（机械制造及其自动化专业论文）基于组态软件的数控冲床控制系统开发.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h 0 0 1 c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n to fac n c p u n c h p r e s sb a s e d o nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y x u g u a n g z e n g a d v i s e db y g u a n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 7 、 一，、，j 厂，7 承诺书 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独 立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的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 淦立竺驾 日期：塑! 里：圭：! ! 摘要 随着现代化工程设施和装备的涌现，作为输电导线的传统电缆在大电流输送系统中已不能 满足要求，母线槽应用日益广泛。本课题与母线槽厂家合作，针对其母线槽保护外壳冲压生产 线( 侧板生产线) 项目，完成母线槽侧板数控冲床的控制系统。主要工作如下： 1 控制系统硬件设计。根据数控冲床的功能要求，使用三菱f x 2 n 系列p l c ( 可编程控制 器) 实现机床逻辑动作控制；采用d m c 5 4 0 0 运动控制卡实现工件的进给运动控制，并选择合 适的交流伺服电机及其驱动器，满足机床的运动精度。 2 控制系统程序开发。使用g xd e v e l o p e r 编写三菱p l c 程序，对接近开关信号、气压及 液压系统的电磁阀信号等各个输入输出信号予以控制，完成机床逻辑控制要求。根据工件加工 尺寸、机床各工位安排利用运动卡的a p i 函数和a c t i v e x 控件完成工件的定位运动。 3 上位机人机界面设计。利用组态王6 5 1 建立数控冲床的运行界面，根据p l c 的输入输 出信号以及运动控制卡的运动信号编制机床工作的动态画面。记录加工数据建立工作报表，并 根据现场信号建立事件报警监控界面等。 4 现场调试及样件的加工。现场调试软硬件工作状况，并加工样件，工件满足精度要求。 关键词：数控冲床，p l c ，a c t i v e x 控件，组态软件，人机界面 基于组态软件的数控冲床控制系统开发 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo fm o d e me n g i n e e r i n gf a c i l i t i e sa n de q u i p m e n t ，t h et r a d i t i o n a lp o w e rc a b l e s a st h et r a n s m i s s i o nw i r ec a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t si nh i g h - c u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m , a n dt h e b u s w a yh a s b e e nw i d e l yu s e di n c r e a s i n g l y i nc o o p e r a t i o nw i t ht h eb u s w a ym a n u f a c t u r e r , b a s e do nt h e p r o j e c to f b u s w a yp r o t e c t i n gs h e l lp u n c h i n gl i n e ( s i d ep l a t ep r o d u c t i o nl i n e ) ，t h ec o n t r o ls y s t e mf o rc n c p u n c hp r e s so fb n s w a ys i d ep l a t eh a sb e e nc o m p l e t e d m a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： 1 c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g n a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f c n c p u n c hp r e s s ， l o g i c a la c t i o nc o n t r o lo fm a c h i n et o o lw a sa c h i e v e dw i t hm i t s u b i s h if x 2 ns e r i e sp l c ( p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ) ；t h ew o r k p i e c ef e e dm o t i o nc o n t r o lw a sa c h i e v e d 诵md m c 5 4 0 0m o t i o nc o n t r o l c a r d ，a n dt h ea p p r o p r i a t ea cs e r v om o t o ra n di t sd r i v ew e r es e l e c t e dt om e e tt h em a c h i n et o o l m o v e m e n ta c c u r a c y 2 c o n t r o ls y s t e mp r o g r a md e v e l o p m e n t t h em i t s u b i s h ip l cp r o g r a mw a sc r e a t e db yg x d e v e l o p e rt oc o n t r o lt h ei n p u ta n do u t p u ts i g n a l s ，i n c l u d i n gp r o x i m i t ys w i t c hs i g n a l s ，s o l e n o i dv a l v e s i g n a l so ft h ep n e u m a t i ca n dh y d r a u l i cs y s t e m s ，a n dt om e e tt h em a c h i n el o g i c a lc o n t r o lr e q u i r e m e n t s a c c o r d i n gt om a c h i n i n gd i m e n s i o na n dl a y o u to fw o r ks t a t i o n ，m a c h i n i n gd i m e n s i o n ，t h ew o r k p i e c e p o s i t i o n i n gm o v e m e n tw a sc o m p l e t e db y a p if u n c t i o n so fm o t i o nc o n t r o lc a r da n da c t i v e xc o n t r 0 1 3 h o s tm a c h i n eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g n t h eo p e r a t i o ni n t e r f a c eo fc n cp u n c hp r e s s w a se s t a b l i s h e db yk i n g v i e w6 51 ，a n dt h ed y n a m i cp i c t u r eo fm a c h i n et o o lo p e r a t i o nw a sc r e a t e d a c c o r d i n gt oo u ta n do u t p u ts i g n a l so fp l ca n dm o t i o nc o n t r o lc a r d p r o c e s s i n gd a t aw a sr e c o r dt o e s t a b l i s hw o r kr e p o r tf o r m , a n dt h ee v e n t a l a r mm o n i t o r i n gi n t e r f a c ew a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e s i t es i g n a l s 4 o n s i t ec o m m i s s i o n i n ga n ds a m p l ep r o c e s s i n g s a m p l ep i e c e sw e r ep r o c e s s e da f t e ro n - s i t e c o m m i s s i o n i n go ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h ew o r k p i e c e sh a v em e tt h e r e q u i r e dp r e c i s i o n k e yw o r d s ：c n cp u n c hp r e s s ，p l c ，a c t i v e xc o n t r o l ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 数控技术的发展方向。1 1 2 我国数控技术发展概况3 1 3 组态软件概述4 1 4 课题研究背景及主要完成工作6 1 4 1 课题研究背景及意义6 1 4 2 课题主要完成工作。7 第二章数控冲床控制系统总体设计。8 2 1 数控冲床工作原理8 2 1 1 数控冲床加工对象及要求8 2 1 2 数控冲床硬件结构介绍一8 2 2 开放式数控结构介绍9 2 3 控制系统总体结构设计1 0 2 3 1 硬件总体设计1 0 2 3 2 软件总体方案1 1 2 4 数控冲床侧板加工流程1 2 2 5 本章小结1 2 第三章数控冲床控制系统硬件实现方案1 3 3 1p l c 资源分配及外部接线1 3 3 1 1p l c 发展及特点。1 3 3 1 2p l c 输入输出资源及选型：1 4 3 1 3p l c 硬件接线电路1 6 3 2 运动模块选型接线1 8 3 2 1 运动模块硬件介绍1 8 3 2 2 伺服系统硬件连接2 l 3 3 数控冲床面板按钮布置2 3 3 4 本章小结。：2 4 第四章p l c 模块程序设计2 5 4 1 程序开发方式2 5 i i i 基于组态软件的数控冲床控制系统开发 4 1 1p l c 编程语言 4 1 2p l c 模块开发工具 4 2 设计思想及总体架构一 4 3 程序设计及实现功能 4 3 1 初始条件模块 4 - 3 2 独立操作模块 4 3 3 原点复位模块 4 3 4 自动运行模块 4 4 本章小结 第五章组态软件人机监控界面设计一 5 1 组态王介绍 5 1 1 组态王特点 5 1 2 建立工程的一般方法 5 2 组态王与控制系统硬件连接 5 3 数控冲床人机界面总体设计。 5 4 控制系统界面设计 5 4 1 用户登录。 5 4 2 工程变量定义 5 4 3 报警与事件系统。 5 4 4 报表系统4 2 5 4 5 数控冲床参数设置4 3 5 4 6 监控主界面设计4 4 5 5 本章小结4 5 第六章运动控制模块在组态软件中的实现4 6 6 1a c t i v e x 运动模块控件设计。4 6 6 1 1a c t i v e x 控件介绍4 6 6 1 2 创建a e t i v e x 控件一般方法4 6 6 1 3 数控冲床运动控件实现方法及功能4 7 6 2a c t i v e x 运动控件在组态王中的应用5 2 6 2 1 组态王使用运动控件的意义。5 2 6 2 2 运动控件在组态王中的使用5 2 6 3 本章小结5 4 - 论文 ! ；! ； ! ；! ； 5 6 ! ；7 6 ( ) 攻读硕士期间发表的论文6 l 附录6 2 i p l c 自动运行模块程序6 2 v 基于组态软件的数控冲床控制系统开发 v i 图表清单 图2 1 母线槽侧板结构示意图 图2 2 数控冲床硬件结构图 图2 3 数控冲床控制系统硬件结构 图2 4 数控冲床软件结构总图 图2 5 数控冲床侧板加工流程 图3 1p l c 控制对象分类 图3 2 按钮接线图 图3 3p l c 输入接线图。 图3 4p l c 输出接线图。 图3 5d m c 5 4 0 0 运动控制卡 图3 6 松下交流伺服电机及驱动器 图3 7 伺服运动系统结构图。2 1 图3 8d m c 5 4 0 0 运动卡与伺服驱动器接线2 2 图3 9 数控冲床面板按钮布置2 4 图4 1p l c 编程软件g xd e v e l o p e r 界面2 6 图4 2p l c 程序结构2 7 图4 3p l c 初始条件梯形图2 8 图4 4p l c 独立操作模块程序2 9 图4 5p l c 原点复归模块状态转移图3 1 图4 6p l c 自动模块程序流程图3 2 图5 1 组态王软件特点3 4 图5 2 组态王设备连接一3 5 图5 3 组态王与p l c 连接设置3 6 图5 4 数控冲床人机界面总体结构3 7 图5 5 数控冲床控制系统首页一3 8 图5 6 组态王i o 变量定义3 9 图5 7 数控冲床变量在组态王中的定义? ：4 0 图5 8 数控冲床控制系统报警和事件运行界面一4 1 图5 9 报警值设定4 2 i 、 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 1 0 数控冲床控制系统报表界面4 3 图5 1 1 数控冲床控制系统参数设置界面4 4 图5 1 2 数控冲床控制系统主监控界面4 5 图5 1 3 母线槽侧板数控冲床加工现场4 5 图6 1a c t i v e x 运动控件属性方法定义4 8 图6 2 a c t i v e x 运动控件事件定义5 2 图6 3 a c t i v e x 运动控件在组态王中的使用一5 4 图7 1 母线槽侧板数控冲压生产线现场5 6 表3 1p l c 输入资源分配1 5 表3 2p l c 输出资源分配1 5 表3 3d m c 5 4 0 0 运动控制卡资源分配2 3 表4 1p l c 初始化状态指令运行模式2 8 表4 2p l c 软元件注释3 0 表6 1a c t i v c x 运动控件方法及注释4 9 表6 2 a c t i v e x 运动控件事件及注释5l 表6 - 3 组态王与a c t i v e x 运动控件事件关联函数5 4 v l l 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着汽车、仪表、五金行业的快速发展，对钣金冲压的要求越来越高，传统的冲压机床已 经难以满足现代钣金行业高精度、高效率的要求，数控冲压机床迅猛发展，对数控技术及制造 业产生巨大的推进作用。 1 1 数控技术的发展方向 数控技术( n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y ) ，是指用数字或数字化信号构成的程序对设备 的工作过程实现自动控制的- f l 技术【1 1 。数控技术涵盖范围很广，机械制造技术、自动控制技 术、计算机技术、伺服驱动技术、传感器技术等都是数控技术的组成部分。1 9 5 2 年，第一台用 专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床在美国麻省理工学院问世 2 1 ，成为世界机械工业史 上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。 制造业中数控技术的引入使产品生产效率以及产品质量得到极大的提高，数控技术的不断 发展带动着各种相关技术的发展【3 1 。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开 环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了 超薄型、超小型化：在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科 技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参 数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，c a d c a m 与数控系统集成为一体， 机床联网，实现了中央集中控制的群控加- v 4 1 。 随着对零件加工质量和自动化程度要求的不断提高，对数控技术也提出了更高的要求，必 须向更新的方向和更高的层次发展： ( 1 ) 数控系统向开放式体系结构、软数控方向发展 随着计算机技术的快速发展，传统的封闭式数控体系结构正在向开放式体系结构转变。p c 机拥有丰富的软硬件资源，使开放式数控体系拥有更好的柔性、通用性以及更好的适应性。开 放式数控结构其软硬件和接口规范都是对外开放的，使各个硬件及软件厂商可以对相应的产品 方便的升级，从而使开放式数控系统具有良好的可扩展性，并且易于升级。目前，许多国家纷 纷研究开发类似系统，比如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床 控制器体系结构n g c ”，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构o s a c a ”，日本的“o s e c 计划”等。 软数控比较有代表性的类型就是s o f t 型数控系统，这是一种最新开放体系结构的数控系 统。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是 模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等 功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。 伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。 例如在数控系统中配备参数自动设定系统、各种专家系统、刀具自动管理及补偿等自适应调节 系统：在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温 度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提升，从而达到最佳控 制的目的。 ( 4 ) 数控系统向复合化柔性化方向发展 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的 升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上， 因此复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序， 自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃 至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。 ( 5 ) 数控系统向高精度、高速度、高可靠性发展 2 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 南京航空航天大学硕士学位论文 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。 1 2 我国数控技术发展概况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术。1 9 6 6 年研制成功晶体管数控系统，并生产出了数控线 切割机、数控铣床等产品。由于受当时条件限制，数控系统的稳定性及可靠性较差，数控机床品 种不全、数量较少，数控技术的发展处于初级阶段。2 0 世纪8 0 年代，我国先后从德国、日本、 美国等引进了一批数控系统和伺服技术，拥有加工中心、数控铣床、数控磨床等8 0 多个品种 数控技术的发展进入实用阶段。9 0 年代以后，我国逐渐由计划经济转向市场经济，国民经济进 入高速发展阶段，研究开发数控系统，应用数控机床已经成为各企业的自发行为，数控技术及 产品的发展速度逐年加快，多轴、全功能的中高档数控系统及交、直流伺服系统相继研制成功， f m s 和c i m s 也先后投入使用，数控系统及数控产品正朝着国际先进水平迈进，我国数控技术 进入了蓬勃发展的时期。 目前，较具规模的企业有广州数控、航天数控、华中数控等，生产了具有中国特色的经济 型、普及型数控系统。经半个世纪的发展，产品的性能和可靠性有了较大的提高，逐渐被用户 认可，在市场上站稳了脚跟。但是由于系统技术含量低，产生的附加值少，不具备与进口系统 进行全面抗衡的能力，只在低端市场占有一席之地，还不能为我国数控产业起到支撑的作用， 与国外相比，还有不小的差距。主要问题有以下几方面【5 】： ( 1 ) 技术创新成分低、消化吸收能力不足。目前我国数控技术的研究主要还是依照国外开 发的一些模式按部就班地进行。真正创新的成分不多，对国外技术的依赖度较高，对所引进技 术的消化依旧停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有完全形成产品自主开发能力和技术 创新能力。技术引进是加快我国数控技术发展的一条重要途径，但引进的技术要实现从根本上 提高我国数控技术水平，必须进行充分的消化吸收。消化吸收的力度不强，不但无法摆脱对国 外技术的依赖，而且还会造成对国外技术依赖性增强的反作用。 ( 2 ) 技术创新环境不完善。我国尚未形成有利于企业技术创新的竞争环境。企业技术创新 的动力来源于对经济利益的追求和外部市场的竞争压力，其技术创新意识不强。企业还没有建 立良好的技术创新机制，绝大部分企业的技术创新组织仍处于一种分散状态，很难取得高水平 的科研成果。 ( 3 ) 产品可靠性、稳定性不高。可靠性的指标一般采用平均无故障时间( m r b f ，单位为 h ) ，国外数控系统平均无故障时间在6 0 0 0 小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为3 0 0 0 小时。这使得可靠性、稳定性上就与国外技术相差很大，必然影响产品的市场占有率。 ( 4 ) 网络化程度不够。我国数控技术的网络化程度不够，目前主要用于n c 程序传送，串 3 口通 具有 的需 源。 我国 日本 术和 以数 途径 1 3 s y s t e m ，d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的，组态的含义是使用 软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行 特定任务，满足使用者要求的目的【7 1 。监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强 大。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和 网络功能。 组态软件最早出现时，是作为一个能使用户快速建立自己的h m i ( 人机接口，h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或 委托第三方编写h m i 应用程序，开发时间长，效率低，可靠性差：或者购买专用的工控系统， 通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加 功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件 的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着组态技术的快速发展，实时数据库、实时控制、 s c a d a 、通讯及联网、开放数据接口、对y o 设备的广泛支持已经成为它的主要内容，组态软 件将会不断被赋予新的内容。 组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。但在9 0 年代中期之前，组态 软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点： ( 1 ) 国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物 力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 2 ) 在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件( 早期的组态 软件多为国外厂家开发) ，很少有用户愿意去购买正版。 ( 3 ) 当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用 中大量数据的采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全 形成。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意 识到原有的上位机编程的开发方式对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，m i s ( 管理信 息系统，m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和c i m s ( 计算机集成制造系统，c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深 入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的应 用逐渐得到了普及。 国内外比较著名的组态软件有： ( 1 ) 三维力控f o r c e c o n t r o l ( 北京三维力控科技有限公司) 北京三维力控科技有限公司是专业从事监控组态软件研发与服务的高新技术企业，核心软 件产品初创于1 9 9 2 年，是中国最早的组态软件厂商之一。三维力控组态软件软件为开放式体系 结构，全面支持d d e 、o p c 、o d b c s q l 、o l ed bx m l 、a c t i v e x 等标准。以o l e 、c o m d c o m 、 动态链接库等多种形式提供外部访问接口，便于用户利用各种常用开发工具( 如：v c + + 、v b 等) 进行深层的二次开发。 ( 2 ) 组态王k i n g v i e w ( 北京亚控科技发展有限公司) 北京亚控科技发展有限公司正式成立于1 9 9 7 年，公司着眼自动化软件领域的尖端技术，基 于工业网络平台，为用户提供专业客制化应用解决方案和自动化软件产品和服务。作为国产 s c a d a 软件，其创始人早在1 9 9 3 年就开始研发组态王产品，并迅速应用到了国内用户的系统 中。 组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台 构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发 周期短等优点。 ( 3 ) m c g s ( 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司) 昆仑工控为大型专业工控企业联盟集团，以雄厚的资金为后盾，高、新、尖技术力量为核 心，专门从事设计、生产、销售各种类型传感器、变送器、热工仪表、现场控制器、计算机控 制系统、数据采集系统、组态软件、专用现场控制软件等 ( 4 ) i n t o u c h ：w o n d e r w a r e 是全球工业自动化软件的领先供应商。 w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件是最早进入我国的组态软件。在8 0 年代末、9 0 年代初，基于 5 般需要经过培训才能掌握w m c c 的应用。 1 4 课题研究背景及主要完成工作 1 4 1 课题研究背景及意义 我国是制造业大国，却不是制造业强国。传统的机械2 n - r _ 已经不能适应快速发展的机械制 造行业，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征， 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，对国计民生的一些重要行业的发展起着越来 越重要的作用。因此，我国的传统机械加工必须向数控加工转变。 近年来，汽车、仪表、五金等行业的发展使数控钣金加工设备的需求快速增长，数控冲床、 数控折弯机、数控剪板机、数控激光切割机成为钣金加工的新宠【8 】。而传统的冲床加工精度差， 效率低，已经难以满足如今对零件加工精度、效率、成本等方面的要求。 通用的数控冲床对零件的适应性比较好，可以加工多种零件，适合小批量、多种类加工。 然而，对大批量特定零件的冲压加工，通用数控冲床的加工效率比较低，需要开发一种适合特 定零件加工的专用数控冲床。 在此背景下，与厂家合作，针对其母线侧板产品的多工位冲压机床，建立了从加工控制到 系统监控以及报表报警系统等完整的数控系统。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 2 课题主要完成工作 本课题建立在w i n d o w s 操作系统下，采用组态王作为上位机软件，控制系统采用p l c 来 进行逻辑控制，采用运动卡来进行运动控制。 ( 1 ) 控制系统硬件设计。根据多工位数控冲床的实际情况，采用三菱f x 2 n 系列p l c 实 现逻辑运动控制，采用d m c 5 4 0 0 运动控制卡实现移动夹钳及工件的进给运动控制。选择合适 的伺服驱动器、伺服电机、继电器、接近开关、按钮等，对机床输入输出变量进行统计，规划 p l c 以及运动卡的i o 分配。完成各硬件连接。 ( 2 ) p l c 程序设计。根据多工位数控冲床的动作顺序要求，使用g xd e v e l o p e r 编写三菱 p l c 程序，对接近开关信号、气压及液压系统的电磁阀信号、电机开关信号等各个输入输出信 号予以控制，完成机床逻辑控制要求。 ( 3 ) d m c 5 4 0 0 运动控制程序设计。在组态王为上位机的监控及过程控制系统中，运动控 制程序的编写采用a c t i v e x 控件实现。根据工件加工尺寸、机床各工位安排确定移动夹钳及工 件的定位运动。 ( 4 ) 上位机人机界面设计。利用组态软件组态王建立数控冲床的运行画面，关联p l c 的 输入输出信号以及运动控制卡的运动信号从而编制机床工作的动态画面，同时记录加工数据建 立工作报表，并根据现场信号建立报警监控界面。 ( 5 ) 现场调试及样件的加下。现场调试软硬件工作状况，并加工样件，满足工件的精度要 求。 7 基于组态软件的数控冲床控制系统开发 第二章数控冲床控制系统总体设计 数控冲床控制系统采用开放式数控结构，硬件部分使用三菱p l c 作为逻辑控制核心模块， 保证冲压动作快速准确的响应，实时性较好；采用d m c 5 4 0 0 运动控制卡控制机床位置运动， 可以方便的改变移动夹钳行程和工件加工参数。软件部分分为p l c 程序部分、运动控制部分以 及上位机监控部分，与硬件部分一同构成完整的控制系统。 2 1 数控冲床工作原理 2 1 1 数控冲床加工对象及要求 本课题中数控冲床加工对象是铝合金母线槽侧板。母线槽侧板的结构示意图参见图2 1 。 图2 1 母线槽侧板结构示意图 侧板的毛坯为铝合金型材，由于侧板需要与盖板组成母线槽，所以侧板两侧需要加工许多 连接孔，而连接孔是非均布的，不同宽度的母线槽孔距也有所不同，可以通过程序设定改变工 件行程，从而改变孔距加工设定。连接孔孔距精度要求o 1 m m ，采用合适的冲孔模具即可。母 线槽为高压设备，有电气绝缘的要求，因此所有母线侧板在两端都有一个1 0 x 2 的坡口，两端 的坡口可以防止尖角放电，从而达到电气绝缘。母线槽侧板的毛坯为长板料，在板料行进至切 断工位时进行切断加工。 2 1 2 数控冲床硬件结构介绍 由母线槽侧板的加工要求，数控冲床安排了三个工位：压坡口工位、冲连接孔工位、切断 工位。数控冲床硬件结构参见图2 2 。工件首先到达压坡口工位，机床通过液压缸带动模具对工 件压坡口，液压缸动作位置是通过接近开关来控制，防止过冲。然后工件到达切断位置，加工 平台下液压缸带动切断电机上升，切断锯片通过加工平台上切口切断工件，当升降机到达上限 位后回退，电机停转。当工件到达冲连接孔工位时。冲连接孔气缸带动冲头冲孔，经过软件延 时回退，针对不同宽度的母线槽侧板，可以手动调整冲头及冲孔模具距离，从而可以冲压一系 8 南京航空航天大学硕士学位论文 列母线槽侧板。 数控冲床三个加工工位由程序控制，顺序动作，其中，由于母线槽侧板为多孔结构，冲连 接孔工位需要多次动作。在进行冲压或者切断加工之前，必须夹紧工件，防止工件晃动造成精 度下降。采用单向柱塞缸夹紧工件，加工完成后，柱塞缸回退，工件前进至下一工位。 数控冲床板料进给平台为齿轮齿条机构，移动夹钳带动工件在各工位和原点之间做直线运 动。 图2 2 数控冲床硬件结构图 2 - 2 开放式数控结构介绍 开放式数控结构是系统接口、系统软硬件由一系列逻辑上相互独立的部件组成的数控结构 9 1 。用户可以选择不同的模块进行组装，或者对当前使用的模块进行替换，以便使数控系统更 具效率，而不用考虑系统的其他软硬件结构o l 。开放式数控应该具有以下特征【1 1 l ： ( 1 ) 开放式数控系统在软件和硬件方面都具有柔性，采用系统、子系统和模块分级式的控 制结构，其构造是可移植和透明的，用户可以方便的进行二次开发。不仅允许改变其硬件基本 结构，而且在软件方面允许改变各种级别的控制方式。 ( 2 ) 开放式数控系统需要提供真正意义上的即插即用性。 ( 3 ) 开放式数控系统是在一定规范下的开放，并非毫无约束的开放。建立统一的标准使各 模块具有统一的接口和良好的互换性，使第三方开发的硬件和软件系统满足其需要，系统具有 良好的可重构性。 9 基于组态软件的数控冲床控制系统开发 ( 4 ) 开放式数控系统在标准化规则之下必须具有融合其他组件的能力，并且可以 件之间共享数据。 ( 5 ) 开放式数控系统能在系统级别上与其他系统进行交互【1 2 】。 ( 6 ) 开放式数控系统还必须适应网络操作方式。 传统的数控系统对于使用者来说是封闭的【1 3 】，而开放式数控系统应是一个模块化 可扩充的软硬件控制系统u 4 q 6 。随着计算机技术的迅猛发展，计算机的软硬件资源非常丰富， 对标准化的外设提供强有力的支持，使得基于p c 的开放式数控系统已经成为开放式数控结构 的主流【l r l 。基于p c 的开放式数控系统大致可分为四种类型，即p c 连接c n c 、p c 嵌入c n c 、 n c 嵌入p c 、全软件型n c 1 8 1 。 2 3 控制系统总体结构