加工中心控制系统改造研究毕业设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文） 毕 业 设 计 (论 文)题 目：加工中心控制系统改造研究院 （系）：桂林电子科技大学机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 曲津津 班 级： 20060197121 学 号： 2006019712105 指导教师： 刘建伟 2010年 3月30日- 58 -摘 要 数控机床是当今机械制造业中实现机电一体化的代表性先进装备。随着先进制造业的不断发展，对旧数控机床的数控化改造，特别是加工中心数控化改造工程研究已经成为摆在我们面前迫切而艰巨的任务。本文详细阐述了美国辛辛那提米拉克龙机床公司制造的T40加工中心数控化改造工程研究的过程。在分析原加工中心的数控系统、伺服系统、逻辑控制、机械结构的基础之上，利用SIEMENS840数控系统、SIMODRIVE 611D伺服驱动系统、SIMATIC S7-300PLC对其进行了改造并根据机床的具体配置和要求，对机床参数进行正确设置和调试，改造后对企业的加工对象进行了批量加工，运行状态良好，获得了较好的经济效益和社会效益。关键词： 数控；加工中心；改造；工程研究Abstract NC(numerical control) machine is the representative of advanced equipment toachieve mechatronics in current machine production industry. With thedevelopment of advanced manufacturing industory，the NC reform of old NCmachine, especially the research of the NC reform of machining center has becomean urgent and arduous task before us. This paper describes the reconstruction process of CNC machine center which manufactured by CINCINNATI MILACRON T40 .On the basis of the analysis of the NC system, servo system, logic control and mechanical structure of the center, the SIEMENS 840D, SIMODRIVE 611D servo drive system and SIMATIC S7300PLC are utilized to make reform on it. After the correct settings and debug，the new center is put into use in batch production of machining object and proved to run well and obtain a good economic benefits and social effect. Keywords： NC, Machining center, Reform, Engineering research目 录第1章 绪 论11.1 机床数控技术的发展概况11.1.1 历史11.1.2 现状11.1.3 发展趋势21.2 机床数控化改造的需求31.2.1 市场需求31.2.2 必要性和迫切性41.2.3 可行性41.2.4 数控化改造的内容41.2.5 数控化改造的优点51.3 课题来源和研究的意义51.3.1 来源51.3.2 设备现状51.3.3 工作的意义61.4 本文的工作6第2章 机床数控改造的整体方案设计和数控系统配置选择82.1 加工中心结构分析82.1.1 结构介绍与技术现状82.1.2 欲改造部分82.2 加工中心改造方案的设计和确定82.2.1 改造整体方案82.2.2 改造后达到的技术功能、性能分析102.3 数控系统的选择和功能分析112.3.1 CNC技术分析112.3.2 840D数控系统的功能17第3章 数控改造机电匹配接口设计和PLC控制193.1 数控机床PLC控制技术193.2 加工中心的PLC功能223.3 S7-300PLC技术性能与程序调整233.3.1 840D数控系统的S7-300 PLC主要技术性能233.3.2 S7-300PLC基本程序调整243.3.3 S7-300组态253.4 加工中心PLC程序设计和应用实例253.4.1 手轮PLC控制253.4.2 自动换刀控制(ATC)273.4.3 工作台托板自动交换控制293.4.4 主轴自动换档控制31第4章 数控进给伺服系统设计研究3441 伺服系统工作原理344.1.1 开环、闭环伺服系统原理344.1.2 交、直流伺服系统特点分析354.1.3 交流伺服系统的性能指标354.1.4 数控机床对交流伺服系统的性能要求364.2 加工中心交流伺服电动机的类型及其工作原理364.2.1 交流伺服电动机的类型364.2.2 交流伺服电动机的工作原理374.3 加工中心进给伺服系统设计分析374.3.1 进给伺服系统的数学模型及其定性分析374.3.2 加工中心数据计算、分析454.3.3 交流伺服系统选择47第5章 系统的调试与运行485.1 系统调试485.2 系统试运行485.3 机床数据的调整485.3.1 840D进给轴数据设定485.3.2 轴软、硬限位参数设定505.3.3 机床参考点参数设定515.4 数据备份525.5 用户报警525.6 螺距补偿52结 论53参考文献54致 谢55第1章 绪 论1.1 机床数控技术的发展概况1.1.1 历史数控机床是机电综合技术在机械加工领域中的典型产品，它是将计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术集中于一体的自动化设备，具有高精度、高效率和高适应性的特点。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。采用数控机床提高机械加工效率，是当前我国机械制造行业技术改造、技术更新的发展之路。新型数控机床和加工中心已成为柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)、乃至计算机集成制造系统(CIMS)和无人自动工厂(FA)中不可缺少的基础设备。 电子技术和计算机技术的发展，极大地推动了数控技术的发展。机床数控装置的研制开始于四十年代的美国麻省理工学院，五十年代出现了采用电子管及继电器的数控技术，六十年代以后，随着半导体技术的发展，晶体管代替了电子管，出现了小规模的集成电路数控装置，但是机构仍然十分庞大，可靠性差，并且费用高。新型数控技术是20世纪70年代发展起来的机床控制新技术。小型计算机用于数控技术，使数控技术进入了计算机数控(CNCComputer Numerical Control)阶段，它综合运用了计算机技术、测量技术、信息处理技术和机械制造等最新成果。加工精度越来越高，加工效率也有了很大提高。到20世纪90年代基于PC的模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统得到迅速发展，以适应当今市场越来越需求适合中小批量加工、具有良好柔性和多种加工功能的制造系统的发展趋势。数控机床是由普通机床演变而来的。它的控制采用计算机数字控制方式，它各个坐标方向的运动均采用单独的伺服电动机驱动，取代了普通机床上联系各坐标方向运动的复杂齿轮传动链。其工作原理是将加工零件的几何信息和工艺信息编制成程序，由输入装置送入计算机，经过计算机的信息处理和插补运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转化、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使各轴精确地走到所要求的位置。1.1.2 现状我国目前机床总量400余万台，而其中数控机床总数只有12万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.8-1.0万台，年产值约为20亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上;10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%, FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数(美国和日本自动和半自动机床占60%以上)。1.1.3 发展趋势 为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势川主要体现在以下几个方面: 1、高速、高效、高精度、高可靠性 要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间;要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。 1)高速、高效机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。新一代数控机床(含加工中心)只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。高速主轴单元(电主轴，转速15000- 1 00000r/min )、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60-120m/min，切削进给速度高达60m/min )、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 2)高精度 从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(1Onm )，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削(车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。 近10多年来，普通级数控机床的加工精度己由1Oum提高到5um，精密级加工中心的加工精度则从35um，提高到11.5um。 3)高可靠性 是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t) = 99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10: 1的话(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。 2、模块化、智能化、柔性化和集成化 1)模块化、专门化与个性化机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。2)智能化 为追求加工效率、加工质量、驱动性能、使用连接方便、简化编程操作、诊断、监控的智能化，数控系统中应具备自适应控制、工艺参数自动生成、前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定、自动编程、系统的诊断及维修等功能。 3)柔性化和集成化 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(FMC, FMS, FTL, FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分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。CNC单机向高精度、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CAD, CAM, CAPP, MTS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。3、开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，美国、欧共体及日本相继设计生产开放式的数控系统。 4、出现新一代数控加工工艺与装备为适应制造自动化的发展，向FMC, FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头(有时带坐标变换)、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统;由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。1.2 机床数控化改造的需求1.2.1 市场需求 1、机床数控化改造的市场大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大多数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。2、进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转不良;有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等，造成项目不完整，设备潜力不能发挥;有的甚至不能启动运行，没有发挥应有的作用;有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标;有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损;有的己引进较长时间，需要进行技术更新。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。1.2.2 必要性和迫切性 1、数控机床对比传统机床有以下突出的优越性。 1)可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。这是由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴应该运动的运动量，这就可以加工复杂的曲线和曲面。 2)可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化。从而效率可比传统机床提高三到七倍。 3)加工出零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4)可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。多工序是在同一基面、同一次装夹下实现。 5)拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。因此劳动生产率提高和生产周期缩短，效益非常明显。 2、利用少量资金进行数控化改造可以发挥明显效益我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家落后20年。因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性和迫切性。上世纪80年代，陆续从国外引进了很多中高档数控机床，有的服役期满，有的不能正常工作，处于闲置，造成巨大资源浪费。这些机床共同之处在于机械部分基本完好，精度较高，主要是由于数控系统出现问题而又难以购置配件，不能满足正常生产的需要和现代高精度、高速度和高可靠性的加工要求。如果利用进口数控系统对现有数控设备进行数控化改造，只需几十万元就能发挥现有设备的作用，而购置一台新的同性能的数控机床则需要几百万甚至上千万的资金，因此，对我国来说数控机床的数控化改造，尤其是加工中心的数控化改造具有明显的经济效益与社会效益，非常迫切。1.2.3 可行性 1、数控系统日趋成熟，特别是SIEMENS系统、FANUC系统功能齐全、性能稳定； 2、机床功能模块化技术已经成熟，更换方便； 3、经过若干年的锻炼，培养出一批掌握现代数控机床改造的队伍； 4、原有机床机械基础较好；综上所述，数控机床的数控化改造具有可行性。1.2.4 数控化改造的内容 1、恢复原功能，对机床存在的故障部分进行诊断并恢复; 2、利用国外先进数控系统，对机床进行数控化改造; 3、翻新，为提高精度、效率和自动化程度，根据改造需要对机械、电气部分元器件进行更换，对机械部分重新修配调整，恢复原精度;4、技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。1.2.5 数控化改造的优点 1、减少投资额、交货期短 同购置新机床相比，一般可以节省60%-80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3,交货期短。 2、机械性能稳定可靠，结构受限 所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。 3、熟悉了解设备、便于操作维修 购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力;另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早己了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。 4、可充分利用现有的条件 可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。 5、可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。1.3 课题来源和研究的意义1.3.1 来源上世纪80年代初，我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进的CNC装置和伺服系统的生产技术，并陆续投入了机床生产，配置并且引进了大量当时先进昂贵的数控机床。由于国外数控系统、驱动系统厂家的产品更新加快，原有产品早已停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在8-15年。针对桂林机床股份有限公司引进的T40数控加工中心进行数控化改造，既可节省大量资金，又可充分发挥设备作用，具有重要的现实意义。1.3.2 设备现状 辛辛那提米拉克龙机床公司产T40卧式加工中心是桂林机床股份有限公司从美国购买的二手设备，购置后一直未能正常使用，处于闲置，现需要对其进行改造，完成后投入生产。T40数控加工中心由机床主体、数控系统、伺服系统、主轴控制系统、辅助控制系统等五部分组成。机床主要功能及组成: 1、坐标轴 坐标: X, Y, Z, B(工作台)、C(主轴)、W(刀库)。 原配系统: ACRAMATIC 950MC系统。驱动: 直流伺服电机。位置检测: X, Y, Z轴采用感应同步器，B, W轴采用圆光栅。行程: X710mm, Y650mm, Z650mm;进给速度: 12 -4000mm/min。快速进给：24000mm/min; B, W 0360。 2、主轴 主轴电机:交流电机，主轴转速:126000 rpm. 3、刀库 机床带有旋转式双工位交换站及60把伺服驱动刀库，交换工作台由液压油缸驱动。 4、交换工作台 A, B两个工作台，由液压油缸驱动。 5、液压工作站 主要供主轴换刀油缸、刀库各油缸、工作台交换油缸。液压各动作由电磁阀控制实现。 6、机床控制机床电气系统是由大量继电器构成的逻辑控制电路，通过接受由控制面板及机床各部分位置开关传来的信号，经硬件逻辑运算，确定并控制机床各部分工作。从功能上，它可分成六个部分: 主轴运行控制; 五个坐标轴运行控制; 各坐标轴伺服电机调速系统控制; 装卸刀、 润滑系统、 冷却液、 液压系统等辅助功能控制: 交换工作台过程控制和刀库定位控制及换刀控制。1.3.3 工作的意义桂林机床股份有限公司辛辛那提米拉克龙机床公司产T40卧式加工中心,电气设备都己落后并老化，设备故障频繁。随着公司的发展加工中心的作用越来越重要，同时这些设备也日益难以满足公司对成套机械设备生产的要求。因此公司决定要对这批大型设备进行技术改造以满足生产的要求。T40卧式加工中心就被公司列为首选改造的对象，该设备安装投产后主要用于加工箱体类零件、以及高精度和普通机床难以加工的工件。由于电气的老化和落后，加工中心在使用过程中频繁出现突然停机，程序紊乱等故障，使设备无法连续正常运转。其自动换刀控制(ATC)长期不能正常使用。该设备数控系统ACRAMATIC 950MC是现己停产或即将淘汰产品。由于这些电气设备己老化以及此数控系统的停产致使配件的维修更换费用昂贵等，给设备的维修带来了极大的困难，严重影响了公司的正常生产，故公司决定对该设备进行彻底改造，恢复机床原有数控功能，保证自动换刀可靠运行，提高设备作业效率。该加工中心机械、液压部分性能良好，各个部件磨损较少，经过改造完全可以发挥并且提高机床原有加工性能，同时也可以节省购买新机床的大量资金。1.4 本文的工作 本课题的研究是基于对桂林机床股份有限公司辛辛那提米拉克龙机床公司产T40卧式加工中心数控化改造工程进行的。改造过程中首先分析机床的特点，确定使用西门SINUMERIK 840D数控系统和SIMODRIVE 611D驱动单元改造方案，并结合机床配置进行机床参数设置;然后编制机床PLC(Programmable LogicalController)的控制程序并对程序进行调试;最后对伺服轴的驱动参数进行优化和系统综合调试运行。文中针对加工中心改造所选用的840D数控系统，通过对伺服驱动单元原理的理论分析，建立控制系统数学模型并分析其特性，从理论上确定控制参数的优化和匹配，为现场参数整定提供依据，缩短驱动控制参数现场调试时间。在整个项目的改造过程中主要完成以下几方面的工作:1、在对加工中心的生产工艺、操作编程、技术性能指标认真分析的基础之上，结合加工中心的实际情况提出改造选型方案和数控系统配置;2、对加工中心控制逻辑进行研究，编写其PLC控制程序;3、对S7-300 PLC硬件进行组态，使用Step软件重新编制所有机床PLC控制程序，并对各部分进行调试;4、 完成西门子840D数控系统和驱动单元611D等设备在机床上的安装调试;5、根据机床的具体配置和要求，对机床参数进行正确设置;6、对伺服驱动单元的控制原理进行分析，建立机床控制系统数学模型，并采用PID控制算法对系统进行控制，改善系统的性能，在理论上对速度环和位置环等机床驱动参数进行确定，从而为现场参数整定提供理论依据;7、完成全部系统的综合调试任务，包括电气、液压、气动和机械等方面。第2章 机床数控改造的整体方案设计和数控系统配置选择2.1 加工中心结构分析2.1.1 结构介绍与技术现状该机床应用广泛，最适用于复杂箱体多工作面的铣、钻、锉、铰、攻丝、二维、三维曲面等多种工序加工，具有在一次装夹中完成箱体孔系和平面多工序精确加工的良好性能。加工中心原数控系统采用的是ACRAMATIC 950MC系统，驱动单元为西门子公司直流伺服驱动及电机，有的不能正常工作，有的缺少备件，机械部分基本完好。数控轴X, Y, Z,B,C全部是闭环控制，X,Y,Z和B四轴联动。带有刀库和自动换刀装置，具有旋转工作台和双托板自动交换功能。工作台在横床身X轴向移动，Y轴带有自动垂直夹紧，液压自动松开，工作台分度配有圆光栅闭环检测装置，分度精度高，保证同轴度;框型立柱正挂箱、对称设计，主轴为数控进给主轴，闭环控制;刀库为单独有地基的链式刀库，通过位置地址识别刀具，容量60把(刀具直径125mm);机床设有自动排屑装置及全封闭防护罩;机床主轴配有四个冷却喷嘴，用户可以根据需要直接编程使用。主电机采用交流电机实现无级传动，X. Y, Z进给坐标采用直流伺服电机带动滚珠丝杠无级传动，B, W坐标采用直流伺服电机带动双蜗杆传动、消除间隙、实现无级传动。2.1.2 欲改造部分1、电气控制系统设计。包括电气原理图设计，计算电机扭矩，选定电机，确定各坐标位置反馈方式。2、数控系统及驱动单元、伺服电机更换，其他电气部分检修改造，需要更换的予以更换，配置SINUMERIK 840D数控系统及其安装调试。根据数控系统的特点和机床的要求，调整系统机床参数。3、可编程控制器(PLC)的设计。利用SINUMERIK 840D数控系统内的可编程控制器进行逻辑控制及信息处理;根据机床操作及运动要求编制控制程序。使数控系统、伺服系统与机床其他部分之间协调一致工作。4、机床机电液整体联调，保证达到原有功能并有所提高，以适应数控系统的控制要求。2.2 加工中心改造方案的设计和确定2.2.1 改造整体方案目前，世界上生产数控系统的厂家很多，国外有德国SIEMENS公司，日本FANUC公司、三菱公司，美国辛辛那提公司，西班牙FAGOIZ公司等: 国内有广州数控有限公司，华中数控有限公司等。其中SIEMENS, FANUC是专门从事数控系统开发、设计和生产的专业公司，品种齐全，性能可靠，有较高的性能价格比。我国从事数控系统开发、设计和生产的公司起步较晚，虽然近几年有很大发展，但与SIEMENS . FANTUC公司产品仍有较大差距。由于T40卧式加工中心机械部分精度较高，改造时如果采用数控系统控制精度与之不匹配，势必影响改造效果，因此，根据机床的特点及功能的要求，可以选用SIEMENS或FANUC公司产品，SIEMENS公司生产的高中低档数控系统适合于不同类型的数控机床改造，如表2-1所示:机床控制系统改造方案如图2-1所示:图2-1机床控制系统改造方案2.2.2 改造后达到的技术功能、性能分析编制数控系统与PLC接口控制软件，实现PLC与数控系统之间的数据的实时传送，来实现数控刀库控制功能。改造中对机床机械部分进行检修，使机械精度达到出厂或优于出厂标准。改造后机床具有四坐标四联动功能。各坐标运动采用交流伺服驱动系统，保留原坐标传动方式，X, Y, Z坐标为滚珠丝杠，B, W坐标为蜗轮蜗杆，各坐标位置反馈采用光电编码器替代原圆光栅，机床各坐标的控制精度为0.001mm。原机床主轴系统、润滑系统、冷却系统、工作台交换系统保持不变，改由PLC程序统一进行逻辑控制。改造后机床应具有如下功能:1、加工程序的图形模拟功能;2、示教功能;3、蓝图编程;4、输入方式具有手动数据输入(MDI )和DNC输入两种;5、最小编程单位:O.OO1mm;6、用户程序存储器容量:1.5 MB，并具有450MB左右的硬盘空间可供用户存储零件加工程序及备份系统参数;7、具有手持操作单元;8、具有加工程序编辑、检索、单段运行、自动运行、空运行功能，手动操作，具有快进倍率、倍率、坐标轴保持、应急停等功能;9、主轴可手动及编程控制启、停及高低速转换;10、冷却液可手动及编程控制开、关。具有开机润滑、手动润滑、自动润滑功能。2.3 数控系统的选择和功能分析从表2-1中可以看出，840C, 840D系统适合于加工中心的数控化改造，又该厂数控设备大多数采用840D系统，所以，对T40卧式加工中心进行数控化改造选用SINUMERIK 840D系统。2.3.1 CNC技术分析数控系统是数控机床的控制指挥中心。它由程序、输入输出设备、计算机数控装置(CNC装置)、可编程序控制器(PLC)、主轴驱动装置和进给伺服驱动装置等组成的系统。机床的各个执行部件在数控系统的统一指挥下，有条不紊地按给定程序进行零件的切削加工，实现部分或全部控制功能。1、840D系统的工作过程840D系统的工作过程即在硬件的支持下执行软件的过程。下面从输入、译码处理、数据处理、插补运算与位置控制、I/O处理、显示和诊断7个环节来说明CNC系统的工作过程。1)输入输入CNC系统的有零件程序、控制参数、补偿数据等。常用的输入方式有键盘手动输入MDI,磁盘输入、优盘输入、通信接口RS-232输入、连接上一级计算机的DNC接口输入以及通过网络通信方式输入。2)译码处理译码处理程序将零件程序以程序段为单位进行处理，每个程序段含有零件的轮廓信息(起点、终点、直线、圆弧等)、加工速度信息(F代码)以及辅助指令(M, S, T代码)信息(如主轴起停、工件夹紧和松开、换刀、切削液开关等)。3)数据处理数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能处理。4)插补运算与位置控制插补运算和位置控制是CNC系统的实时控制，一般在相应的中断服务程序中进行。它是在每个采样周期内，将插补计算的理论位置与实际反馈位置相比较，根据其差值去控制进给电动机，进而控制机床工作台(或刀具)的位移。加工出所需要的零件。5)输入/输出(I/O)处理输入/输出处理主要是处理CNC系统和机床之间来往信号输入、输出和控制。6)显示CNC系统显示主要是为操作者提供方便，通常应具有:零件程序显示、参数显示、机床状态显示、刀具加工轨迹动态模拟图形显示、报警显示等功能。7)诊断CNC系统利用内部自诊断程序通过定时中断扫描检查CNC系统本身及外设。进行故障诊断，主要有启动诊断和在线诊断。2、840D系统的硬件组成SINUMERIK 840D系统采用多微处理器模块式结构，主要包括以下几部分。如图2-2所示。1) NC模块其接口端如图2-3所示，其中各接口端的意义如下:(1) X101操作面板接口端，该端口通过电缆与MMC(人机通信接口端)及机床操作面板联接。(2) X102 RS-485通信接口端，该端口主要是满足西门子Profibus DP通信的要求。(3) XIII PLCS7-300输入偷出接口端，该端口提供了与PLC联接的通道。(4) X112 RS-232通信接口端，实现与外部的通信，如要由数个数控机床构成DNC系统，实现系统的协调控制，则各个数控机床均要通过该端口与主控计算机通信。图2-2 SINUMERK 840D数控系统的基本构成(5) X121多路输入/输出接口端，通过该端口数控系统可与多种外设联接，如与控制进给运动的手轮、CNC输入/输出的联接。(6) X122 PLC编程器PG接口端，通过该端口与西门子PLC编程器PG联接，以此传输PG中的PLC程序到NC模块，或从NC模块将PLC程序拷贝到PG中，另外还可在线实时监测PLC程序的运行状态。(7) X130A, X130B电动机驱动器611D的输入输出扩展端口，通过扁平电缆将驱动总线与各个驱动模块联接起来，对各个伺服电动机进行控制。(8) X172数控系统数据控制总线端口，通过扁平电缆与各相关模块的系统数据控制总线联系起来。(9) X173数控系统控制程序储存卡插槽。2)电源模块电源模块的接口端如图2-4所示，其中主要接口端的意义如下:(1) X111“准备好”信号，由电源模块输出至PLC的电源模块，表示电源正常。(2) X121使能信号，由PLC输出至电源模块、数控模块，表示外部电路硬件信号正常。图2-3 NC模块 图2-4电源模块 (3) X141电源模块电源工作正常输出信号端口。 (4) X161电源模块设定操作和标准操作选择端口。 (5) X171线圈通电触点，控制电源模块内部线路预充电接触器(一般按出厂状态使用)。 (6) X172启动禁止信号端(一般按出厂状态使用)。 (7) X181供外部使用的供电电源端口，包括直流电源600V与三相交流电源380V。3)伺服电动机驱动模块 单轴伺服电动机驱动模块见图2-5，双轴伺服电动机驱动模块见图2-6。其中主要接口端的意义如下: (1) X411, X412电动机内置光电编码器反馈至该端口进行位置和速度反馈的处理。 (2) X421, X422机床拖板直接位置反馈(光栅)端口。 (3) X431脉冲使用端口，使用信号一般由PLC给出。 (4) X432高速输入输出接口端。 (5) X34, X35电压、电流检测孔，一般供模块维修检测使用，用户不得使用。4)主轴电动机的驱动可使用上述进给电动机驱动模块驱动，另外还有专门的主轴电动机驱动模块，模块的接口端与进给电动机驱动模块类似。840D系统的联接，如图2-7所示。3、840D系统软件组成下面给出840D系统的软件组成图(图2-8)和任务并行处理关系图(图2-9)。在图2-9中，双向箭头表示两个模块之间有并行处理关系。1) 840D系统控制软件的结构特点840D系统是一个专用的实时多任务计算机控制系统，在它的控制软件中融合了当今计算机软件许多先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和多重实时中断。(1).多任务并行处理CNC系统的多任务性CNC系统通常作为一个独立的过程控制单元用于工业自动化生产中，因此它的系统软件必须完成管理和控制两大任务。系统的管理部分包括输入、1/0处理、显示和诊断。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制。在许多情况下，管理和控制的某些工作必须同时进行。为了保证加工过程的连续性，即刀具在各程序段之间不停刀，译码、刀具补偿和速度处理模块必须与插补模块同时运行，而插补又必须与位置控制同时进行。并行处理 并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。并行处理最显著的优点是提高了运算速度。拿n位串行运算和n位并行运算来比较，在元件处理速度相同的情况下，后者运算速度几乎提高为前者的n倍。大大提高了设备资源的利用率。资源重叠流水处理 当CNC系统处在NC工作方式时，其数据的转换过程将由零件程序输入、插补准备(包括译码、刀具补偿和速度处理)、插补、位置控制4个子过程组成。如果每个子过程的处理时间分别为t1, At2. At3,t4，那么一个程序段的数据转换时间将是：T=t1+t2+t3+t4即在一段时间间隔内不是处理一个子过程，而是处理两个或更多的子过程。从图2-10可以看出，经过流水处理后从时间t;开始，每个程序段的输出之间不再有间隔，从而保证了电动机转动和刀具移动的连续性。流水处理要求每个处理子过程的运算时间相等。而实际上在CNC系统中每个子过程所需的处理时间都是不同的，解决的办法是取最长的子过程处理时间为流水处理间隔。这样，当处理时间较短的子过程时，处理完成之后就进入等待状态。(2)实时中断处理840D系统控制软件的另一个重要特征是实时中断处理。数控机床在加工零图2-5单轴驱动模块611D 图2-6双轴驱动模块611D图 2-7 840D典型接线图件的过程中，有些控制任务具有较强的实时性要求。系统的中断管理主要靠硬件完成，而系统的中断结构决定了系统软件的结构。其中断类型有外部中断、内部定时中断、硬件故障中断以及程序性中断等。 外部中断 主要有外部监控中断(如急停、量仪到位等)和键盘操作面板输入中断。 内部定时中断 主要有插补周期定时中断和位置采样定时中断。在处理时，总是先处理位置控制，然后处理插补运算。 硬件故障中断 它是各种硬件故障检测装置发出的中断，如存储器出错、定时器出错、插补运算超时等。 程序性中断 它是程序中出现的各种异常情况的报警中断，如各种溢出、除零等。2.3.2 840D数控系统的功能 采用SINUMERIK 840D数控系统、西门子611D伺服系统来实现数控加工功能。从控制的角度来说，840D可以进行四轴联动，控制6个主轴、31个坐标轴，840D采用多CPU进行数据处理，840D的系统控制参数可以通过键盘进行修改，并且每一个参数都具有文字说明;其操作界面也采用了与PC机类似的窗口、菜单式界面。 840D系统是20世纪90年代中期设计的全数字化数控系统，具有高度模块化及规范化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一块板子上，将闭环控制的全部硬件和软件集成在1c的空间中，便于操作、编程和监控。 SINUMERIK840D系统与SIMODRIVE611D伺服驱动模块及SIMATICS7-300PLC模块构成的全数字化数控系统，能实现钻削、车削、铣削、磨削等数控功能，也能应用于剪切、冲压、激光加工等数控加工领域。840D系统的主要功能及应用有以下几个方面： 1、控制类型采用32位微处理器实现CNC控制，可用于系列机床，如车床、钻床、铣床、磨床，可完成CNC连续轨迹控制以及内部集成式PLC控制。具有全数字化的611D数字驱动模块。最多可控制31个进给轴和主轴，进给和快速进给的速度范围为mm/min999m/min。其插补功能有样条插补、三阶多项式插补、控制值互联和曲线表插补，这些功能为加工各类曲线曲面类零件提供了便利条件。此外，还具备进给轴和主轴同步操作的功能。 2、操作方式其操作方式主要有AUTOMATIC(自动)、JOG(调整)、TEACHIN(交互式程序编制)、MDA(手动过程数据输入)。 3、补偿功能840D可根据用户程序进行轮廓的冲突检测、刀具半径补偿、刀具长度补偿、螺距误差补偿和测量系统误差补偿及反向间隙补偿、过象限误差补偿等。 4、安全保护功能数控系统可通过预先设置软极限开关的方法，进行工作区域的限制，当超程时可以触发程序进行减速，对主轴的运行还可以进行监控。 5, NC编程840D系统具有高级语言编程特色的程序编辑器，可进行米制、英制尺寸或混合尺寸的编程，程序编制与加工可同时进行，系统具备1.5 MB的用户内存，用于零件程序、刀具偏置、补偿的存储。6, PLC编程840D的集成式PLC完全以标准SIMATIC S7模块为基础，PLC程序和数据内存可扩展到288KB，I/0模块可扩展到2048个输入/输出点，PLC程序可以极高的采样速率监视数字输入，向数控机床发送运动、停止、起动等命令。 7、操作部分硬件840D提供有标准的PC软件、硬盘、奔腾处理器，用户可在Windows98/2000下开发自定义的界面。此外，2个通用接口RS-232可使主机与外设进行通信，用户还可通过磁盘驱动器接口和打印机并行接口完成程序存储、读入及打印工作。 8、显示功能840D提供了多语种的显示功能，用户只需按一下按钮，即可将用户界面从一种语言转换为另一种语言，系统提供的语言有中文、英语、德语等。显示屏上可显示程序块、电动机轴位置、操作状态等信息。9、数据通信840D系统配有RS-232C / TTY通用接口，加工过程中可同时通过通用接口进行数据输入/输出。此外，用PCIN软件可以进行串行数据通信，通过RS-232接口可方便地使840D与西门子编程器或普通的个人电脑联接起来，进行加工程序、PLC程序、加工参数等各种信息的双向通信。用SINDNC软件可一以通过标准网络进行数据传送，还可以用CNC高级编程语言进行程序的协调。因此，SINUMERK 840D系统完全能够满足T40加工中心数控化改造的需要。第3章 数控改造机电匹配接口设计和PLC控制 840D数控系统中PLC的信息交换是指以PLC为中心，在CNC, PLC和MT(机床)三者之间的信息交换，它包括以下四个部分： 1、CNC传送给PLC CNC送至PLC信息可由开关量输出信号完成，也可由CNC直接送入PLC的寄存器中。主要包括程序中的各种功能代码M, S, T信息，手动/自动方式信息及各种使能信息等。 2、PLC传送给CNC PLC送至CNC的信息由开关量输入信号完成，所有 PLC送至CNC的信息地址与含义由CNC系统生产厂家确定，PLC编程者只可使用不可改变和增删。主要包括M, S, T功能的应答信息和各坐标轴对应的机床参考点信息等。 3、PLC传送给MT PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送至1/O中。主要用来控制机床的执行元件，如电磁阀、继电器、接触器以及各种状态指示和故障报警等。 4、MT传送给PLC机床侧的开关量信号可通过PLC的开关量输入接口送入PLC中，主要是机床操作面板输入信息和其上各种按钮、开关等信息。3.1 数控机床PLC控制技术 数控系统除了对机床各坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对机床主轴正反转与启停、工件的夹紧与松开、冷却液开关、刀具更换、工件及工作台交换、液动与气动以及润滑等辅助功能进行顺序控制。顺序控制的信息主要是1/0控制，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件;控制继电器、接触器和电磁阀等输出元件;同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制以及机床报警处理等。这些功能的控制优劣将直接影响数控机床的加工精度、加工质量、生产效率及其稳定性。 数控系统内部信息流大致分为两类，一类是控制机床坐标轴运动的连续数字信息;另一类是通过PLC控制的辅助功能(M, S, T等)信息。 1, PLC的结构、特点及其工作过程 1) PLC的基本结构PLC的种类型号很多，大、中、小型PLC的功能不尽相同，其结构也各不相同，但它们的基本结构形式大体