软件工程硕士论文-基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践.pdf

大连理工大学 硕士学位论文 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 姓名：林世东 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：吴迪 20090606 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着技术进步、市场竞争加剧，专用体系结构的数控系统逐渐暴露出其固有的缺陷。 首先，各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成；其次，系统的封闭性使它的 扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商对系统供应商的依赖，并难以将自己的专门 技术、工艺经验融入控制系统形成自己的产品特点，不利于提高主机产品的竞争力。 计算机数控( c n c ) 系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设备， 已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，现今市场上组成c n c 系统的硬 件模块和软件结构绝大多数是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机 制也各不相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独立、彼此封闭。 本文通过对加工设备和数控系统的发展与现状的分析，提出了开发经济型的、基于 通用型数控系统的加工设备的思路。首先根据整体方案设计整机电气控制逻辑及原理 图；然后采用w i n d o w s 版p r o t e l 电子绘图软件软件完成，包括电气控制柜、吊挂 的结构图，控制面板图等；设计系统p l c 控制方案及软件；p l c 为嵌入式，采用b c 3 1 编辑、编译，实现工作方式选择、手动控制机床、机床辅助功能的逻辑控制、主轴控制、 手摇脉冲发生器控制等；电气部分整机调试；铣床整机调试；对标准零件的数学特性进 行分析，并采用宏指令参数化编程，完成标准零件子函数的设计；最后进行加工验证。 关键词：通用数控系统、嵌入式p l c 、标准零件、数学特性、子函数 基于数控系统的铣床加丁设备的研究与实践 d e s i g na n ds t u d yo fm i l l i n ge q u i p m e n tb a s e do nu n i v e r s a ln cs y s t e m a b s t r a c t w i t ha d v a n c e si nt e c h n o l o g y 、m a r k e tc o m p e t i t i o n ，d e d i c a t e da r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m g r a d u a l l ye x p o s i n gt h ei n h e r e n tf l a w s f i r s to fa l l ，i n t e r c o n n e c t i o nc a p a c i t yo ft h ec o n t r o l s y s t e mi sp o o r ，i m p a c tt h em u t u a li n t e g r a t i o no ft h es y s t e m ；s e c o n d l y ，t h ec l o s e ds y s t e m e x p a n s i o na n dm o d i f i c a t i o no fi ta r ee x t r e m e l yl i m i t e d c n ce q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r sc a u s e d t h es y s t e mt or e l yo ns u p p l i e r s ，a n dd i f f i c u l tt om a k et h e i re x p e r t i s e 、e x p e r i e n c ei np r o c e s s c o n t r o ls y s t e m si n t ot h ef o r m a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i rp r o d u c t s 、i sn o tc o n d u c i v et o i m p r o v i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so ft h e i rp r o d u c t s c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ( c n c ) s y s t e mf o rm a n u f a c t u r i n gc o m p l e xs h a p e s 、 m g h - q u a l i t y 、h i g h p r e c i s i o np r o d u c t sb a s e do ne s s e n t i a le q u i p m e n t ，h a sb e c o m et o d a y s a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya ni m p o r t a n tc o m p o n e n t h o w e v e r ，t h ep r e s e n t c o m p o s i t i o no f t h em a r k e tc n c s y s t e mh a r d w a r em o d u l e sa n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ei st h ev a s t m a j o r i t yo fd e d i c a t e d ，n o n c o m p a t i b l es y s t e mo fi n t e r a c t i o nb e t w e e nm o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s m sa r ed i f f e r e n t ，w h i c hr e s u l t e di nad i f f e r e n tc o n t r o ls y s t e mm a n u f a c t u r e r sr e l a t i v e l y i n d e p e n d e n to fe a c ho t h e rc l o s e d b a s e do nt h ep r o c e s s i n ge q u i p m e n ta n dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n ta n d a n a l y s i so f t h es t a t u sq u o ，p u tf o r w a r dt h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m i c a l ，g e n e r a l p u r p o s e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ei d e ao f p r o c e s s i n ge q u i p m e n t f i r s to fa l l ，i na c c o r d a n c e 、析t ht h eo v e r a l ld e s i g no ft h ee l e c t r i c a lm a c h i n ec o n t r 0 1l o g i ca n ds c h e m a t i cd i a g r a m ；a n dt h e n u s et h ep r o t e ls o f t w a r eo fw i n d o w sv e r s i o nt od r a we l e c t r o n i cm a p p i n g i n c l u d i n gt h e e l e c t r i c a lc o n t r o lc a b i n e t 、h a n g i n gt h es t r u c t u r e 、s u c ha sc o n t r o lp a n e lp l a n s ；d e s i g no fp l c c o n t r o ls y s t e m sa n ds o f t w a r ep r o g r a m s ；p l cf o re m b e d d e d , t h eu s eo fb c 3 1e d i t , c o m p i l e ， c h o i c eo fw o r k ，m a n u a lc o n t r o lo fm a c h i n et o o l 童, m a c h i n e - a s s i s t e df u n c t i o n a ll o g i cc o n t r 0 1 s p i n d l ec o n t r o l ，h a n dc o n t r o lp u l s eg e n e r a t o r ；d e b u ge l e c t r i c a lm a c h i n e ；m i l l i n gm a c h i n e d e b u g g i n g ；s t a n d a r dp a r t so f t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r so f t h e u s eo fm a c r op r o g r a m m i n g ，t h es t a n d a r dd e s i g np a r t sf u n c t i o n s ；f i n a l l y ，a u t h e n t i c a t i o nf o r p r o c e s s i n g k e yw o r d s u n i v e r s a lc n cs y s t e m ；e m b e d d e dp l c ；s t a n d a r dp a r t s ；m a t h e m a t i c a l p r o p e r t i e s ；f u n c t i o n s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属手大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：舛年4 月日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 数控系统在工业生产中的应用 数控系统广泛的应用于工业生产的各个领域，其中各类工业产品，压缩机、冷冻机、 注塑机械、工业泵、分件供送线、自动包装线等的关键性基础零件。其加工质量直接影 响这些设备的性能。 “数控技术是先进制造技术中柔性制造系统( f m s ) 、计算机集成制造系统( c i m s ) 和工厂自动化( f a ) 的重要的基础技术，也是当今世界机械制造业发展过程中的新一代 生产技术” 1 l 。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合实力水平的重要 基础产业，数控技术是振兴国家机床工业、增强制造国际竞争能力的基础。世界各国都 在大力发展数控技术，并把之作为实现机械工业技术革新的战略重点，作为提高各国机 械制造业综合实力和竞争力的重要源泉。 随着微电子技术和计算机技术的发展，充分利用、改造通用p c 机，促进数控产业的 形成和发展。从分立元件、中小规模集成电路，经过基于微处理器芯片和微处理机模板 的封闭型、嵌入式设计，发展到今天基于微型机系统的机箱级的开放型、嵌入式设计， 特别是开放型的设计，数控系统共经历了三个阶段，即硬件数控( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 、 计算机数控( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 和基于通用p c 的数控( p c - n c ) 。 从本世纪五十年代初美国推出第一代数控系统到1 9 7 0 年，数控系统的发展经历了 电子管、晶体管、集成电路三代，这三代数控系统都是利用逻辑电路来实现控制的功能， 因而被称为“硬件”数控。其功能简单，灵活性差，设计周期长，因而限制着其进一步的 发展与应用。 1 9 7 4 年，微处理器的出现又给数控系统的发展带来了机遇，出现了采用内藏式微处 理器芯片的第四代n c 系统，真正实现了计算机数字控制，进一步缩小了体积，降低了 成本，且由于c r t 的应用，简化了编程和操作。随着计算机技术的不断发展，数控系 统的功能更为完备，但是，由于主客观原因的影响和实际技术应用的考虑，数控系统的 发展一直落后于计算机技术的发展，数控系统体系结构的发展往往自成体系，致使计算 机体系结构的成果运用到数控系统中有较长的滞后期，因而在某种程度上影响了数控系 统的发展。 进入九十年代后，随着通用p c 机的发展和普及，特别是开放型计算机的发展，数 控系统由此进入p c - n c 的时代，即第五代n c 系统。特别是开放型计算机的发展，a m p r o c o m p u t e r 公司的策略发展部行政副总裁p i c kl e h r b a u m 提出了“利用p c 机的体系结构， 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 设计新一代嵌入式应用”之后不久，s o f t w a r ed e v e l o p m e n ts y s t e m 的j a m e ss c h a l l e n g e r 又提出“w i n d o w s 和嵌入式计算机技术的融合”，数控系统的设计发生了历史性的变化， 将嵌入式和开放型结合起来。 p c 机拥有广阔的技术资源，足够的技术平台，并能提供基于p c 机操作系统的开放 式体系结构，利用通用p c 机的体系结构，并以此为基础设计新一代的嵌入式数控系统， 使数控系统不会束缚在某一特定的软件和硬件平台之上，能够充分利用通用p c 机的软 硬件资源，当数控系统需增加新功能时，可以方便对系统进行改造升级。当前随着个人 计算机技术和计算机体系结构的发展，研制和开发基于p c 的数控系统，已成为数控行 业发展的最显著的趋势。 从基于p c 机的c n c 系统开发的角度，利用通用p c 机设计新一代开放式数控系统 基本上有两种典型的结构：一种是p c + n c 结构，采用这种结构的数控系统是将通用p c 机与n c 系统连接在一起构成的前后台结构，形成的多机、多过程数控系统。在该结构 中，p c 机作为前端机主要完成人机交换任务并与处于后端的n c 系统进行通信，从而 实现对机床运动的控制。另一种是p c b a s e d 结构，采用这种结构的数控系统是将数控 专用模板插入到p c 机中构成的单机数控系统【2 】。 ( 1 ) p c b a s e d 结构数控系统 将数控专用模板插入通用p c 机中形成的单机系统构成了p c - b a s e d 结构的数控系统 的硬件结构和相应的软件平台。该结构中出现的驱动接口模板是专用模板之一，通过该 模板可以构成开环或闭环控制系统。 开环控制指通过输出脉冲串和方向信号驱动步进电机或数字式交流异步电机构成 开环控制装置。闭环控制指通过输出模拟信号或脉冲串加方向信号驱动直流或交流伺服 驱动及电机构成闭环控制，其中通过输出脉冲串加方向信号构成位置闭环控制，通过输 出模拟信号构成速度闭环控制。 在闭环控制中，无论是脉冲串输出，还是d a 输出，其反馈信号是相同的。图中的 i o 接口板也是专用模板。在单机数控系统中，其它模板都是通用p c 机的通用板，或 插在p c 机的i 0 槽中，或集中在p c 机主板( 舢li no n e ) 上。 ( 2 ) p c + n c 结构数控系统 将通用p c 机嵌入到数控系统之中构成的典型的前后台结构，构成了p c + n c 的硬 件结构及相应的软件平台。在该结构中，n c 既可以是传统的专用n c ，也可以是p c b a s e d n c 。这种典型的前后台结构就是在单机数控系统( p c b a s e dn c 或传统的n c ) 的基础 上实现的，其中的单机c n c 通过高速通信模板与通用p c 机进行通信。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 近年来，以p c 机为平台开发c n c 系统已得到大部分数控开发商的共同认可，出现 了许多成熟的产品。例如国外有美国a u t o c o n 、c i n c i n n a t im i l a c r o n 公司的 a c r a m a t i c2 1 0 0 系统，德国s i e m e n s 的8 4 0 d 系统，意大利f i d i a 的m 3 0 系统；国内有航 天数控集团的航天i 型c a s n u c 9 11 t c m c 系统，中国科学院沈阳计算机技术研究所的 8 5 4 0 系统等【3 】，特别是大连高金数控有限公司推出的大连数控3 1 m 数控系统就是典型 的p c b a s e d 结构数控系统。 1 2 本课题研究的主要内容 大连数控31 m 数控系统是基于工业计算机的开放式通用数控系统，其开放性体现 在硬件和软件两个方面。 硬件上： 系统基于通用工业计算机作为其运算和控制的核心，升级与换代非常方便而且不会 影响系统的整体结构。 系统可以方便地实现大容量存储、网络通讯等功能。 软件上：软件系统为基于d o s 的实时多任务操作系统，如下图所示。 底 - j 过 图1 1 大连数控系统软件结构 f i g 1 1 d a l i a nc n c s y s t e ms o t t w a r e 图中的底层软件为数控系统的软件平台，其中的r t m 为自行开发的实时多任务管 理模块，负责c n c 系统的任务调度，n c b i o s 为基本输入输出系统，管理c n c 系统 所有的外部控制对象，包括设备驱动程序的管理( 对应不同的硬件模块，应用不同的驱 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 动程序，故更换模块只需更换驱动程序，配置很灵活) 、位置的控制、p l c 的调度、插 补计算和内部监控等。我们也可以把r t m 和n c b i o s 统称为n c b a s e ，如图中的虚线 框所示【4 】。 过程层软件( 或称上层软件) 相当于前后台型软件结构中的背景程序，通过n c b i o s 把它与底层软件隔开，使得过程层软件不依赖于硬件。为适应不同的系统，只需改动过 程层软件即可。 加工设备整体方案如下： 数控系统部分采用大连数控3 1 m 铣床数控系统； 进口4 8 6 工控机构成c n c 主机；8 m 内存；8 m 电子盘；7 5 英寸t f t 彩色显示器； 防尘防水薄膜操作键盘；3 5 英寸软驱；手摇脉冲码盘；吊挂式操作站及落地式密封机 柜。 系统框图如下所示： p 一一1 翼 皿o 幢 蒋 硪 o r n t ，、 o 雹 脉冲 位置 接口 开关量输入( 操作按钮、机床检测输入) 开关量输出( 按钮指示灯，机床继电器控制) x 轴伺服单元卜叫x 轴伺服 x 轴蜀盘 c 轴伺服单元k - - i c 轴伺服电 盘 c 轴码盘 i j 图1 2c n c 系统框图 f i g 1 2 c n cs y s t e mb l o c k 进给单元采用脉冲接口式交流伺服单元，半闭环控制； 主轴单元采用变频器控制，无级调速； 詹圈癌一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 主机采用卧式铣床床身； 机床结构与车床类似，增加以z 轴为旋转中心的c 轴。 本文通过对加工设备和数控系统的发展与现状的分析，提出了开发经济型的、基于 通用型数控系统的加工设备的思路。全文分六章。 第一章为绪论，阐述了课题的提出、来源、目的和意义，综述了国内数控加工设备 的历史发展和研究现状，介绍了通用型数控系统，提出利用通用型数控系统的灵活性、 计算能力和二次开发能力，在此基础开发加工铣床。对控制系统的总体结构进行了设计。 从系统硬件部分结构、系统软件设计和机床本体结构三个方面对整个系统进行了介绍。 第二章根据标准零件的特点详细介绍了系统硬件部分，包括数控系统、电气控制与 机床结构的设计方案。 第三章介绍了系统软件设计方案，并根据电气设计要求，详细说明了系统嵌入式 p l c 的设计。 第四章首先介绍了系统的编程系统，对标准零件的数学特性进行了详细的分析，并 以此为基础引入标准零件的子函数设计； 第五章简单介绍了现场调试与实验验证的工作，还介绍了现场和应用中的一些问题 和解决办法。 最后，对全文的工作进行了概述和总结，对后续的研究工作提出了一些展望，为今 后的工作确定了目标。 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 2 系统硬件设计 2 1整体方案 该设备所加工的零件为长杆形螺杆，要求螺距与底径随角度的变化分别或同时变 化，且零件较大；单件加工时间长，要求系统能长时间稳定运行，满足实际生产的要求； p l c 功能灵活、强大，用户可编程；具有宏变量、函数化编写加工程序的功能。 根据上述功能要求，整体方案如下： 大连数控3 1 m 一1 量茎兰垄l 岖巫弘圈j 框巫弘圈i c 伺服单元 主轴变频器 ，磊硐 ： - - 叶l - 匝鲨掣 ： i i 厂瓦蕊虿 ： l墨堕墅堡鱼l： 机床与电气控制柜 图2 1 机床硬件结构框图 f i g 2 1 m a c h i n eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 硬件结构如图2 1 所示，主要由c n c 单元、伺服驱动单元( 包括伺服进给电机) 、主 轴单元、逻辑电路与辅助设备、机械结构( 机床) 等五个部分组成。 嚣 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c n c 单元 采用大连数控3 1 m 开放式通用型c n c 单元，包括工业p c 机、7 4 液晶显示器、位 置控制模块、输入输出模块等，是组成数控系统的最基本单元。其中工业p c 机集成了 c p u 、内存、显示卡和以太网口并可根据需要配置内存、硬盘或电子盘、软驱等； 位置控制模块有4 个位置检测接口，采集光电编码器的脉冲信号，作为机床各个坐 标的位置反馈，并通过多路脉冲输出信号控制进给伺服单元； 输入输出模块是c n c 系统内嵌p l c 的硬件输入输出接口，主要分为内部和外部两 部分。其中内部p l c 接口用于编程面板和工程操作面板上的按钮和指示灯的输入输出 开关量，工程操作面板则用于机床的操作，其按钮用户可自定义，并利用p l c 程序实 现其功能；外部p l c 接口用于机床和电柜的开关、继电器、驱动单元报警与输入等开 关信号与器件的检测与控制，外部输入输出点数为4 0 3 2 点，也可根据需要另外再扩展 1 2 8 1 2 8 点【5 】； 系统最小分辩率默认为0 0 0 1 毫米0 0 0 1 度，也可根据需要设置为更低； 配软驱单元和手摇脉冲发生器。 伺服单元及电机 是系统可靠运行的最重要保证。交流伺服单元采用安川公司的系列s g d g 型伺服 单元，具有自学习功能，及配套的s g m g 大惯量伺服电机，最高1 5 0 0 转分钟。光电编 码器实现位置检测反馈，编码器的分辨率为8 1 9 2 个脉冲每转。 主轴单元 采用富示变频器和电机，电机最高转速1 4 5 0 转分。手动换档，分高速、低速两档。 机械结构 机床采用卧式铣床结构，滚珠丝杠传动；由c 轴带动工件旋转，x 轴和z 轴带动的 主轴箱实现切削，其中z 轴运动实现变螺距，x 轴运动实现变底径。 控制柜结构：强电控制柜+ 吊挂箱； 表2 1 主要器件清单 t a b 2 1l i s to fm a i nd e v i e e s 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 表2 ，1 主要器件清单( 续) t a b 2 1 l i s to f m a i nd e v i c e s ( c o n t ) 2 2 大连数控3 1 m 型通用数控单元 2 2 1 简介 大连数控3 1 m 是大连高金数控有限公司推出的大连数控系列数控装置中的一种。 大连数控3 1 m 采用开放式体系结构，内置嵌入式工业p c 机、3 2 位中央处理器， 配置7 5 彩色液晶显示屏和标准编程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接 口、内嵌式p l c 接口、远程i o 板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及 软驱、d n c 、以太网等程序交换功能。 机床工程面板可单独设计。 具有以下特点： ( 1 ) 最大联动轴数为4 轴。 ( 2 ) 配置标准机床工程面板，不占用p l c 的输入输出接口。操作面板颜色、按键名 称可按使用要求定制。 ( 3 ) 配置4 0 路输入接口和3 2 路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、 模拟主轴控制接口与编码器接口，以及远程i o 板扩展接口。 ( 4 ) 采用7 5 彩色液晶显示器，全汉字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种 图形加工轨迹显示和仿真功能。 ( 5 ) 采用国际标准g 代码编程，与各种流行的c a d c a m 自动编程系统兼容，具有 直线、圆弧、螺旋线插补，固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具补偿等功能。 ( 6 ) 具有宏程序和函数化编程功能。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 7 ) d x 线段连续加工功能，特别适合于复杂模具零件加工。 ( 8 ) 加工断点保存恢复功能。 ( 9 ) 输入输出开关量采用嵌入式p l c 程序控制方式，c 语言编程，使用灵活功能丰 富。 ( 1 0 ) 反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能。 ( 1 1 ) 巨量程序加工能力，配置硬盘可直接加工高达2 g b 的g 代码程序。 ( 1 2 ) 内置以太网、r s 2 3 2 接口，易于实现机床联网。 ( 1 3 ) 8 m bf l a s hr a m 中的6 m br a m ，可用作用户程序存储区；8 m br a m 用作 加工程序缓冲区。 ( 1 4 ) 系统外形尺寸为：4 2 0 x 3 1 0 x l1 0 毫米( w x h x d ) 。 2 2 2 接口 大连数控3 1 m 数控装置背面接口如图2 2 所示： 翳 戆 x s l ：电源接口 x s 3 ：以太网接口 x s 5 ：r s 2 3 2 接口 固固_ _ 固固_ 喜二尊口； x s 2 ：外接p c 键盘接口 x s 4 ：软驱接口， x s 6 - 远程i o 板接口 一回塔 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 x s 8 ：手持单元接口 x s l 0 、x s l l ：输入开关量接口 x s 3 0 x s 3 3 ：进给轴控制接口 2 2 3 供电电源 x s 9 ：主轴控制接口 x s 2 0 ，x s 2 1 ：输出开关量接口 电源容量( d c 2 4 v1 4 5 w ) ： h n c 2 1 m d ： d c 2 4 v1 0 0 w ，数控装置内部用，厂家设计要求。 p l c 电路： d c 2 4 v4 5 w 主要用于驱动器逻辑信号、机床和电柜开关量输入信号、继电器控制等。其中输入 信号小于1 0 w ，输出信号小于2 0 w 电源线：采用屏蔽电缆。 接线图如图2 3 ： 图2 3 大连数控3 1 m 供电接线图 f i g 2 3 d a l i a nc n c31mp o w e rs u p p l yw i r i n gd i a g r a m 2 2 4 操作面板设计 面板按键主要分为三部分：编程键盘、f 功能键盘、工程操作键盘 其中f 功能键盘与编程键盘与标准p c 键盘功能相同，只是有所简化；工程操作键 盘可以根据具体设备的需要进行设计，并通过p l c 程序定义其功能，各键的输入信号 和指示灯输出占用内部i o 地址。 大连理【：大学专业学付硕士学位论文 各键盘的设计分别见图2 4 馥品盅示器 幽24 操作面板的设计 f i 9 24d e s i g no f t h eo p e r a t i o np a n e l 2 3 电源与辅助设备 在本设计中，伺服变压器与控制变压器均采用带屏蔽层的隔离变压器以提高整个 系统的抗干扰能力。 总电源进线、变压器输入端等处的抗干扰磁环和高压瓷片电容未在图中表示出来。 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 够3 8 0 v3 相 o f 0 q r 3 x 3 4 o f l 3 6 q f ： 2 2 伺服变压器 c 3 8 0 2 0 0 l 暇- k m l 4 0 r c l q f 3 1 6 q f 25 1 0 0 x 3 6 一一卜一lo o a c l l 0 1 2 5 0 w k 2 甜 1 0 0 w a c 2 2 0 1 3 0 0 w 工 k m 2 2 2 a k 抓 9 a k m 一 9 w 1 l r c 2 盟譬、i 伺服 h s v z 、l 一 h s v c 。l 驱动器 5 5 肼l 主轴 l 变频器 刚芎 电框风扇藜页覆器 k a l 冷却电机 4 5 0 w 排屑电机 7 5 0 w r k a 7 、。 k a 8 | 7 6ir c 7 k i l ill lk m alllk l v l 3 iii ik m 照明爵t yk 随源指示灯 伺服强电主轴强电排屑电机冷却电机 f 9 控制变压器 低通滤波器 ：自动润滑站 c 2 2 0 v3 0 w a c 2 2 0 v d = 2 4 v 开关电源 1 4 5 w 2 2 0 a2 2 0 b 厂 到伺服驱动器 f 6 数控装置 3 1 m 吊挂风扇 图2 5 数控系统电气原理图一电源图 f i g 2 5 c n ce l e c t r i c a ls c h e m a t i c p o w e rd i a g r a m 表示该部分信号在其他原理图中需要使用。 一1 2 2 4 vl o o 厂 到机床电柜 p l c 逻辑电路 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 5 中q f 0 q f 4 为三相空气开关；q f 5 - - - - q f l1 为单相空气开关；k m l - - ，k m 4 为三相交流接触器；r c l 一- - r c 3 为三相阻容吸收器( 灭弧器) ；r c 4 - r c 7 为单相阻容 吸收器( 灭弧器) ；k a l “ - 一k a l 0 为直流2 4 v 继电器。 2 4 进给驱动单元 现在工业现场上用到的伺服系统，大部分采用串级控制方式。即一般均包括位置控 制环、速度控制环以及电流控制环。 根据应用场合和对控制性能要求的不同，伺服系统具有多种不同的结构形式。例如 通常说所说的全闭环结构、半闭环结构以及开环结构等，这种结构分法主要是根据位置 控制反馈不同来区分的，用户可根据不同的控制要求和控制性能从不同的位置测量装置 取得位置反馈1 6 。 就交流伺服系统其处理信号的方式不同，又可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式 伺服和全数字式伺服。 就控制方式来说，在现代交流伺服系统中，交流伺服驱动系统一般提供三种控制方 式，即位置控制、速度控制、转矩控制。 在本系统中我们采用安川全数字式交流伺服，半闭环控制，位置控制方式即脉冲指 令控制方式，位置控制环、速度控制环以及电流控制环均在伺服侧完成。 2 4 1大连数控3 1 m 相关接口 大连数控3 1 m 最多可提供4 个脉冲式轴接口，连接插座为x s 3 0 、x s 3 1 、x s 3 2 、 x s 3 3 。每个接口均包含一个脉冲指令输出口和一个位置反馈输入口，其中脉冲指令类型 有三种，即：单脉冲、正负脉冲、正交脉冲，通过参数选择。 表2 2 信号定义 t a b 2 2 s i g n a ld e f i n i t i o n 信号名说明 a + 、a _ b + 、b z + 、z 一 + 5 v ，g n d c p + 、c p d i r + 、d i r 一 编码器a 相位反馈信号 编码器b 相位信反馈信号 编码器z 脉冲反馈信号 d c 5 v 电源 指令脉冲输出( a 相) 指令方向输出( b 相) 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 技术规格 最高脉冲频率：8 0 0 0 z ； 编码器电源：+ 5 v 1 5 0 m a ； 编码器信号：r s 4 2 2 电平； 在数控装置内部，通过修改硬件配置参数，可以将脉冲输出模式设定为脉冲加方向， 双脉冲，两相正交三种模式。 表2 3 不同的工作模式c p 、d i r 的含义 t a b 2 3d i f f e r e n tm o d eo fc p ，d i rm e a n i n g 2 4 2 伺服驱动与伺服电机 采用安川公司系列s g d b 型全数字伺服单元和s g m g 型伺服电机。 s g d b 型伺服单元具有自学习、自诊断功能；具有内部电子齿轮；速度、力矩、位 置、三种工作模式，并可在线切换：可独立调试；具有多种保护功能吼 s g m g 型伺服电机为大惯量型伺服电机，动态适应能力强，过载能力强。 驱动器和电机的具体型号见表2 1 。 2 4 3 电气设计 连接脉冲接口伺服驱动的一些基本概念： 采用脉冲接口连接伺服驱动装置时位置闭环在伺服驱动器内部而不在数控装置内。 脉冲接口串的位置反馈信号仅用于位置监视而不用于位置闭环。 进给驱动单元部分的电气原理图设计见图2 6 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 6 大连数控3 1 m 与伺服驱动器的连接图 f i g 2 6 d a l i a n31mc n ca n ds e r v od r i v e sc o n n e c t e dg r a p h r s t 2 5主轴单元 该设备采用三相异步电机+ 变频器的控制方式；主轴电机旋转速度电机尾部的编码 器反馈到变频器实现矢量控制，提高主轴电机低速时的力矩特性。由于对主轴转速与定 位无严格要求，因此未设计主轴编码器检测主轴的实际转速嗍。 数控单元通过x s 9 接口的d co + l o v 模拟电压给变频器速度指令；通过输出开关 量控制电机的旋转方向，并通过输入开关量接收变频器的报警信息。 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 2 5 1 大连数控3 1 m 相关接口 x s 9 主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，信 号特性： 主轴速度模拟电压信号 电压范围：a o u t l 1 0 v + 1 0 v a o u t 2o + 10 v 负载电流：最大1 0m a 主轴编码器接口 电源输出：+ 5 v 最大2 0 0m a 编码器信号：r s 4 2 2 电平 2 5 2 主轴变频器与主轴电机 主轴电机采用额定转速1 4 4 0 r p m 、额定功率4 k w 、额定电压3 8 0 v 的变频电机， 主轴变频器则选用额定功率5 5 k w 、额定电压3 8 0 v ，具有矢量控制功能的变频器。 2 5 3电气设计 ( 1 ) 与主轴控制相关的输入输出开关量 连接主轴装置时需要使用输入输出开关量控制主轴电机的启停、及接收相关的状态 与报警信息。这些信号的控制与处理由p l c 承担。关于主轴启停控制的信号如下表所 示。 表2 4 与主轴控制有关的输入输出开关量信号 t a b 2 4w i t ht h em a i nc o n t r o lo f t h ei n p u t o u t p u ts i g n a ls w i t c h 大连理工大学专业学位硕士学位论文 利用y 1 0 、y 1 1 输出即可控制主轴的正、反转及停止，当y 1 0 接通时控制主轴正 转，y 1 1 接通时，主轴反转，二者都不接通时，主轴停止。 利用主轴速度到达和主轴零速输入，实现p l c 程序对主轴运转状态的监控。 ( 2 ) 主轴速度控制 通过大连数控3 1 m 的x s 9 主轴接口中的模拟量输出控制主轴转速，本设计使用单 极性速度指令a o u t 2 ( 输出范围为o - - - + i o v ) ，控制主轴变频器的输出频率，从而控 制主轴的转速。 ( 3 ) 主轴换档控制 变频器控制的主轴电机随着频率即电机转速的降低电机输出扭矩和输出功率会迅 速下降，即使采用矢量控制也只能使电机在额定转速下保证恒扭矩输出而输出功率则与 转速成反比。 变频器控制的电机特性曲线如下图所示。 功率 额定 功率 o 额定转速 转速 扭矩 图2 7 变频控制电机特性曲线 f i g 2 7f r e q u e n c yc o n t r o lm o t o rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 转速 为了在低速时实现恒功率和大扭矩输出，在不同的转速范围我们采用不同的传动 比，使得主轴电机尽量工作在恒功率区域，而由于传动比的增加，主轴低速时主轴电机 仍然工作在恒功率区，使得主轴的输出功率不变，输出扭矩成倍增加【9 j 。 主轴扭矩= 主轴电机功率主轴转速 本设备主轴分了两档，为降低成本简化结构，换档采用手动实现，并通过操作面板 按钮通知系统主轴目前的档位情况，以便p l c 程序正确处理主轴模拟电压指令输出。 ( 4 ) 关于主轴风扇 通常异步电机工作在额定速度下，此时电机风扇与电机轴同步旋转为电机散热。当 采用变频器控制时电机经常会工作在额定转速以下，此时如果电机风扇仍然与电机同转 薹王墼垄墨笙塑篁堕塑! 三丝鱼竺婴窒量塞堕 速，则散热能力回下降很多，长时间运转则引起电机急剧温升而损坏，因此在变频电机 后部安装有单独供电的散热风扇保证风扇始终工作在额定转速下，从而为主轴电机提供 良好的散热。 ( 5 ) 主轴单元接线图 主轴单元电气原理图见图2 8 u 1 v l w 1 r ( l 1 ) s ( l 2 ) t ( l 3 ) 盏! 尝to 主轴风扇q 蒯：主差主羹蠢乒速鳓：主差主羹鋈 1 0 0 2 6 机械结构 c主ii岫,冬-g翁5t：5p器5 1 2 1 。9 - - g 5 a 4 5 p 5 1 a c 一 5 5 x w 厶u 2 6 2 0 ，2 7 圭堑垫兰 圭丝奎垂 主轴速度至 图2 8 主轴单元电气原理图 f i g 2 8s p i n d l eu n i te l e c t r i c a ls c h e m a t i c 堕 x 3 0 x 3 2 x 3 1 1 0 0 因为典型工件为长杆结构，因此机床采用卧式铣床结构，。 如图所示c 轴( 工件主轴) 的转动、铣头的前后移动、z 轴的左右移动均由伺服电 机驱动。 铣头的垂向移动、左右转动以及尾架的左右移动均通过手动进行调整。 吻嘲丽扩d1钏引引“耿一州斛卜叶卜圳 麓 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 9 外观结构示意图 f i g 2 9 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea p p e a r a n c e 机床主要机械参数如下： 一1 9 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 2 7 本章小结 选择了开放式通用型数控系统。 本章根据设备的功能要求，对设备的电气控制系统进行了设计，并介绍了机械结构。 大连理1 ：大学专业学位硕士学位论文 3 系统软件设计 3 l 系统软件设计 该系统软件基于d o s 操作系统，数控系统能进行自动、手动和m d i 等方式的加工， 具有参数输入、p l c 状态显示、故障诊断、程序编辑、文件管理、刀具管理等功能。能 够进行三轴联动加工。 采用嵌入式软件p l c ，功能灵活丰富，特别适合有特殊功能需求的高级用户使用。 x y z 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 “ 捌 c s p z h 日 z wy t z n 7 b a x 羁删b , aa m t lz 1 2 7 9 n h4 m m ；m8 hs ，e i 日y i 哪2 口2 j 日* z h6 ，“ 3 - 2 北0 m h7 j 耵硎w 4 、2 他船 e l m s 佩1 嘲z 埘* s o f d 0 0 0 “n 理$露骨 口1 7 i - g 证i 口f腻雠 i t , g 幽3 l 系统较什土窗口 f i g3 】s y s t e ms o f t w a r e m a i n w i n d o w 图3l 是系统的主窗口。系统在自动加工时，具有多种显示的方式供用户选择：图 形方式、大字符方式、加工程序文本显示方式：坐标系可以在机床坐标、工件坐标、相 对坐标之间选择；显示值则可以在指令位置、实际位置、剩余进给、跟踪误差、补偿值 之间选择。 劬瞄m 强崩飘吼姒似鼬一讲嘲瑚取 基于数控系统的铣床加工设备的研究与实践 图32 是刀库表菜单 图32 刀库表菜单 f i g32 m e n ut a b l ek n i f e 图33 是m d i 输入方式窗口。在m d i 方式下可以运行输入g 代码程序执行、设置 自动工件坐标系、设置刀具数据、返回断点、重新对刀。 图33 ) d i 输入方式窗口 f i g33 m d i i n p u t w