发展方向目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求。当今数控机床正在朝着以下几个方向发展：(1)高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加本科毕业设计说明书（论文）第2页共33页工效率和产品质量。目前，数控系统采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度。同时，采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力，即提高插补运算的速度和精度。并采用直线电动机直接驱动机床工作台的直线伺服进给方式，其高速度和动态响应特性相当优越。采用前馈控制技术，使追踪滞后误差大大减小，从而改善拐角切削的加工精度。为适应超高速加工的要求，数控机床采用主轴电动机与机床主轴合二为一的结构形式，实现了变频电动机与机床主轴一体化，主轴电机的轴承采用磁浮TIMKEN轴承、液体动静压进口轴承或陶瓷滚动NSK轴承等形式。目前，陶瓷刀具和金刚石涂层刀具已开始得到应用。(2)多功能化。配有自动换刀机构(刀库容量可达100把以上)的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多CPU结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。为了适应柔性制造系统和计算机集成系统的要求，数控系统具有远距离串行接口，甚至可以联网，实现数控机床之间的数据通信，也可以直接对多台数控机床进行控制。(3)智能化。现代数控机床将引进自适应控制技术，根据切削条件的变化，自动调节工作参数，使加工过程中能保持最佳工作状态，从而得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，同时也能提高刀具的使用寿命和设备的生产效率。具有自诊断、自修复功能，在整个工作状态中，系统随时对CNC系统本身以及与其相连的各种设备进行自诊断、检查。一旦出现故障时，立即采用停机等措施，并进行故障报警，提示发生故障的部位、原因等。还可以自动使故障模块脱机，而接通备用模块，以确保无人化工作环境的要求。为实现更高的故障诊断要求，其发展趋势是采用人工智能专家诊断系统。(4)数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CADCAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，再经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成NC零件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CADCAPPCAM集成的全自动编程方式，它与CADCAM系统编程的最大区别是其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。(5)可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。数控系统将本科毕业设计说明书（论文）第3页共33页采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，以减少元器件的数量，来提高可靠性。通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用硬件结构机床本体的模块化、标准化和通用化及系列化，使得既提高硬件生产批量，又便于组织生产和质量把关。还通过自动运行启动诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。利用报警提示，及时排除故障；利用容错技术，对重要部件采用“冗余”设计，以实现故障自恢复；利用各种测试、监控技术，当生产超程、刀损、干扰、断电等各种意外时，自动进行相应的保护。(6)控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。目前主要采用超大规模集成元件、多层印刷电路板，采用三维安装方法，使电子元器件得以高密度安装，较大规模缩小系统的占有空间。而利用新型的彩色液晶薄型显示器替代传统的阴极射线管，将使数控操作系统进一步小型化。这样可以方便地将它安装在机床设备上，更便于对数控机床的操作使用。1.2数控技术的发展与现状自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，从1952年至今已发展了六代。1952年研制成功了第一台数控机床，其数控系统全部采用电子管元件，称之为第一代数控系统。1959年在数控系统中广泛采用晶体管分离元件和印刷电路板，这使数控系统步入第二代。1965年出现了小规模集成电路，使得数控系统可靠性更高，数控系统发展到了第三代。以上三代都采用专用控制计算机的硬接线数控系统，称之为硬件系统，统称为普通数控（NC）系统。随着计算机技术的发展，小型计算机的出现，比起专用控计算机，在经济上是合算的，在功能与可靠性上也提高了很多，于是，1970年在美国芝加哥机床展览会上首次出现了采用小型计算机替代专用控制计算机的数控机床，即计算机数控（CNC）系统。标志了第4代系统的出现。后来到1974年出现的微处理器技术为特征的数控系统称为第五代。1990开始出现第六代采用工业PC的开放式CNC系统，该系统优点主要有：(1)元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到5万小时以上；(2)基于PC平台，技术进步快，升级换代容易；(3)提供了开放式基础，可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域(如CAD、CAM、CAPP，连接网卡、声卡、打印机、摄影机等)；(4)对数控系统生产厂来说,提供了优良的开发环境，简化了硬件。本科毕业设计说明书（论文）第4页共33页在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统24。当今世界的各种数控系统大致可分为以下4种类型：(1)传统专用型数控系统。这类数控系统的硬件由数控系统生产厂家自行开发，具有很强的专用性，经过了长时间的使用，质量和性能稳定可靠，目前还占领着制造业的大部分市场。但由于其采用一种完全封闭的体系结构，往往存在以下缺点：(a)用户的应用、维修以及操作人员培训完全依赖于数控系统生产厂家，系统维护费用较高；(b)系统功能的扩充以及更新完全依赖于公司的技术水平，周期比较长；(c)大量市售廉价通用软硬件在专用数控系统上无法使用，功能比较单一5。因此，随着开放式体系结构数控系统的不断发展，这种传统专用型数控系统的市场正在受到挑战，市场份额已经在逐渐减小。(2)PC嵌入NC结构的开放式数控系统。如FANUC16i/18i,Simens840D,NumIO60等数控系统。这类数控系统与传统专用型数控系统相比，结构上具备一些开放性，功能十分强大，但系统软硬件结构十分复杂，系统价格也十分昂贵，一般的中小型数控机床生产厂家没有经济能力去购买。(3)NC嵌入PC结构的开放式数控系统。这种数控系统的硬件部分由开放式体系结构的运动控制卡与PC机构成。运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。如日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC。这种数控系统的开放性能比较好，并且对功能进行改进也比较方便，系统的控制功能主要由运动控制卡来实现，机床硬件发生改变时，只需要修改相应部分的控制软件，并且系统性价比也比较高，能够满足大多数的数控机床生产厂家的需要68。(4)全软件型的开放式数控系统。这是一种最新型的开放式体系结构的数控系统，所有的数控功能(包括插补、位置控制等)全部都是由计算机软件来实现的。与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性价比，因而最有生命力。其典本科毕业设计说明书（论文）第5页共33页型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000NT，以及NUM公司的NUM1020系统等9。数控技术的发展趋势：(1)性能方面的发展趋势：(a)高速高精度高效(b)柔性化(c)工艺复合和轴化(d)实时智能化(2)功能发展方面：(a)用户界面图形化(b)科学计算可视化(c)插补和补偿方式多样化(d)内置高性能PLC(e)多媒体技术应用(3)体系结构的发展：(a)集成化(b)模块化(c)网络化(d)开放式闭环控制模式101.3FANUC公司介绍早在1956年，日本技术专家预见到未来3C(Communication、Computer、Contr01)时代即将到来，一方面集聚有关人才，另一方面即着手开展这方面的发展工作。当时富士通信制造株式会社(即现在的富士通公司)立即挑选出稻叶右卫门(1946年东京大学机械系毕业)负责控制科研组的工作。1972年，数控富士通公司独立出来，成为富士通FANUC，1982年7月改名为FANUC株式会社，稻叶一生领导FANUC公司，直至1995年退休。在稻叶领导下，控制研究组从1957年的几个人不断壮大。稻叶回忆，1959年研制成功电液脉冲马达，1960年完成连续切削用开环数控的1号机床。但是，1973年世界石油危机背景下，电液脉冲马达的液压阀效率低，加上随动性能较差，FANUC组织人力研究开发新的电液脉冲马达不成，稻叶当机立断，做出引进美国盖迪(Gette)直流伺服电机来代替的本科毕业设计说明书（论文）第6页共33页决定，三天内飞往美国签订了合同，全力投入制造，2个月完成。稻叶认为，石油危机给FANUC一个发展的好机会，其关键在于远见卓识，当机立断，在引进此技术时不断消化创新。加强科研、坚持商品开发三原则。这三原则为：(1)提高商品的可靠性（Reliabilityup）；(2)比同类商品降低成本（Costcut）；(3)用最少零件制出商品（WenigerTeile,德文）1113。FANUC不仅有公司本身发展壮大的完整战略战术，且有完整的占领世界市场的国际战略。FANUC目前在欧美亚，已先后成立许多合作公司、服务中心、各种事务所。例如，1986年12月就在美国弗吉尼亚成立了GE-FANUC自动化股份公司，持50股份，占领了美国数控系统的市场。在韩国、中国、中国台湾、法国、意大利、瑞典、新加坡、香港、泰国及许多地方、城市建立了众多的公司网络，到处都有FANUC的商品销售。FANUC以其正确的战略战术，发展世界广大市场急需的数控系统，在规格系列上是当今世界上最完整的，并基于其强大的科研实力和严密步骤，努力不断开发高端商品。透彻了解用户、世界市场需求，不断开发新商品，占领市场，也是FANUC成功的重要经验。例如，FANUC1990年开始出新的“系列16”在1990年9月美国芝加哥IMTS（美国国际机床展）上展出，一时造成沸腾。“系列16”新NC系统的出现，在世界市场上掌握了主动权。又如：针对中国市场需求量大、中档、价廉物美的数控机床，需要量大面广之数控系统配套，FANUC于1985年开发出O系列，后又不断改进，占领了中国的广大市场，并通过北京FANUC机电有限公司，在中国大量推销，获取了巨大利润。北京发那科机电有限公司是由北京机床研究所与日本FANUC公司于1992年共同组建的合资公司，专门从事机床数控装置的生产、销售与维修。注册资金1130万美元，美国GE-Fanuc和北京实创开发总公司各参股10%，中外双方股份各占50%。北京机床研究所是中国机床工业最大的研究开发基地，国内第一台数控机床在该所诞生，1980年引进FANUC技术，成立了国内第一家数控装置生产厂，为中国数控机床的发展奠定了基础，并在数控技术及其应用方面具有领先的优势。1.4BEIJING-FANUCO系统介绍1.4.1BEIJING-FANUC0系统的CNC单元硬件结构北京发那科机电有限公司由FANUC公司购买印制板组装生产CNC单元。BEIJING-FANUC0系统采用了许多富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。本科毕业设计说明书（论文）第7页共33页BEIJING-FANUC0系统的CNC单元为大板结构。基本配置有主印制电路板、存储器板、I/O板、伺服轴控制板、和数控电源板。各板插在主板上，与CPU的总线相连。(1)主板主CPU在该板上。主CPU用于系统主控，原来用80386，后来改用80486/DX2。此外，显示器的CRT控制也在该板上。(2)存储器板该板上有：(a)系统的控制软件ROM（共5片）。(b)伺服控制软件ROM1片。(c)PMC-L的ROM芯片2片用于存储机床的强电控制逻辑程序。(d)RAM芯片，用于寄存CPU的中间运算数据，根据需要安装。(e)CMOSRAM，用于存储系统和机床参数，零件加工程序。根据用户要求配置，最大可为128KB