开题报告-基于PLC的二维数控实验台的设计与实现.doc

毕 业 论 文 设 计 开 题 报 告题 目 基于PLC二维数控实验平台设计与实现 学生姓名 学号 所在院(系) 机械工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化051班 指导教师 2009年 4 月 8 日题 目 基于PLC二维数控实验平台设计与实现一、选题的目的及研究意义本设计是基于PLC控制的数控X-Y实验台系统，是为具有两轴联动功能的数控工作台设计。它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、稳定性和实用性都很好。特别适合在钻床上，可实现坐标孔系的加工。在小铣床上，可实现二维曲面的加工。基于PLC二维数控实验平台系统，是为具有两轴联动功能的数控工作台设计。其核心就是数控技术，但是要保证生产精度、生产效率和生产安全。近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。尽管PLC控制准确、精度高，然而机床精度仍取决于另一方面数控机器人的驱动、执行系统，也就是其机械系统。所以，研究机械和控制系统对提高数控机床的加工精度、效率和降低成本是很重要的。因此基于PLC控制的二维实验台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的现实研究意义。PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在自动控制领域，以PC平台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出。如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务。所以近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。尽管PLC控制准确、精度高，然而机床精度仍取决于另一方面数控机器人的驱动、执行系统，也就是数控机床的机械系统。所以，研究数控机床的机械系统对提高数控机器人的加工精度、效率和降低成本是很重要的。另外，经济上的发达国家清一色是工业上的强国，这些国家有很多共同点，其中之一便是工业自动化程度高，产品质量好。因此，提高数控加工水准对我国的经济实力、战略水平也是很重要的。 二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等为了在越来越激烈的全球巿场竞争中立于不败之地，各工业发达国家均投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，并相继提出了多种全新的制造模式。如集成制造、柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造等，其目标不外乎提高制造的效率和精度，以及增加加工的适应性和降低生产成本。数控工作台在规格上向两头延伸，即开发小型、精度的工作台，同时也要开发大型的以适应市场需求；在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和承载力；在形式上继续研制两轴和多轴并联的数控工作台。数控机床(系统)作为现代制造系统的关键基础单元，其功能的强弱和性能的好坏决定着上述制造模式的成败。为适应日益复杂的制造过程，数控技术正在发生根本性变革。在体系结构方面，数控系统已基本上实现由专用型封闭式结构模式向通用型开放式结构模式的转型，并向基于PC的全数字化体系结构发展；在网络化基础上，数控系统可方便地与CAD/CAM集成为一体，数控机床的联网运行，使得车间网络化监控、维护与管理变成了现实；在数控系统的高速、高精、高效控制方面，也采取了很多措施，如高速下的平滑控制算法、提高系统的快速响应能力、提高反馈和控制环节的数据分辨率等，获得了不错的效果；在智能化控制方面，通过采样加工过程中影响产品加工质量的外部变量，实现了加工参数的自动修正、调节与补偿，有效提高了CNC的工作效率。 一、数控系统体系结构向基于PC的全数字化开放体系结构方向发展1 基于PC的开放式数控系统已得到广泛认可，具有强大的生命力 著名厂商的高档数控系统都以基于PC的开放数控系统为主流。SINUMERIK 840Di sl是基于PC的数控系统，其软件系统MMC(人机通信)软件系统、NC(数字控制)软件系统、PLC(可编程逻辑控制)软件系统和通信及驱动接口软件中的MMC软件系统采用Windows NT或XP操作系统。机床制造商可以按照自己的特殊操作方式和理念，利用Windows技术改变人机界面(HMI)。其开放式系统理念的一个重要特点是，可以在数控核心部分，使用标准的开发工具对用户指定的系统循环和功能宏进行调整。FANUC 16i/18i/21i/30i系列是具有网络功能的超小型、超薄型高档CNC系统，其硬件结构采用CNC内建PC型式，NC卡完成高实时性要求的数控运算和PLC控制功能，PC完成操作界面、编程、数据管理、网络等相对弱实时性要求功能。操作系统采用Windows 2000/XP或Windows CE。备有C语言执行程序、嵌入式宏执行程序等各类功能。CNC系统与主计算机的连接接口采用高速串行总线(HSSB)。FANUC 300i/310i/320i系列采用Windows CE作为操作系统，并提供动态链接库函数供用户二次开发。2 全数字化是未来数控系统发展的必然趋势全数字化不仅包括数控单元到伺服接口以及伺服系统内部是数字的，而且还应该包括测量单元的数字化。因此，现场总线、编码器到伺服的数字化接口、驱动单元内部三环(位置环、速度环及电流环)数字化，是数控系统全数字化的重要标志。1)编码器到伺服的接口数字化也必将获得发展编码器到伺服驱动的数字化接口虽然只在Heidenhain的系统中得以实现，但作为全数字化数控系统的必要构成环节，未来将获得更多发展。2 )多通道软件体系结构是适应整合数控机床的不二选择针对制造业对整合数控机床(即融合工业机器人、影像处理系统和精密物料搬运各项功能的机械，不仅能完成通常的加工功能，而且还具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断和联网等功能)的巿场需求，各著名数控系统厂纷纷将多轴(包括多主轴)多通道控制、轴同步控制、轴叠加控制、轴混合控制、信道协同等功能列为新的研究点。同步控制可以令不同通道的运动轴按照某种时序关系或某种条件达到同步，混合控制可让一个轴的混合命令在各通道之间进行交换，阀加控制能把一个轴的移动命令叠加到属于另一通道的另一个轴上去。如Fanuc 30i系统，具有10通道，八根主轴，可控进给轴数达32根，可联动控制进给轴数达24个，能同时运行十个独立的数控加工程序，具有轴同步、混合、叠加控制等功能。基于此系统，FANUC公司推出了四个搬运机器人、一套天车输送线、外加两部六腿切削加工机器人的整合加工系统。整个系统动作协调、有序，衔接顺畅，体现了典型的多通道数控系统的特徵。二、高速高精度控制是数控技术发展的永恒主题1 高速、高精度已成为高档数控机床的主要特徵速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。高速、高精度数控机床是多品种、变批量加工环境下保持高效与柔性统一的必要工具。为此，国际知名数控机床和系统制造商从未停止对高速高精度控制的追求。在速度方面，目前数控机床运动的加速度已提高到23g，快速移动速度提高到150200m/min。在这些高速高精度数控机床中，有一部分是利用直接驱动技术，但随着滚珠丝杠技术的发展，大导程高精度的滚珠丝杠也已大量应用到高速高精度数控机床中，实现了加速度11.5g，快速移动速度120150m/min。为了能够优化金属切削的加工过程，现代化的加工将越来越多地采用高性能切削(High Performance Cutting)。HPC技术不仅要求提高切削速度(即提高主轴转速)，而且要求提高刀具的进给速度。目前生产效率低的问题，不单在于刀具的切削速度低，也不单在于刀具的进给速度低，而在于针对给定的材料和其它条件，如何将刀具切削速度和进给速度有机地结合起来，以实现高性能切削(HPC)。除了从软的方面得到高性能切削外，人们还从硬的方面追求高速切削(HSC)，如提高刀具的切削硬度，提高机床主轴的旋转速度，尤其是提高机床主轴在高速下的切削功率和旋转扭矩，这些指标对生产过程的经济性也有着举足轻重的影响，它可以使金属切削加工更快、更好、更经济。在精度方面，精密数控机床的机械加工精度已从道级(0.01mm)提升到微米级(0.001mm)。超精密数控机床的微细切削和磨削加工精度可稳定达0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。 数控机床的高速、高精要求，对数控系统的高速高精控制算法、高速高精动态特性控制技术等提出了更高的要求。2 数控系统高速、高精度控制的主要措施各著名数控系统厂商对高速高精性能的追求始终是坚持不懈的，根据自身特点，各自采取了提高高速高精性能的各种措施。1) FANUC公司FANUC公司一直走在数控技术的前沿，并不断提出新的概念来引导数控技术的发展，除纳米插补，纳米CNC系统等概念外，在高速高精方面又推出了以下较新的技术：HRV(高响应矢量)4控制技术HRV4继承并发展了HRV3的优点，是纳米数控系统高速高精伺服控制，并可减少电机发热。其特点为：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令；超高速伺服控制处理器；ai高分辨率的脉冲编码器(16 million/rev)；防止机械振颤的HRV滤波器。HRV4可获取更高的转速和更小的电流MTC(Machine Tip Control)为了控制机床在加工点处的振颤，FANUC研究了机床顶部控制(MTC)和加速率传感单元用于检测加工点处的加速率。采用MTC后可明显减小机床振颤。HRV4更小的温升反向间隙加速功能由于存在反向间隙，在高速加工时会导致响应滞后，引起象限尖峰，并影响加工精度。采用反向间隙加速功能后将显著改善象限尖峰，提高加工精度。反向间隙加速功能MPC(Machining Point Control加工点控制) 采用MPC功能，可在加工点处抑止振颤，获得更高的加工精度。MPC功能2) SIEMENS公司西门子公司对高速高精度位置控制的本质有着精辟的理解：通过避免机床振颤来优化工件表面的加工质量；通过增加对加加速度控制能力，提高机床动态响应能力；通过增加加速度提高加工速度等。 综上所述，各数控系统厂商对高速高精度控制的理解基本上是相同的，而且对动态精度的提高非常重视，所采取的主要措施体现在以下方面。1) 高速下的平滑控制通过对运动速度、加速度、加加速度的优化，减少机床振颤，使加工更加平稳，获得更高的加工表面质量。如HEIDENHAIN采用高分辨率的反馈器件减小转矩脉动，FANUC 利用MPC技术减少机床振颤。 2) 提高系统的快速响应能力提高系统的快速响应能力不仅是高速加工的前提，也是保证精度的有利措施。如FANUC采用HRV4，反向间隙加速等方式减少因响应滞后带来的误差。3) 提高数据分辨率以纳米级的分辨率参与到各个环节，如：FANUC系统的纳米插补技术。不同分辨率下的脉动扭矩三、智能化控制是提高数控加工效率的有效手段由于数控加工过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，为实现加工过程的多目标优化，数控机床应能根据切削条件的变化，基于多信息融合下的重构优化、智能决策，实时动态调节工作参数，使加工过程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。高档数控系统是实现制造技术和装备现代化的基石，是保证国防工业和高技术产业发展的战略物资，工业发达国家至今仍限制向中国出口。目前，国产高档数控系统的发展及产业化速度已经严重制约了自主高端数字化装备的研制，在航空航天、船舶、发电设备、轨道交通等所需的大型专用数控机床及工艺装备基本依赖进口，已严重威胁到国民经济建设和国防安全，加快高档数控系统的研究与产业化迫在眉睫。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲.本课题要解决的主要问题是二维数控工作台的机械部分和电器控制部分的设计，进而进行编程使两者能良好的结合运行。解决思路：（1）首先对于机械机结构部分进行设计，得出相关的数据进行图纸绘制; A、确定系统的脉冲当量；B、工作台外形尺寸及重量初步估算；C、滚动导轨副的计算和选择；D、滚珠丝杠的计算和选择；E、齿轮计算与设计；F、步进电机惯性负载的计算；G、步进电机的计算与选择H、绘制装配图。（2）依据机械部分选用的部件，进行PLC的硬件选择、布局。（3）PLC控制实验台控制系统设计；A、研究设计软件系统梯形图、控制程序；B、绘制I/O接线图、梯形图；C、编写控制程序。（4）搭建PLC 控制系统，并调试程序。 方案规划： A工作台应具有沿纵向和横向往