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s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的研制与开发 摘要 随着数控技术的快速发展和数控机床的广泛应用，传统的数控实验设备与 方法存在着自身的局限性，开发高效的数控实验培诩装置，加快数控人才的培 养具有非常重要的意义。本文研究了一种全新的数控实验设备一一s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的研制与开发过程。论文主要包括以下内容； ( 1 ) 开展s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的总体设计，主要完成了f a n u c0 i m a t e t c 数控系统的选用与硬件配置、连接和电路设计等工作。 ( 2 ) 分析了s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的参数设置、p m c 程序编制的方 法、实验台的操作与功能，重点研究了开关量i o 地址分配、电路设计以及常 见电器故障点的设置。 ( 3 ) 研究了局域网的基本概念和组建技术，设计了用于s t a r 一0 6 t 数控 综合实验台的局域网，拓展了实验台的功能，增强了实验效果。 关键词：数控实验，f a n u c0 im a t e t c ，电气故障点，局域网 t h ed e v e l o p m e n ta n d e x p l o i t a t i o no fs t a r 一0 6 tn c i n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a b s t r a e t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn ct e c h n o l o g ya n dt h ew i d eu s eo fn cm a c h i n e t o o l s ，t h et r a d i t i o n a ln ct e s te q u i p m e n ta n dm e t h o d sg r a d u a l l yh a v et h e i ro w n l i m i t a t i o n s ，s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e v e l o pe f f i c i e n tn ce x p e r i m e n t a l t r a i n i n g d e v i c e sa n dt oa c c e l e r a t et h et r a i n i n go fn ct a l e n t s t h en e wn c e q u i p m e n t - - s t a r - - 0 6 tn ci n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s s t u d i e di n t h i s p a p e r t h ef o l l o w i n g sa r et h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r ： ( 1 ) t h eo v e r a l ld e s i g no fs t a r 一0 6 tn ci n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s f i n i s h e d ，i n c l u d i n gt h ec h o i c ea n dc o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r e ，t h ec o n n e c t i o n ，a n d t h ec i r c u i td e s i g no ff a n u c0 im a t e t cn c s y s t e m ( 2 ) t h em e t h o d so fs e t t i n g t h ep a r a m e t e r so fs t a r 一0 6 tn ci n t e g r a t e d e x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n dg e n e r a t i n gt h ep m cp r o g r a m s ，a n dt h eo p e r a t i o na n d f u n c t i o no ft h et e s tp l a t f o r ma r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h es w i t c h i n gv a l u ei o a d d r e s sa l l o c a t i o n ，e l e c t r i c a lc i r c u i td e s i g n ，a n dt h es e t t i n go fc o m m o np o i n t so f f a i l u r ea r es t u d i e di nd e t a i l ( 3 ) b a s e do nt h es t u d yo fb a s i cc o n c e p t sa n dt h eo r g a n i z a t i o nt e c h n o l o g yo f t h el a n ，t h el a nf o rs t a r - 0 6 tn ci n t e g r a t e de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e s i g n e d ， t h ef u n c t i o n so ft h ep l a t f o r ma r ee x p a n d e d ，a n dt h ee f f e c ti sg r e a t l ye n h a n c e d k e y w o r d ：n ce x p e r i m e n t ，f a n u c0 im a t e - t c ，e l e c t r i c a lp o i n t so ff a i l u r e ，l a n 插图清单 图2 1 数控机床的组成 图2 2c n c 单元的结构 图2 3b i 系列伺服放大配置结构 图2 4 数控单元与伺服驱动部分的连接 图2 5 数控单元与操作面板的连接， 图2 6s t a r 一0 6 t 数控综合试验台外形 图2 7 s t a r 一0 6 t 数控综合试验台整体布置 图2 8s t a r 一0 6 t 数控综合试验台面板结构 图2 9 电路设计示意图 图3 1f a p tl a d d e r - - i i i 编程软件运行界面 图3 2 输出接口电路 图3 3 输入接口电路 图3 4l c d m d i 单元 图3 5m d i 面板布局 图3 6 p m c 的基本布局 图4 1 总线拓扑结构 图4 2 星形结构 图4 3 环形拓扑结构 图4 4 树形拓扑结构 图4 5s t a r 一0 6 t 数控综合实验台网络结构图 图4 6 以太网参数画面 图4 7 以太网地址参数设定 图4 8p o r t n u m b e r ( t c p ) 设定 9 2 3 4 4 5 6 6 7 5 8 8 9 o 1 2 2 3 3 6 7 8 8 1 1 1 1 l 1 l 1 2 2 2 2 3 3 4 4 4 4 舢 r 引 引 一 m ” “ m 舶 拍 肿 瑚 力 邡 m m 朋 m 舶 m 龆 朋 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | = 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | = 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | = 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | | | | | ；| ；| ! | | | | | ；| | | i | | ； | ； ；| ! | 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 | i | | i | ；| | ； | | | | | | | ； i | ；| ；| 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ! | 一 一 ；| 一 ；| 一 表格清单 表1 1 全国各地数控人才来源情况统计表 表3 1c n c 系统的输入输出地址分配( 按序号排列) 表3 2 故障点设置一览表一 表3 3s t a r 一0 6 t 数控综合实验台实验项目 表4 1 传输介质性能比较表 6 2 6 2 7 3 3 4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方矫，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金星工些盍堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 禾云之尸签字目期：勿。萨7 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒理些盔堂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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 辛奉圣款 签字日期：z 沪易年7 月1 日 ， 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 铹沁 l 签字日期：矽年7 月乃日 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师韩江教授致以最崇高的敬意和最衷心 的感谢! 本论文从选题、资料收集、试验方案设计等方面自始至终得到了韩老 师的精心指导。 回顾几年来的学习历程，韩老师从生活和学习上给予了我无微不至的关怀 和指导，特别是在我进修学习过程中给予了大力的帮助和支持。 韩老师渊博的学识、严谨求实的治学态度、勤奋敬业的科研热情以及充分 发扬民主的学术作风给我留下了深刻的印象，对我来说是非常宝贵的财富，不 仅对我的研究生阶段学习工作产生了深刻影响，也必将在我今后的工作、学习 和生活中发挥重要作用! 同时，要感谢夏链老师、祖厦老师、李良初老师、何高清老师、余道洋老 师在我的课题研究过程中对我的指导和帮助! 感谢c i m s 研究所全体同学在我的论文撰写过程中给予的无私帮助! 感谢铜陵学院机械工程系周礼文书记、夏兆清书记、段宗银主任和全体老 师对我的关心和帮助! 感谢我的家人在我研究生学习期间给予我的关怀、支持，特别要感谢我的 爱人陈淑芳女士对我的鼓励和支持，以及对家庭所做出的奉献! 作者：林云志 2 0 0 6 年6 月 第一章绪论 1 1 数控机床的产生、特点及发展 1 1 1 数控技术的基本概念及发展历程 1 数控技术的基本概念 数字控靠l j ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术是近代发展起来的一种自动控制技术，是 用数字化信号对机床运动或其它设备的运动及其加工过程进行控制的一种方 法，简称为数控( n c ) 技术。它所控制的一般是位置、角度、速度等机械量，也 有温度、压力、流量、颜色等物理量，这些量的大小不仅可用数字表示，而且 是可测的。 2 数控技术的发展历程 自1 9 5 2 年美国麻省理工学院伺服机构实验室研制出世界上第一台三坐标 数控铣床以来，数控技术在硬件和软件等方面都得到了快速发展。短短几十年， 数控系统经历了硬件数控系统、计算机数控系统和基于p c 的数控系统三个发 展阶段。 1 ) 硬件数控系统n 9 5 2 1 9 7 0 ) 这一阶段数控系统的各种控制功能都由硬件逻辑电路完成，它分别经历了 电子管、晶体管和小规模集成电路三个发展阶段。这一阶段的数控系统功能简 单，灵活性差，设计周期长，因而限制了其进一步发展和应用。 2 ) 计算机数控系统( 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 ) ( 1 9 7 0 至今) 7 0 年代初，小型计算机应用于数控系统，出现了计算机数控系统；到8 0 年代，数控功能在软件上已取得较大进展，具备了交互式对话编程、三维图形 动态显示校验和实时软件精度补偿功能，并可以向机床制造厂提供二次开发手 段，实现了产品的标准化和系列化：为了满足高速、高精度加工的需要，目前 已经较多地采用高性能的3 2 位乃至6 4 位c p u ，以使c n c 具备足够高的运算 能力。 3 ) 基于p c 的数控系统( 1 9 9 4 至今) 1 9 9 4 年，基于个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 的数控系统在美国首次 亮相，作为一种开放式数控系统，它很快得到迅速的推广，对数控技术的发展 产生了重大的影响 2 【3 】f “ s l 。 1 1 2 数控机床的产生、特点和发展趋势 数控技术是为了实现机床控制自动化要求而发展的。对数控机床有多种定 义方法，一般认为，用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统 的机床，称为数控( n c ) 机床( n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et 0 0 1 ) 。国际信息处理联 盟( i f i p ) 第五技术委员会对数控机床的定义是：数控机床是一个装有过程控制系 统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其它符号编码指令规定的程 序。目前的数控机床是指计算机数字控制机床，即c n c 机床。 1 数控机床的产生 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院成功的研制出一台三坐标联动的实验型机床， 这是公认的世界上第一台数控机床。 1 9 5 9 年，开始采用晶体管元件和印刷线路板，出现了带自动换刀装置的数 控机床，称为“加工中心”。 1 9 6 7 年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这也是最 初的柔性制造系统f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 1 9 7 0 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首先展出了用小型计算机控制 的数控机床。这是第一台计算机控制的数控机床( c n c ) 。 8 0 年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控 检验装置的柔性制造单元f m c ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ) 。f m c 和f m s 被 认为是实现计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) 的必经阶段和基础【6 7 1 。 2 数控机床的特点 数控机床以其适应性强、加工质量稳定、效率高、精度高等特点在机械加 工中得到广泛应用。其主要特点如下： 1 ) 加工精度高，加工质量稳定 数控加工的切削量、进给速度、主轴转速、使用刀具等加工所需条件、参 数都可根据工艺要求，预先编程预以规定，加工过程可避免人为的干扰因素， 若引入自适应控制功能，则不仅可保持加工条件不变，而且可达到最优化，这 样大大提高了同一批零件加工一致性，同时可以利用软件进行误差补偿，以获 得更高的加工精度和重复精度。 2 ) 能加工形状复杂的零件，具有良好的柔性 采用二轴以上联动的数控机床，可以加工母线为曲线的旋转体、凸轮、各 种复杂空间曲面的零件，能完成普通机床难以完成的加工。 3 ) 生产率大大提高 一方面，数控机床具有高的自动化程度；另一方面加工过程中省去了划线、 多次装夹定位、检测等工序，工艺准备时间缩短，有效地提高了生产率。如果 使用自动换刀的数控加工中心机床，可进行多道工序的连续加工，生产率可提 高十几倍至几十倍。 4 ) 减轻劳动强度，改善了工人的工作条件。 5 ) 易于建立计算机通信网络，提高生产管理水平 由于数控机床使用的是数字信息，易于与计算机辅助设计系统连接，形成 计算机辅助设计与制造紧密结合的一体化系统，实现生产过程的计算机管理与 控制，有利于机械加工综合自动化发展【8 1 【9 】【10 1 。 3 数控机床的发展趋势 当前，数控未来发展的趋势主要有以下几个方面： 1 ) 继续向开放式、基于p c 机的方向发展 基于p c 机所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点， 更多的数控系统厂家会走上这条道路。至少采用p c 机作为它的前端机，来处 理人机界面、编程、联网通信等问题。p c 机所具有的友好的人机界面将普及到 所有的数控系统，远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。日本、欧盟和美国 等针对开放式c n c 正在进行前后台标准的研究。 2 ) 高速度、高精度、高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速c p u 芯片、多功能c p u 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系 统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速度、高精度、 高效化已大大提高。 3 ) 工艺复合性和多轴化 以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制 功能方向发展。数控机床的工艺复合是指工件在一台机床上一次装夹后，通过 自动换刀，旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。 4 ) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务， 以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种 智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正 向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、 更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域1 1 】0 2 】 13 1 。 1 1 3 数控机床对国民经济的影响 数控技术是数控机床等自动加工设备的核心和重要研究内容，它综合了计 算机、自动控制、电气传动、测量技术等多项技术，解决了复杂零件的制造问 题，其准确、高效的加工方式，改变了以往机械工业周期长、效率低的局面， 其柔性的工作方式，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式。数控技术的 发展水平己成为衡量一个国家机械制造水平的重要标志。 从第一台数控机床的问世到现在的5 0 多年中，数控技术发展非常迅速。从 最初的硬件数控( n c 数控) 、中期的计算机数控( c n c 数控) 发展到了最近的基于 p c 机的具有通用性和开放性的数控系统( v c n c 数控) 。现在，几乎所有品种的 机床都实现了数控化，数控技术已成为制造业实现自动化的基础技术，现代的 c a d c a m 、f m s 、c i m s 、敏捷制造和智能制造等，都是建立在数控技术之上 的。它不仅是提高产品质量和劳动生产率必不可少的物质手段，而且以它为基 础的褶关产业是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产 业，其技术水平高低己成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。数控技 术是国际技术和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技 术附加值、高利润的重要出口产品，与之相关的世界贸易额逐年增加。 专家们预言：2 1 世纪机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争i l3 1 1 1 4 1 ， 1 2 我国数控机床基本概况 我国从1 9 5 8 年开始研究数控机床，一直到6 0 年代中期处于研制、开发阶 段。从7 0 年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工等领域全面展 开，数控中心在上海、北京研制成功。8 0 年代，我国先后从日本、美国等国家 弼进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1 9 8 1 年开始批量生产数控机床，在 此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术，开发了一些高 档的数控系统，如华中i 型、蓝天工型、航天工型，华中世纪星等数控系统。 近6 年来，我国数控金切机床( 简称数控机床) 产量一直以年均增长超过 3 0 的速度发展。据初步统计，2 0 0 4 年数控机床的产量为5 18 6 0 台，同比增长 4 0 8 ，数控机床的消费量约7 4 0 0 0 台，同比增长1 2 。数控机床需求的旺盛也 促进了2 0 0 4 年内新建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。 与此同时，我国进口的数控机床数量也在逐年同步增加，而且进口数控机 床的消费额的增长趋势更快。2 0 0 4 年数控机床的进口数量同比年增长3 0 ，而 进口消费额的增长却达5 2 ，从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所 占比例己不足3 0 。 当前，我国社会经济飞速发展使得中国铡造技术正在发生日新月异的变化。 但是，中国目前只是非创新产品的制造大国，靠劳动力、价格、资源和非竞争 性的比较优势，在低端产品上世界上占有一席之地。中国的制造业定要掌握 先进的数控技术的应用，实现从低端到高端、从初级产品到高精尖产品、从中 国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。 为此，国家“十一五”规划也提出了重点发展智能化装各，即数控装备，以 提高我国制造业的综合竞争能力【9 ”j 。 1 3 我国数控人才的状况分析 近几年来，随着汽车、信息、航空、航天等高新技术产业发展和传统产业 4 技术改造步伐的加快，对制造装备水平和数控化程度的要求越来越高，需要大 量高速、复合、智能、精密、环保等高档数控机床设备，如高速加工中心、多 轴联动加工中心、直线电机驱动加工中心、双主轴切削加工中心和车铣中心、 精密磨床和复合磨床、精密电加工机床、精密大型龙门镗铣床和精密落地镗铣 床、高效数控专机等。这将给我国机床制造业带来得天独厚的发展空间，同时 也给传统制造业生产模式、产品结构、产业结构带来深刻的变化，对传统的机 制、机电类专业人才的培养带来新的挑战和更高的要求。 由于数控技术是集机、电、光、液和计算机技术于体的综合技术，需要 大量从研究开发到使用维修各层次研究人员和高等技术应用型人才，数控技术 人才的培养已成为数控技术应用和发展的重中之重，也是当务之急 1 ”。 1 3 1 数控技术人才的类型 当前，通常把数控技术人才分为三个层次： 1 ) “蓝领层”数控技术人才 “蓝领层”数控技术人才是指在生产岗位上承担数控机床的具体操作及日常 简单维护工作的技术工人。该类人才一般应掌握数控机床结构的基本知识和机 械加工与数控加工的工艺知识，具备数控机床的操作、日常维护和手工编程的 能力，了解数控加工的自动编程。 2 ) “灰颁层”数控技术人才 “灰领层”数控技术人才是指在生产岗位上承担数控编程的工艺人员和数控 机床维护、维修人员。“灰领层”数控技术人才包括以下两种类型的人才： 数控编程工艺员 掌握数控加工工艺专业知识和一定的模具制造基础知识，具备数控机床的 操作、日常维护和手工编程的能力，能至少运用一种三维c a d c a m 软件如： c a x a ，u gm a s t e rc a m ，p r o e 等进行三维造型和自动编程。 数控机床维护、维修人员 掌握数控机床的工作原理和结构知识，掌握主要数控系统的特点、接口技 术、p l c 、参数设置和机电联调知识。具备数控机床的操作、手工编程和数控 机床的机械和电气的调试和维护、维修能力。 3 ) “金领层”数控技术人才 “金领层”数控技术入才是指具备并精通数控操作、数控工艺编程和数控机 床维护、维修所需要的综合知识，并在实际工作中积累了大量实践经验，精通 数控机床的机械结构设计和电气设计，掌握数控机床的机电联调，能自行完成 数控系统的选型、数控机床的安装、调试、维修和精度优化，能独立完成机床 的数控化改造【1 6 【1 ”。 1 3 2 我国数控技术人才的培养模式 我国数控技术人才主要有两种培养模式：一种是企业依据自身力量培养， 这种方式培养的人才理论基础相对较差；另一种是高校培养，这种方式培养的 人才理论基础扎实，动手能力强，接受新知识的能力强。市场调查表明，这类 人才能较好的胜任各项工作。 结合高等院校自身的特点，一般高职院校培养“蓝领层”数控技术人才， 而本科院校可培养“蓝领层”、“灰领层”和“金领层”数控技术人才。2 0 0 3 年 3 月，受教育部的委托，机械工业教育发展中心和华中理工大学国家数控系统 工程技术研究中心在全国对军工、汽车、重大装备、数控机床、模具等制造业 重点企业及经济发达地区( 江苏、浙江、福建、广东) 的乡镇、民营和外资等企 业数控技术人才的现状和需求进行了抽样调研，对各地区数控人才的来源作了 统计，如表1 1 所示 可见，在当前，利用高校培养数控人才已成为我国数控人才主要的培养模 式【i7 1 。 表1 。l 全国各地数控人才来源情况统计表 数控人才来源 调查范围 学校应届生 社会招聘 自行培养 东北地区 7 1 1 1 7 2 1 1 7 华北地区6 0 2 1 1 8 2 8 0 华中地区2 5 0 1 0 o 6 5 o 西北地区 4 4 2 1 3 6 4 2 2 西南地区6 5 4 1 6 9 1 7 7 华东地区2 9 3 1 6 1 5 4 5 华南地区4 2 9 2 2 3 3 4 8 平均水平 4 8 3 1 5 4 3 6 3 1 3 3 我国数控技术人才状况 随着国民经济的高速发展，特别是在加入世贸组织后，中国正在逐步变成 “世界制造中心”，我国数控机床的应用急剧增加，制造设备大规模数控化，使 企业急需一大批数控编程、数控设备操作及其维修、调试人员，而目前掌握数 控技术的机电复合型人才奇缺，这使得企业产品的质量、生产效率等都达不到 市场竞争的要求。媒体也不断呼吁“高薪难聘高素质的数控人才”。数控人才的 严重短缺成为全社会普遍关注的热点问题，教育部、劳动与社会保障部等政府 6 部门正在积极采取措施，加强数控技术人才的培养。 数控技术的研究开发，数控产品的推广应用，需要大批高素质的数控专门 人才，数控教学和培训因此处于十分重要的地位。如何培养既懂一定理论知识 又具有实际操作技能的高素质应用型数控人才一直以来都是人们普遍关注和重 视的问题。 1 4 数控实验实训设备现状分析 为了加快数控人才的培养，提高数控技术及相关课程鳃教学效果，开发高 效的数控实验培训装置、使用快速有效的培训方法是非常必要的。 数控技术及其相关课程实践性极强。国外许多上业发达国家数控化率己达 到5 0 8 0 以上，高等学校和职业学校都有完善的数控教学和实验体系，并有专 业公司生产提供各种教学培训装置。学校一般跟工厂直接接轨可在工厂的生 产现场，利用生产型的数控机床对学生进行培训。 在我国，作为技术人才培养摇篮的高等院校、中专技校，学生动手能力与 实际经验较差。我国数控技术和数控机床在企业中的应用远不及发达国家，要 对学生进行数控技术的培训，只有学校自想办法，开设一些数控教学实验来达 到培训的目的。但山于受到经费等因素的限制，大部分院校实验、实习的条件 较差，学校购买的数量有限的昂贵的数控机床，无论从数量上还是从成本、安 全上考虑都不适合于学生的普及教学和实验。 现行的数控仿真培训系统可进行数控编程和加工仿真，但由于没有跟实际 机床相连，不能进行实际的加工切削，只能给操作者以感性的认识。许多数控 仿真培训系统是基于d o s 操作系统，功能单一，其用户界面可视化程度差。而 新开发的基于w i n d o w s 9 8 的数控培训i 系统又限于在电脑屏幕上进行加工仿真， 既不能进行实际加工切削，又不能得到对数控机床的结构和电气组成的直观认 识，操作者的实际操作技能得不到训f 练，并且没有以市场占有率最高的 s i e m e n s 和f a n u c 数控系统为模拟对象，不能适应数控教学的实践训练【l 引。 另外，数控机床只能用于数控操作与编程练习，而对于数控机床电气应用 学习，仅有数控机床是不行的，因为数控机床主要电器一般放在机床电气柜中， 功能不具开放性，电气调试和维修需专业人员，机床厂家都不希望最终用户修 改出厂参数和相关技术内容。而数控机床电气学习恰恰希望通过参与开放性的 数控机床的应用来学习掌握数控系统的电气设计、电气组成、参数设置、数控 编程、梯形图设计、故障诊断等多项综合实验实习功能，通过综合实验实习， 才能达到理论联系实际和综合动手能力的提高【l 9 j 2 0 o 为了解决数控机床高效生产和需停机培训的矛盾，改善学校在培养数控机 床操作、编程、安装、调试和维修等综合数控实验、实训效果，需要开发新型 数控综合实验装置。 1 5 课题来源、主要内容及意义 本课题来源于合肥工业大学c i m s 研究所承担的合肥工业大学实验室自制 仪器设各项目一s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的研制开发，笔者参与了该项 目，本论文是在此基础上撰写的。主要包括以下内容； ( 1 ) 介绍了数控技术、数控机床的产生发展概况，分析了国内数控人才培 养、数控实验设备基本情况和存在的问题。 ( 2 ) 开展s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的总体设计，主要完成了f a n u c0 i m a t e t c 数控系统的选用与硬件配置、连接和电路设计等工作。 ( 3 ) 分析了s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的参数设置、p m c 程序编制的方 法、实验台的操作与功能，重点研究了开关量i o 地址分配、电路设计以及常 见电器故障点的设置与分析。 ( 4 ) 研究了局域网的基本概念和组建技术，设计了用于s t a r 一0 6 t 数控 综合实验台的局域网，拓展了实验台的功能，增强了实验效果。 s t a r 一0 6 t 数控综合实验台采用开放式的结构，将数控系统、电气系统和 执行部件做成展台的形式，建立了基于f a n u c0 im a t e t c 数控系统的柔性数 控实验平台，使数控系统硬件组成、信号连接走向、参数含义和程序执行过程 直观化。可面向高校开设数控技术、计算机控制技术、机电传动技术、机电控 制等课程实验。 利用s t a r 一0 6 t 数控综合实验台，可以实现以下功能：直观认识和掌握 f a n u c 数控系统原理和数控加工程序的执行过程、数控系统弱电信号和强电控 制信号匹配连接的电气控制原理：编制数控加工程序并加工仿真；设置数控系 统参数，编写p m c 程序，并通过局域网实现p c 机与实验台c n c 之间信号的 相互传递；根据所给电路图拆装电气元件；实现电动刀架、侍服电机、主轴电 机等执行件辅助动作的运动控制；常见数控系统故障的分析与处理。因此，s t a r 一0 6 t 数控综合实验台的研制成功对于提高数控技术及相关类课程的实验教学 效果、培养数控技术应用型人才都将起到积极的推动作用。 第二章s t a r 一0 6 t 数控综合实验台总体设计 2 1 数控机床的组成与工作原理 数控机床由以下几个部分构成，如图2 1 所示。 。一一一一一一r f机床i o 电路和装置卜_ 卜 机床 巨囫耍蛩墅至卧 主进辅 ； 运给助 - 黎笺薷 霎霎帽骨i 机机机 构构构 j 捆“岜士p 时_ l ： 图2 1 数控机床的组成 1 数控装置 数控装置是数控机床的核心，主要有硬件数控装置和计算机数控装置两种 形式，现在多采用计算机数控装置，简称c n c 装置。主要功能是：实现输入数 字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各 种控制功能。 现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人工现场输入、通过 磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读机输入等。现代数控 系统均配置有大容量存储器r a m 来存储已输入数控系统的加工程序。通过数 控系统的显示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。 2 伺服驱动装置 这是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、 主轴电机进给电机等。数控机床的主轴和进给系统是由数控装置发出指令，通 过电气或电液伺服系统实现的。当几个进给轴实现联动时，可以完成点位、直 线、平面衄线或空间曲线面的加工。 3 数控机床的辅助装置 这是指数控机床的一些必备的配套部件，用以保证数控机床的运行。它包 括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括 刀具及监控检测装置等。 4 编程机及其他一些附属设备 现代数控机床不仅可以用c n c 装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以 利用自动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上( 如纸 带、磁带、磁盘等) ，然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用 这种自动程序编制的方法。 5 机床本体 机床本体是在数控机床上自动完成各种切削加工的机械部分。包括床身、 立柱、立轴、进给机构等机械部件。根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、 钻床、锉床、磨床、重型机床、电加工机床以及其它类型 3 j 【4 】 5 】【2 。 2 2s t a r 一0 6 t 数控综合实验台设计思想 对于数控机床操作与编程学习，一般只要有数控机床即可实践教学，而对 于数控机床电气应用学习，仅有数控机床是不行的，因为数控机床主要电器一 般放在机床电气柜中，功能不具开放性，电气调试和维修需专业人员，机床厂 家都不希望最终用户修改出厂参数和相关技术内容。而数控机床电气学习恰恰 希望通过参与开放性的数控机床的应用来学习掌握数控系统的电气设计、电气 组成、参数设置、数控编程、梯形图设计、故障诊断等多项综合实验实习功能， 通过综合实验实习，达到理论联系实际和综合动手能力的提高。根据学生学习 的特点，设计数控综合实验台时，主要考虑以下几个方面问题： ( 1 ) 数控车床应用比较广泛，结构相对简单，故试验台设计以数控车床为 模拟对象，既便于学生掌握数控系统，又可以降低造价； ( 2 ) 选用功能强大、工作安全可靠、性能完善、市场占有率高的数控系统， 尽可能多的把先进的数控系统功能开放给学生学习： ( 3 ) 采用开放性和模块化的结构设计，尽可能的把组成数控机床的电气部 分都能在实验台上展示，让学生有一个完整的数控机床电气组成的概念； ( 4 ) 考虑数控系统功能的扩充，在使用的过程中可不断开发新的实验功能， 机械执行件可以根据需要灵活配置； ( 5 ) 充分考虑安全性的设计原则，在保证实验效果的前提下，实验台的操 作既能保证学生的安全，又能保护贵重的实验装置； ( 6 ) 数控实验台应具有较强的联网通信功能，可在实验室组建局域网与试 验台相连，并与校园网接通，拓宽试验台的功能，提高实验实训的效果【1 8 】1 2 。1 。 2 3s t a r - - 0 6 t 数控综合实验台数控系统的选用与配置 2 3 1 数控系统类型的确定 经过广泛的分析和调研，s t a r 一0 6 t 数控综合实验台选用日本f a n u c0 i m a t e t c 数控系统。f a n u c 系统在中国市场占有率较高，选用该系统有利于学 生对先进数控系统的了解与掌握，且具有以下特点： 1 系统具有很高的可靠性 数控机床已经成为现代化生产线上必不可少的加工设备，因此它必须能够 长期无故障地连续运行在恶劣的环境中。为了能够达到这一要求，作为数控机 床的控制核心一一数控系统必须具有很高的可靠性。f a n u c 系统正是以产品的 可靠性作为研发的重点之一。 ( 1 ) 系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板 高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。f a n u c0 i 系统更进 一步提高了集成度，在继0 系统的基础上，还集成了f r o m 和s r a m 模块、 p m c 模块、存储器和伺服模块，从而将体积交得更小，可靠性更高。 ( 2 ) 采用机器人焊板，减少了人为参与，实现了全自动的制造，避免了由 于人为不慎所造成的失误，大大提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为0 4 5 ， 相对湿度为7 5 ( 短时间内可达到9 5 ) ，抗振动能力为0 5 9 ，电网波动为 1 5 1 0 。 ( 4 ) 有较完善的保护措施。和其他数控系统相比，f a n u c 对自身的系统 采用比较好的保护电路，可在调试过程中反复断电、上电，中间不需要间隔很 长时间，丝毫不影响系统的正常工作。 2 功能全，适用范围广 ( 1 ) f a n u c 系统所配置的系统软件具有比较齐全的功能和选项功能。对 于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求，这样的配置功能较齐全， 价格亦比较合理。对于某种特殊要求的机床需增加相应的功能，这些功能只需 要将相应的功能参数打开或加相应板卡( 由于各个板卡为可拆换的集成板卡。 拆装非常方便) 即可使用，既方便，又可靠，同时又节省财力和物力。 ( 2 ) 提供大量丰富的p m c 信号和p m c 功能指令。这些丰富的信号和编 程指令便于用户编制p m c 控制程序，而且增加了编程的灵活性，不同的编程 思路产生同一个控制结果，真正实现了个性化的控制。 ( 3 ) 具有很强的d n c 功能，系统提供串行r s 2 3 2 c 传输接口，使p c 和 机床之间的数据传输能够可靠完成，从而实现高速度的d n c 操作。同 时f a n u c0 i m a t e t c 系统又增加“多段程序预读控制功能”和“h r v ”( 高 响应矢量) 控制，又具有“h s s b ”( 高速串行总线) 控制功能，使执行程序的速 度和精度大大提高。 ( 4 ) 提供丰富的维修报警和诊断功能。f a n u c 维修手册为用户提供了大 量的报警信息，并且以不同的类别进行分类，每一条维修信息和诊断状态相当 于医生的处方一样，便于用户对故障进行维修2 2 】 23 1 。 2 3 2 数控系统的硬件配置 f a n u c 数控系统0 i c 0 im a t e c 是高可靠性、高性价比、高集成度的小 型化系统，于2 0 0 4 年4 月在中国大陆市场上推出。该系统是基于1 6 i 1 8 i b 的 技术设计的，代表了目前常用c n c 的最高水平。使用了高速串行伺服总线( 用 光缆连接) 和串行i o 数据口，有以太网口。0 i m a t e t c 是普及型车床数控系 统，价格相对较低，只配1 3i s 伺服电机和bi 主轴电机，控制轴数为3 轴，可 连一个i ol i n kbi 伺服轴以控制外部机械。用于两轴联动的数控综合试验台 非常适合【2 4 】。选用配置如下： ( 1 ) 数控基本单元 选用f a n u cs e r i e r s0 im a t e t c 基本单元，结构如图3 1 所示，c n c 的 印刷板置于显示器的后面，体积非常小，结构紧凑，便于布置。系统的显示器选 用7 2 英寸单色l c d ( 液晶显示器) ，l c d 与c n c 单元集成为一体，在显示器 的右面配有m d i 键盘。 c n c 基本单元配有c p u 卡、显示卡d ( 7 2 英寸) 、存储卡h ( 3 2 m 1 m ) 、2 轴运动控制卡、电源单元、主板( p m c s a l ) 。 图2 2 c n c 单兀的结构 ( 2 ) 伺服驱动部分 选用1 3i 系列s v s p2 0 2 0 5 5 伺服放大器，此款伺服放大器可实现3 伺服 轴+ 1 主轴一体化设计，节省配线，结构紧凑，维修性能优良，具有卓越的性能 价格比和充足的功能。配套选用bi 系列交流伺服电机和主轴交流电机。结构 如图3 2 所示。 主电机1 台，型号为1 3i i3 1 0 0 0 ，该电机采用最佳的绕组设计和高效率的 冷却结构，机身设计紧凑，同时实现高输出和高扭矩。通过主轴h r v 控制实现 高效率、低发热，低成本，适合用于数控试验台。 x 轴、z 轴伺服电机各一台，型号为bi s2 4 0 0 0 ，该电机通过优化的磁极 结构和机构设计，采用独特的转子形状，缩短了轴长，体积小，重量轻，结构 紧凑，实现了进给轴所需的平滑旋转，可以得到较高转矩，并能实现快速加速。 装有小巧的高分辨率的1 3i 系列脉冲编码器( 分辨率为1 2 8 ，0 0 0 r e v ) ，可实现高 精度进给。 图2 31 3 i 系列伺服放大配置结构 ( 3 ) 其他附件 i o 接口：0 i c 0 im a t e - t c 系列使用的i o 接口为i o 单元( 9