北汽车学院毕业设计TC-S2CZ加工中心PMC控制系统设计.doc

402013届湖北汽车学院毕业设计（论文）摘要该论文所涉及的项目是关于襄阳中日龙机电技术开发有限公司tc-s2cz加工中心的改造。本论文论述了利用pmc控制技术来完成对b功能、m/s/t功能的设计，尤其是对b功能的设计完成第四轴的控制；通过实际投产证明，基于pmc轴的第四轴设计应用能够满足加工及其设计要求，并且该设计与传统方案相比应用成本较低，性能稳定，特别适合企业设备数控化更新改造。关键词：数控机床；pmc；第四轴abstractthe project this papers covered is about cnc of xiangyang chunichi dragons electrical technology development co., ltd equipment modification. this paper discusses the use of pmc control technology completion of the b function , m / s / t functional design; the result of practice indicate ,that the application of pmc series can satisfied the demand of design of the fourth axe in the cnc machining. this design achieves low cost and high reliability. it satisfies the cnc reformation of the equip-ment in the factories.keyword: cnc machine tool; programmable machine tool controller; the fourth axe.第一章 绪论1.1 课题来源中日龙（襄阳）机电技术开发有限公司制造车间中cnc加工夹具零件，采用的是最普通的三轴（xyz轴）加工，但所生产的夹具零件有上千种，并且都是多个面需要加工，因此在加工一个零件过程中就需要进行多次装夹，这样就造成人力资源利用和效率的低下。由于cnc是数控设备，能按照数控程序自动加工，但由于只是三轴加工，因此在加工过程中需要有人值守负责装夹，这样一名工人只能负责一台设备，其人力资源利用非常低下。同时，在国家人力成本上涨的趋势下，对人力成本的控制也显得尤为重要。另外，在加工过程中进行多次装夹，让设备多次处于停止工作的状态，延长了加工时间，降低了工作效率，也直接增加了产品成本。这些都影响了产品的市场竞争力。因此，在加工过程中实现四轴加工,简单零件只装夹一次，复杂的零件尽量少的装夹就显得尤为重要。1.2 课题研究意义对本公司而言，制造车间有一般加工车间、数控车间和cnc车间，而80%的夹具产品都需要在cnc车间加工完成，采用plc的多轴控制系统，能大大提高其装夹效率，实现1:2，甚至1:3的人机比例，既节约了人力成本，又提高了效率；同时，随着装夹时间的减少，大大缩短了加工单个零件的时间，进而提高产量。这些都会在很大程度上降低公司的生产成本，对提高公司产品的竞争力有极为重要的作用。从大的方面来说数控机床的多轴加工系统涉及现代工业的各个方面，只要做出很小的改进在社会范围内就会取得巨大效益。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的实用技术和最基本的装备。制造技术和装备是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术则是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略设备，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。所以国内普通制造厂的生产设备基本上还停留在三轴的加工中心。所以对四轴加工中心主轴伺服系统的研究是非常有意义的。1.3 课题任务中日龙（襄阳）机电技术开发有限公司cnc四轴系统装置的主要任务是：通过plc控制第四轴（b轴）旋转，与cnc实现信息互换，以实现与其他三轴的协同工作，进而减少工人装夹的次数，避免了由于装夹次数过多，导致装夹不紧或者出现变形，定位不准等错误情况出现的几率，降低了产品的不良品率，减少了工人的工作负担。四轴控制系统最重要的是实现cnc与plc的信息交换，公司采用的是日本brother tc-s2cz加工中心,该加工中心采用的是改进版的fanuc-oi md系统，其基本功能与原系统一致，因此我们采用原系统中就有的b功能和pmc轴控制来设计第四轴。项目设计完成后要在现场调试，并根据现场情况对设计方案做出改进。第二章 cnc系统2.1 cnc系统计算机数控（computerized numerical control，简称cnc）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。cnc系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。cnc系统由数控程序存储装置（从早期的纸带到磁环，到磁带、磁盘到目前计算机通用的硬盘）、输入输出设备、计算机数字控制装置（cnc装置）、可编程逻辑控制器（plc）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。如图2.1所示。零件加工程序计算机数字控制装置（cnc装置）可编程控制器（plc）进给轴伺服驱动装置输入输出设备进给电机位置检测器机床本体数控系统主轴伺服驱动装置主轴电机图2.1 cnc系统一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统硬件是一个具有输入输出功能的专用计算机系统，按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；测量系统检测机械的直线和回转运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服驱动系统，来修正控制指令；伺服驱动系统将来自控制系统的控制指令和测量系统的反馈信息进行比较和控制调节，控制pwm电流驱动伺服电机，由伺服电机驱动机械按要求运动。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。 控制系统硬件是具有人际交互功能，具有包括现场总线接口输入输出能力的专用计算机。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。2.1.1 cnc系统结构 cnc装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行，离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。2.1.1.1 cnc硬件结构从硬件结构上的角度，数控系统可以分为单微处理器cnc结构；多微处理器cnc结构；开放式结构。(一).单微处理器cnc结构在单微处理器结构的cnc装置中，只有一个微处理器，因此多采用集中控制，分时处理的方式完成数控机床的各项任务。有的cnc装置虽然有两个或两个以上的微处理器，但其中只有一个微处理器能够控制系统总线资源，而其它微处理器不能控制系统总线，不能访问主存储器，只能成为一个专用的智能部件，他们组成主从结构，故也属于单微处理器结构。单微处理器cnc装置组成硬件的作用： 1 微处理器微处理器是cnc装置的核心，由于所有数控功能都由一个cpu来完成，因此cnc装置的功能受微处理器的字长、数据宽度、寻址能力和运算速度等因素的限制。2 总线 总线是由物理导线构成，从功能上说，一般可以分为三组。(1)数据线：这一组线为各部件之间传输数据，线的根数与传送的数据宽度相等，它总是并行地一次传送n位宽度的一个字，采用单向线；(2)地址线：这一组线上传输的是地址信号，与数据线结合使用，以确定数据总线上传输的数据来源或目的地，采用单向线；(3)控制线：这一组线上传输的是管理总线的某些控制信号，如数据传输的读写控制、中断复位及各种确认信号，采用单向线。3 存储器存储器是用来存放数据、参数和程序的。4 plcplc用以代替传统的机床强电继电器逻辑控制。通过程序进行逻辑运算来实现m、s、t功能的译码与控制。5 位置控制cnc装置中的位置控制模块和速度控制单元、位置检测及反馈控制等组成位置环。位置环主要用于轴进给的坐标位置控制，包括工作台的前后左右移动、主轴箱的移动及绕某一直线坐标轴的旋转运动等。轴控制性能的高低对数控机床的加工精度、表面粗糙度和加工效率影响极大。 6 i/o接口对cnc装置来说,由机床向cnc传送的信号称为输入信号，由cnc向机床传送的信号称为输出信号。输入输出信号的主要类型有：直流数字输入信号，直流数字输出信号，直流模拟输出信号，直流模拟输入信号，交流输入信号，交流输出信号。（2) .多微处理器cnc装置的结构多微处理器cnc装置各模块之间的互连和通信主要采用共享总线和共享存储器两类结构。共享总线结构插补（cpu2）来自机床的控制信号输到机床的控制信号轴控制（cpu3）i/ocpu1crt（cpu4）共享存储器在共享总线结构中，将各功能模块插在配有总线插座的机框内，由系统总线把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种控制指令和数据，实现各种预定的功能。下图2.3共享总线结构框图。图2.3 共享总线结构共享存储器结构在这种多微处理器结构，采用多端口存储器来实现各微处理器之间的互连和通信，每个端口都配有一套数据、地址、控制线，以供端口访问。由专门的多端口控制逻辑电路解决访问的冲突问题。当微处理器数量增多时，往往会由于争用共享而造成信息传输的阻塞，降低系统效率。下图2.4为共享存储器结构框图。cnc管理模块（cpu）主存储器模块操作面板显示模块cnc插补模块（cpu）plc功能模块（cpu）位置控制模块（cpu）主轴控制模块总线图2.4为共享存储器结构模块化结构的多微处理器cnc装置中的基本功能模块一般有以下六种。1 cnc管理模块 管理和组织整个cnc系统的工作,主要包括初始化、中断管理、总线裁决、系统出错识别和处理、系统软硬件诊断等功能。2 cnc插补模块 完成插补前的预处理，如对零件加工程序的译码、刀具半径补偿、坐标位移量计算、进给速度处理等，之后进行插补运算，为各个坐标提供位置给定值。3 位置控制模块 进行位置给定值与检测器测得的位置实际值的比较，进行自动加减速，回基准点、伺服系统滞后量的监视和飘移补偿，最后得到速度控制的模拟电压，驱动进给电机。4 存储器模块 该模块为程序和数据的主存储器，或为功能模块间进行数据传送的共享存储器。5 plc模块 对零件加工程序中的开关功能和来自机床的信号进行逻辑处理，实现机床电气设备的起、停，刀具交换，转台分度，加工零件和机床运转时间的计数等。6 指令、数据的输入输出及显示模块 它包括零件加工程序、参数和数据，各种操作命令的输入输出及显示所需要的各种接口电路。为了满足高速化、复合化、智能化、系统化的要求，现代cnc装置多采用多微处理器结构，其主要特点是： 多微处理器结构多采用模块化结构，具有比较好的扩展性。 多微处理器结构的cnc装置可提供多种选择功能,可以配置多种控制软件,因此可适用于多种机床的控制。 系统的集成度和可靠性高。 具有很强的通信能力,能很方便地进入fms、cims。 能够进行多种语言显示。2.1.1.2 cnc软件结构常见的cnc装置软件结构有前后台式软件结构和中断式软件结构。 前后台式软件结构前后台式软件结构适合于采用集中控制的单微处理器结构的cnc装置。在这种软件结构中，cnc系统软件由前台程序和后台程序组成。前台程序为实时中断程序，承担了几乎全部的实时功能，这些功能都与机床动作直接相关，如位置控制、插补、辅助功能处理、监控等。后台程序主要用来完成准备工作和管理工作，包括输入、译码、插补准备及管理，通常称为背景程序。背景程序是一个循环运行程序，在其运行过程中实时中断程序不断插入，前后台程序相互配合完成加工任务。 中断式软件结构中断式软件结构没有前后台之分，除了初始化程序外，把控制程序安排成不同级别的中断服务程序，整个软件是一个大的多重中断系统。系统的管理功能主要通过各级中断服务程序之间的通信来实现。中断式软件结构适用于多微处理器结构的cnc装置。2.1.2 cnc系统选择数控系统诞生到现在的数十年间已经发展出很多种，国外的如西门子数控系统、fanuc数控系统、三菱meldas数控系统、海德汉数控系统、西班牙fagor数控系统、法国num数控系统；国内的如华中数控、广州数控等。其中fanuc数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全面的功能，适用于各种机床和生产机械，其市场占有率远远超过其他数控系统，应用最为普遍。其具有以下特点：（1） 系统在设计中大量采用模块化结构；（2） 具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力；（3） 有较完善的保护措施；（4） fanuc系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能；（5） 提供大量丰富的pmc信号和pmc功能指令；（6） 具有很强的dnc功能；（7） 提供丰富的维修报警和诊断功能 。综上所述，我们选择fanuc系统，在这里选择fanuc-0i md 系统。 2.2 pmc可编程程序机床控制器2.2.1 pmc简介pmc(programmable machine tool controller)是安装在cnc内部负责机床控制的顺序控制器。可编程控制器( plc )是20世纪60年代发展起来的一种新型自动化控制装置, 因为有其特有的优点,目前已广泛应用于各种工业设备。在数控机床中应用的可编程控制器 称为可编 程机床控制器(programmable machine controller ,pmc)。可编程机床控制器在数控系统中显示出了越来越重要的地位, 在很多先进的数控系统中, 都是由pmc处理整个数控机床的动作逻辑顺序。可以看得出来, pmc是整个机床能否按事先编辑好的逻辑顺序正常工作的关键环节。国内外先进的数控系统中都是用内装式(build - intype)可编程机床控制器 (pmc)对该机床的各个机械部分及信号实现了逻辑顺序控制, 扩展了数控系统的功能, 大大提高了数控系统的柔性, 针对具体的机床, 开发出性价比高的数控系统。2.2.2 pmc与cnc关系数控系统有两大部分，一是nc、二是pmc，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的可以这样来划分nc和plc的作用范围：实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制这个任务是由nc来完成；机床辅助设备的控制是由plc来完成它是在数控机床运行过程中，根据cnc内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。nc和plc的接口方式遵循国际标准“isso 43361981(e)机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：与驱动命令有关的连接电路；数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路；电源及保护电路；通断信号及代码信号连接电路；从接口分类的标准来看，第一类、第二类连接电路传送的是数控装置与伺服单元、伺服电机、位置检测以及数据检测装置之间控制信息。第三类是由数控机床强电电路中的电源控制电路构成。通常由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、继电器、接触器等等构成。为其他电机、电磁阀、电磁铁等执行元件供电。这些相对于数控系统来讲，属于强电回路。这些强电回路是不能够和控制系统的弱电回路直接相连接的，只能够通过中间继电器等电子元器件转换成直流低压下工作的开关信号，才能够成为plc或继电器逻辑控制电路的可接受的电信号。反之，plc或继电器逻辑控制来的控制信号，也必须经过中间继电器或转换电路变成能连接到强电线路的信号，再由强电回路驱动执行元件工作。第四类信号是数控装置向外部传送的输入输出控制信号。2.2.3 pmc在cnc的控制功能1 操作面板的控制操作。面板分为系统操作面板和机床操作面板。系统操作面板的控制信号先是进入nc，然后由nc送到plc，控制数控机床的运行。机床操作面板控制信号，直接进入plc，控制机床的运行；2 机床外部开关输入信号。将机床侧的开关信号输入到送入plc，进行逻辑运算。这些开关信号，包括很多检测元件信号(如：行程开关、接近开关、模式选择开关等等)；3 输出信号控制。plc输出信号经外围控制电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象；4 功能实现。系统送出t指令给plc，经过译码，在数据表内检索，找到t代码指定的刀号，并与主轴刀号进行比较。如果不符，发出换刀指令，刀具换刀，换刀完成后，系统发出完成信号；5 m功能实现。系统送出m指令给plc，经过译码，输出控制信号，控制主轴正反转和启动停止等等。m指令完成，系统发出完成信号。2.2.4 cnc-pmc-mt接口信号pmc、cnc( 计算机数控装置) 和 mt( 机床) 之间的信息交换包括4个部分，如图2.1所示。图2.1 cnc、pmc和mt之间信号传递1) cnc传送给pmc。f信号是由cnc系统部分输入到pmc的信号，系统部分将伺服电动机的状态，以及请求相关机床动作的信号( 如移动中信号、位置检测信号、系统准备完毕信号等) 反馈到pmc中去进行逻辑运算，以作为机床动作的条件及进行自诊断的依据。其地址范围为f0f255。2)pmc传送给cnc。g信号是由pmc侧输出到cnc系统部分的信号，对系统部分进行控制和位置反馈( 如轴互锁信号、m代码执行完毕信号等)。其地址范围为g0g255。需要说明的是，f、g信号的地址和含义由数控系统生产商确定，pmc编程者只能使用而不能改变。3)pmc传送给mt。y信号是由pmc输出到机床侧的信号。在pmc控制程序中，根据自动控制的要求，输出信号控制机床侧的电磁阀、接触器、信号指示灯动作，以满足机床运行的需要。内装i/o的地址是从y1000开始的，而i/o link的地址是从y0开始的。4) mt传送给pmc。x是来自机床侧的输入信号(如接近开关、极限开关、压力开关、操作按钮、对刀仪等检测元件)，内装i/o的地址是从x1000开始的，而i/o link的地址是从x0开始的。pmc接收从机床侧各检测装置反馈回来的输入信号，在控制过程中进行逻辑运算，以此作为机床动作的条件及对外围设备进行自诊断的依据。一般情况下，x、y地址可在其有效范围内由plc编程者任意指定，但是数控系统定义的专用输入地址及含义不能改做他用( 如x8.4为外部急停信号，由数控系统直接处理而不由plc处理)。第三章 系统硬件选择3.1 b轴伺服系统选择伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。3.1.1 伺服电机的选择伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。1、直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。2、交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。3、伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的u/v/w三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。交流伺服电动机主要由定子和转子构成。定子铁心通常用硅钢片叠压而成。定子铁心表面的槽内嵌有两相绕组，其中一相绕组是励磁绕组，另一相绕组是控制绕组，两相绕组在空间位置上互差90电角度。工作时励磁绕组f与交流励磁电源相连，控制绕组k加控制信号电压。内部结构如下图3.1 。图3.1 交流伺服电动机结构交流伺服电动机在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩而静止不动。当有控制电压且控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，则在气隙中产生一个旋转磁场并产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向旋转。但是对伺服电动机要求不仅是在控制电压作用下就能启动，且电压消失后电动机应能立即停转。如果伺服电动机控制电压消失后像一般单相异步电动机那样继续转动，则出现失控现象，我们把这种因失控而自行旋转的现象称为自转。 为消除交流伺服电动机的自转现象，必须加大转子电阻r2，这是因为当控制电压消失后，伺服电动机处于单相运行状态，若转子电阻很大，使临界转差率sm1，这时正负序旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性曲线以及合成转矩特性曲线如图3.2所示。由图中可看出，合成转矩的方向与电机旋转方向相反，是一个制动转矩，这就保证了当控制电压消失后转子仍转动时，电动机将被迅速制动而停下。转子电阻加大后，不仅可以消除自转，还具有扩大调速范围、改善调节特性、提高反应速度等优点。 图3.2 伺服电动机单相运行时的m-s曲线伺服电机与步进电机比具有以下优点：1、精度：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题； 2、转速：高速性能好，一般额定转速能达到20003000转； 3、适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用； 4、稳定：低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合； 5、及时性：电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； 6、舒适性：发热和噪音明显降低。根据负载惯量选择伺服电机 为了保证轮廓切削形状精度和低的表面加工粗糙度，要求数控机床具有良好的快速响应特性。随着控制信号的变化，电机应 较短的时间内完成必须的动作。负载惯量与电机的响应和快速移动acc/dec时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令变化时， 机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进行圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一些。因此，加电机轴上的负载惯量的大小，将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。当负载惯量5倍以上时，会使转子的灵敏度受影 电机惯量和负载惯量 必须满足： 由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。由于b轴是分度运动，是圆柱体惯量如滚珠丝杠，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算： （1.1）：材料的密度(kg/m3)，这里；d为工作台的直径(m)；l为圆柱体的长度(m)。现在工作台是高度300mm、直径400mm的圆柱体，经计算其负载的转动惯量为。将此负载惯量折算到电动机轴上，计算采用如下公式： （1.2）z为电动机驱动的机械减速比，本作台采用减速比为20:1的涡轮蜗杆和2:1的减速机（见3.1.2）传动，因此可算出折算到电动机轴上的负载惯量。由于当电动机轴上的负载惯量等于或者小于电动机转子的惯量，电动机会稳定的工作。所以在这里选择西门子的1ft5076-0ac71，其转子转动惯量0.00509，而且其法兰尺寸为142x142,其占有空间较小，满足该系统要求。3.1.2 伺服放大器选择伺服放大器也叫伺服驱动器，是用来控制伺服电机的一种控制器。 主要用途：其作用类似于变频器作用于普通交流马达。主要应用于高精度的定位系统。目前是传动技术的高端产品。 目前主流的伺服放大器均采用数字信号处理器（dsp）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（ipm）为核心设计的驱动电路,ipm内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦pwm电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是ac-dc-ac的过程。整流单元（ac-dc）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服放大器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。伺服放大器的要求：1、调速范围宽2、定位精度高3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性4、快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。5、低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。6、可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。私服放大器的选型根据电机功率，和定位精度、安装尺寸、是否需要闭环、成本选择驱动器；选择驱动器时，不仅需考虑和电机的匹配，还需考虑控制方式。选择适合自己控制器的控制方式，也很重要。 主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。smartstep a系列结合了伺服的简单易用特点，同时具备在高速、高矩的情况下段时间内完成定位，在负荷急剧变化的情况下仍能保持状态稳定等，是具有很高可靠性的伺服驱动器。这里选择r7d-apa3h伺服驱动器。图3.3为r7d-apa3h伺服驱动器外部结构。注：本系列使用电压：主回路电源： 单相ac200/230v(170253v)50/60hz控制回路电源：单相ac200/230v(170253v)50/60hzl1主电路电源输入端l2 1抑制电源谐波用直流电抗器连接端子 2l1c控制电源输入端子l2cb1外置再生电阻连接端子b2u马达连接端子vwcn1控制输入输出用连接器cn2编码器输入用连接器cn3通信用连接器图3.3 r7d-apa3h伺服驱动器外部结构表3.1参数模式见表3.1。 prm.no.参数名称说明位no.名称设定说明pn000基本开关10反转方向0+指令为ccw方向回转1控制模式选择1+指令为cw方向回转pn001基本开关20伺服off时、报警发生时选择停止0用动力制动器停止马达1用动力制动器停止马达，停止后解除动力制动器2用自由运转停止马达pn100速度回路增益调整速度回路的响应性pn101速度回路积分时间常数速度回路的积分时间常数pn102位置回路增益调整位置回路的响应性pn110在线自动调整设定0在线自动调整选择0接通电源后，只进行运转初期的自动调整1保持自动调整2不自动调整pn200位置控制设定10指令脉冲方式1偏差计数器复位2伺服off时、报警发生时的偏差计数器复位3.1.2 机械传动装置选择减速机采用行星齿轮减速机，减速比为2:1。行星齿轮减速机主要传动结构为：行星轮，太阳轮，内齿圈。行星减速机因为结构原因，单级减速最小为3，最大一般不超过10，常见减速比为：3.4.5.6.8.10，减速机级数一般不超过3，但有部分大减速比定制减速机有4级减速。相对其他减速机，行星减速机具有高刚性、高精度(单级可做到1分以内)、高传动效率(单级在97%-98%)、高的扭矩/体积比、终身免维护等特点。因为这些特点，行星减速机多数是安装在步进电机和伺服电机上，用来降低转速，提升扭矩，匹配惯量。行星减速机额定输入转速最高可达到18000rpm(与减速机本身大小有关，减速机越大，额定输入转速越小)以上，工业级行星减速机输出扭矩一般不超过2000nm，特制超大扭矩行星减速机可做到10000nm以上。工作温度一般在-25到100左右，通过改变润滑脂可改变其工作温度。行星齿轮减速机结构如下图3.3。图3.3 行星齿轮减速机结构分度头与伺服电机机械传动装置采用涡轮蜗杆传动机构，其传动比为20:1。蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条，蜗杆又与螺杆形状相似。 机构的特点1.可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑。2.两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。3.蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。4.具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在起重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。涡轮蜗杆结构图如下图3.4。图3.4 涡轮蜗杆结构图第四章 pmc控制系统设计4.1 pmc顺序程序设计pmc（programmable machine control）就是可编程的机床控制器，将符号化的梯形图程序在内部转化成某种格式（机器语言），cpu即对其进行译码和运算，并将结果存储在ram和rom中，cpu高速读出存储在存储器中的每条指令，通过运算来执行程序。对于fanuc的pmc来说，其程序结构如下：第一级程序第二级程序第三级程序（视pmc的种类不同而定）子程序结束，其中第一级程序用于响应速度快的要求信号处理程序，如：急停，保持进给。第二级程序用于响应速度不需要高信号15。如图4.1：图4.1 fanuc的pmc程序结构在pmc执行扫描过程中第一级程序每8ms 执行一次，而第二级程序在向cnc的调试ram中传送时，第二级程序根据程序的长短被自动分割成n等分，每8ms中扫描完第一级程序后，再依次扫描第二级程序，所以整个pmc的执行周期是n*8ms。因此如果第一级程序过长导致每8ms扫描的第二级程序过少的话，则相对于第二级pmc所分隔的数量n就多，整个扫描周期相应延长。而子程序是位于第二级程序之后，其是否执行扫描受一二级程序的控制，所以对一些控制较复杂的pmc程序，建议用子程序来编写，以减少pmc的扫描周期。图4.2为程序执行顺序。图4.2 程序执行顺序要点：为了减少pmc循环处理周期时间，建议在保证程序的逻辑正确性前提下，减少一级程序的同时，可以采用子程序的结构处理。这样既可以使程序结构模块化，便于调试和维修，也可以在某些功能的子程序不用时，减少循环处理时间。4.2 pmc一级程序设计紧急停机处理程序：轴限位开关与急停按钮串联后输入到 pmc x8.4 中，并增加了报警主轴，主轴停止的条件。第一级是每个8ms进行读取的程序。不使用第一级时，只编写end1命令。第一级程序见下图4.3。图4.3 第一级程序x8.4(esp):紧急停止信号 g8.4(esp):紧急停止信号f45.0(alma):报警信号（串行主轴）f1.7(ma):准备结束信号（串行主轴）g71.7(espa):动力线状态确认信号（串行主轴）g70.7(mrdya):基础准备结束信号（串行主轴）当机床不处于紧急停止状态，无报警信号（串行主轴），且准备结束信号完成时，输出g8.4(esp)，g71.7(espa)，g70.7(mrdya)。g8.5(*sp):进给暂停信号f9.7(dm0):m译码信号当机床处于紧急停止状态且信号r22.0，r72.0，f9.7闭合导通后输出g8.5(*sp)。程序如下图4.4。图4.44.3 pmc二级程序设计二级程序主要是对操作面板按钮、波段开关与指示灯进行定义和功能化处理，对m 、s、t、b 功能进行译码并进行功能处理以及处理报警信号。（1）面板上的按扭、波段开关功能化处理fanuc共有55个按钮，机床面板包括主面板和子面板。见表 4.1。表 4.1主面板按钮功能工作模式选择按钮子面板按钮功能进给速度倍率波段开关轴和方向控制按钮主轴速度倍率开关辅助功能存储器保护键开关手动按钮控制程序1）面板模式按钮的功能操作面板上的工作模式选择按钮是用来实现工作模式的选择，pmc对按钮进行组合，然后出送到g43.0 - g43.2，cnc通过g43.0- g43.2组合可以切换相应的工作方法，pmc 为了便于在不同的方式作相应的处理，对各个工作方式进行了标定。见下图4.5。图4.5 工作模式2）程序控制按扭功能的实现程序控制按扭：试运行、单段、段跳、机床闭锁、程序再启动等按钮，是通过初值为 0 预置为 1 的加计数器来实现保持按钮的功能，计数器的结果直接或串入相关条件后输入到相应的 g 地址，并点亮相应按钮的指示灯，其程序与 home 方式选择按扭相似。3）子面板波段开关功能的实现进给倍率：进给倍率旋转开关(见图 4.7)的21个不同的位置对应着21个不同的（6个）开关状态；通过对21个状态的译码，使得g12地址设定相应的二进制数。切削进给速度倍率信号共有8个二进制编码信号与倍率值相对应：倍率值=，当*fvi 信号全为0或1是，倍率为0，因此，倍率可以在0-254%的范围内以1%为单位进行调整。具体的译码程序略。二进制编码如图4.6。图4.6 二进制编码主轴速度和进给倍率的处理方式基本类似。图 4.7 进给倍率旋转开关（2）实现 m、s、t、b 指令的功能m、s、t 每次使用不同的编程地址和不同的信号，每个地址与信号在此机上都在使用，如表 4.2，并且用同样的方法输入和输出信号。表 4.2 m、s、t、b指令功能功能指令输出信号输入信号代码选通信号分配结束信号结束信号主轴速度ss00-s31sfdenfin第二辅助bb00-b31bf刀具tt00-t31tf辅助mm00-m31mf举一个例子来说明 m 功能实施过程（s、t、b 功能类似）：第一步：数控系统中执行 m 加工程序指令；第二步：3010参数设定时间后，其中标准时间是 16ms，选通脉冲信号 mf（f7.0）设置为 1，如果移动，暂停主轴转速或其他功能同时指示，在辅助功能发送时，开始执行其余功能）。第三步：选通信号 mf 设置为 1，pmc 读取编码信号，并执行相应的操作。第四步：在程序段结束后指定移动，暂停或其它功能，等待分配结束信号 den (f1.3)为1执行其他操作。第五步：同时运行这些功能，将其信号设置为1，必须等待直到完成所有功能，fin（g4.3）。操作结束后，pmc将信号fin（g4.3）设置为 1。第六步：如果fin（g4.3）信号为1的时间尝过参数3011的tfin周期，数控mf（f7.0）脉冲信号设为“0”。第七步：当数控选通脉冲信号mf（f7.0）设置为“0”，在pmc程序，将信号fin（g4.3）设置为0。第八步：当结束信号fin（g4.3）设为0时，数控mf，sf，tf，bf)信号设置为0，fin（g4.3）信号设置为0。第九步：一旦其它指令相同的程序段已经完成，数控分配结束信号den(f1.3)为1和执行一个程序段。上述过程时序图所示在图 4.8。图 4.8 m功能时序图4.4 b功能设计4.4.1 控制要求1） 分度头工作台轴采用pmc轴控实现运动控制；2） 分度头以360循环，实现360分度，最小分度为1，分辨率为0.01；3）系统要具有多个地方控制进行急停的功能，并且能进行手动和自动切换，且手动切换不会影响自动程序运行。4）程序编制采用梯形图语言，各部分保护设计齐全可靠。4.4.2 b轴控制方式解决问题的方法有很多，我们需要在其中选取最佳方案，使系统安全可靠运行，并尽最大可能获得最大经济效益。通过对fanuc-oi md系统中b功能设计，完成工作台分度头的设计。由于fanuc系统中对分度头设计有三种轴控制功能：基于pmc轴的分度头功能设计、基于数控轴的分度设计和基于i/o link轴的分度头设计。其中基于分度数控轴的分度设计是由cnc控制第四轴，这种轴控制方式控制功能强大、定位精度高，但价格昂贵；而pmc轴控制和i/o link轴控制在精度要求不高的情况下是一种性能可靠、成本投入更加优化的控制方式。而从三者使用资源上看下表4.3。表4.3 三种轴控制使用资源轴控制方式数控轴控制 pmc轴控制i/o link轴控制占用轴数占用系统基本轴，占用系统联动轴占用系统基本轴，不占用系统联动轴不占用系统联动轴 ，不占用系统联动轴优缺点优点：二种控制功能可以切换缺点：占用i/o点且不能切换通过上面的比较我们可以发现pmc轴控制功相对于i/o link轴控制功能 具有得天独厚的优势：第一、pmc控制轴可以与cnc轴自由的切换，不受限于硬件的限制。由于cnc控制轴功能的参与，加工精度切实可靠； 第二、pmc 控制轴不需要像i/o link控制轴那样改动硬件。只需在pmc程序里使对应的g信号点为1即可。使用结束后再令对应的g信号为0即切换回cnc轴控制，执行系统插补指令。以上二大优点可以使得不另外增加联动轴数、不更改硬件的情况下，令加工过程中最大限度地优化。可以使得企业不增成本的情况下利用设备最大潜能，增加产出，达到利益的最大化。因此我们采用基于pmc轴的分度头功能设计。pmc轴控制功能的运动三要素：运动方式、运动位移、运动速度。用pmc 轴控制时是由pmc给出的，而不用系统的插补指令。使用pmc控制坐标轴，能控制刀架、交换工作台、分度工作台和其它外围装置。pmc轴可实现的运动功能 ：(1) 快速移动指令的距离。 (2) 切削进给每分进给，移动指令的距离； (3) 切削进给每转进给，移动指令的距离； (4) 跳转每分进给，移动指令的距离；(5) 暂停；(6) 连续进给； (7