（机械制造及其自动化专业论文）任意母线砂轮修形机控制系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文介绍以p m a c 运动控制器为基础的任意母线砂轮修形机的原理和功能。 将砂轮修形和数控技术相结合，产生一种新型的砂轮母线修形技术。通过对数 控系统中控制软件等核心部分的设计和功能的介绍，全面剖析一种新型的成型 砂轮母线修形技术。实验证明整套设备达到精度和效率的要求。 首先，进行控制系统电路设计。控制系统采用的是开放式数控系统，主控制 部分选用普通p c 机，在开放式的系统基础上借助p m a c 运动控制器开发的数控 系统。数控系统的硬件选型原则是在满足机床功能和精度要求的前提下，保证 较高的可靠性和兼容性。机床数控系统硬件包括：主轴驱动电动机、伺服驱动 装置、p m a c 运动控制器、主机。 其次，在原有基础上对用户控制软件的功能进行扩展和实现。用户应用软 件包括三部分：p c 机的人机界面应用程序、上下位机进行通讯的通讯驱动程序 和p m a c 中对各种输入输出量进行监控的p l c 程序。其中通讯程序利用d e l t at a u 公司提供的p c o m 3 2 和p m a c d l l 进行开发；p l c 程序可在p e w i n 3 2 p r o 中编写， 然后下载到p m a c 卡；人机界面应用程序采用m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 6 0 语言进行开发，基于动态链接库p m a c d l l 编写应用程序模块。p m a c d l l 是一个 由2 0 0 多个函数组成的动态链接库，包括了p c 机和p m a c 进行通讯的所有方式。 利用v i s u a lc + + 调用这些函数就可以完成p c 机和p m a c 之间的数据交换，实现 对机床的控制。 再次，利用系统p l c 程序对应编写和实现控制面板上按钮功能。在p m a c 系 统中，p l c 程序与控制面板上功能是一一对应的。p l c 程序可在p e w i n 3 2 p r o 中 编写后下载到p m a c 卡上，实现控制面板功能。p l c 程序在监视模拟和数字输入、 设置输出、发送信息、监视运动参数、像主机一样执行命令、改变增益以及开 始和停止运动时是特别有用的。 关键词：数控系统，砂轮修形，p l c 程序 i i a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o n so faf r e eg e n e r a t r i xg r i n d i n g w h e e lm o d i f j c a t i o nm a c h i n eb a s e do np m a c m o t i o nc o n t r o l l e r an e wt e c h n i q u ei s d e v e l o p e db yc o m b i n i n gt h eg r i n d i n gw h e e lm o d i f i c a t i o nt e c h n i q u e w i t hn u m e r i c a l c o n t r 0 1t e c h n o l o g y t h i sn e wg e n e r a t r i xm o d i f i c a t i o nt e c h n i q u ei sr o u n d l yi n t r o d u c e d b vi n t r o d u c i n gt h ed e s i g na n df u n c t i o no ft h ec o r ep a r t so fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， s u c ha sc o n t r o ls o f t w a r ee t c t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i se q u i p m e n t s a t i s f i e st h e p r e c i s i o na n de f f i c i e n c yr e q u e s tc o m p l e t e l y t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t so p e ns t y l en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t h em a i n c o n t r o l p a i tc l l o o s e sc o m m o np e r s o n a lc o m p u t e r , b a s e dt h eo p e ns t y l es y s t e mf o u n d a t i o n ，t h e n u m e i l e a lc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e dw i t ht h ea i do ft h ep m a c m o t i o nc o n t r o l l e r t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r es h a p i n gp r i n c i p l ei s ，i ns a t i s f i e st h ee n g i n e t o o l ，sf u n c t i o na n dt h ep r e c i s i o nr e q u e s tp r e m i s e ，g u a r a n t e e d ah i g h e rr e l i a b i l i t ya n d c o m p a t i b i l i t y t h ee n g i n et o o ln u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ei n c l u d e s ：s p i n d l e d r i v em o t o r , s e r v od r i v ee q u i p m e n t ，c o n t r o lc o r e - p m a c ，t h ep e r s o n a lc o m p u t e r t h ep l cp r o g r a mi sc o r r e s p o n d i n gw i t h t h ef u n c t i o no nt h ec o n t r o l l i n g p a n e l t h ep r o g r a mc a nb ef i r s te d i t e di np e w i n 3 2 p r o ，a n dt h e n d o w n l o a d e dt o p m a cc a r dt oc a t t yo u tt h ef u n c t i o no i lt h ep a n e l t h ep l cp r o g r a mc a ni n s p e c tt h e i n p u to fa n a l o g d a t ea n dd i g i t a ld a t e ，s e t u po u t p u t ，s e n dm e s s a g ea n di n s p e c t p a r a m e t e r so fm o v i n g , j u s tl i k eh o s t sd o i n g ，s oi t sv e r yu s e f u li nc h a n g i n gp l u s ， s t a r t i n go rs t o p p i n gt h em o v e m e n t u s e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r ei n c l u d e st h r e ep a r t s ：u s e ri n t e r f a c ea p p l i c a t i o no fp c ， c o m m u n i c a t i o nd r i v e ro fu p p e r 1 0 w e rc o m p u t e ra n dp l cp r o g r a m w h i c hc a nm o n i t o r a 1 1k i n d so fi n p u ta n do u t p u ti np m a c c o m m u n i c a t i o nd r i v e rw i l lb ed e v e l o p e db y p c o m m 3 2a n dp m a c d l lp r o v i d e db yd e l t at a uc o r p o r a t i o n ；p l cp r o g r a mc a nb e c o m p l i e di np e w l n 3 2 p r o ，t h e nc a nb ed o w n l o a d e dt o p m a cc a r d ；u s e ri n t e r f a c e a p p l i c a t i o nw i l lb ed e v e l o p e db yv i s u a lc + + 6 0 ，b a s e do nd y n a m i cl i n kl i b r a r y p m a c d l lt oc o m p i l ea p p l i c a t i o nm o d u l e p m a c d ui sad y n a m i c l i n kl i b r a r yw h i c hi s c o m p o s e do fm o r et h a n2 0 0f u n c t i o n s ，a n di t i n c l u d e sa l lc o m m u n i c a t i o nm e t h o d s i i i 武汉理工大学硕士学位论文 b e t w e e np ca n dp m a c u s i n gv i s u a lc + + t ot r a n s f e rt h e s ef u n c t i o n sc a l la c c o m p l i s h d a t ae x c h a n g eb e t w e e np ca n dp m a c ，a n dt h ec o n t r o lo fm a c h i n et o o lc o u l db e r e a l i z e d k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，g r i n d i n gw h e e lm o d i f i c a t i o n ，p l cp r o g r a m i v 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 签名：呲日期：幽： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 数控技术的发展 1 1 1 数控系统概念 第1 章绪论 数控技术是2 0 世纪4 0 年代后为适应加工复杂外形零件而发展起来的一种 自动化加工技术。数控系统是数字控制系统( n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 的 简称，是用数字控制技术实现的自动控制系统，可以控制各种生产过程。早期 由硬件电路构成的称为硬件数控( h a r dn c ) 。7 0 年代以后硬件电路逐步由专用 的计算机代替，称为计算机数控系统( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 。数控加工 技术是现代自动化，柔性化以及数字化生产加工技术的基础与核心。它的发展 与运用开创了制造业的新时代，使普通机械被数控机械替代，使全球制造业发 生了根本性的变化。数控技术的普及与运用程度已经成为了衡量一个国家综合 国力和工业现代化的重要标准。 目前，国内外十分重视数控加工技术的研究。近年来由于国际市场上的竞 争日益激烈，工业发达国家纷纷投入巨资发展数控技术。并且取得了丰硕的研 究成果。随着社会多样化要求和其相关技术的进步，数控加工技术将向着更广 泛和更深层次发展，将为社会带来更大的经济效益。 如图i - i 所示，数控机床由程序编制及程序载体、输入装置、数控装置( c n c ) 、 伺服系统及位置检测装置、辅助控制装置、车床本体等几部分组成乜。 程输 数 伺服驱动及位 序 入 控 置检测装置 主运动进 载 装 装 给运动辅 置 辅助控制 助动作 体 置 n 2 ( 即强电控制) n 转詈 图1 - 1 数控车床整体结构框图 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 程序编制及程序载体数控程序是数控车床自动加工零件的工作指令。 在对被加工零件进行工艺分析的基础上。确定零件坐标系在车床坐标系上的相 对位置，即零件在机床上的安装位置，刀具与零件相对运动的尺寸参数，零件 加工的工艺路线! 、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到以上各种 信息后用文字数字和符号组成才标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零 件加工的数控程序单。 ( 2 ) 输入装置输入装置的作用是将数控代码传递并储存到数控系统中去。 主要包括：光电阅读机，磁带机或软盘驱动器等。此外还可以通过键盘输入直 接存储到系统中或通过编程计算机r s 2 3 2 接口技术传递到数控系统中 ( 3 ) 数控装置数控系统的核心。将加工程序通过数控系统的逻辑电路或控 制软件系统进行编译、运算和逻辑处理后输出各种控制指令和信息，数控机床 个部分的工作按指令有序的动作。 ( 4 ) 驱动装置及位置检测装置驱动装置接受来自数控系统的指令和信息， 经功率放大后，严格按照指令和要求驱动机床移动部件，以加工出符合图纸要 求的零件尺寸。 ( 5 ) 辅助控制装置辅助控制装置作用是接收数控装置输出的开关量指令信 息，通过编译逻辑判断和运算，再经过功率放大驱动相应的电器，带动车床的 机械、液压、气动等辅助装置完成指定的开关量动作。 ( 6 ) 机床本体由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运 动装置、液压气动装置、润滑和冷却系统组成。 1 1 2 数控修形技术简介 在磨床上用砂轮对工件表面进行切削加工的方法称为磨削加工。它是零件的 精加工方法之一，有时也是精密机械加工最终加土工序，因此直接决定工件的 质量。成型磨削的特点是砂轮被修整成与工件轮廓相吻合的形状，成型磨削的 精度在很大程度上取决于砂轮修形的精度，该项目介绍的是成型砂轮高精度修 形的关键技术。 采用参数化设计与反求技术进行砂轮成型重构，通过几何及物理仿真补偿数 控修形实现成型砂轮修形，数控砂轮修形将砂轮形状重构、砂轮的修形工艺与 数控技术相结合，通过n c 程序修形出任意母线砂轮，可使砂轮修整达到柔性好、 2 武汉理工大学硕士学位论文 精度高、效率高的目的。 1 ，1 3 数控修形技术的发展现状和趋势睁伽 目前发达国家成型磨削应用很普及，成型磨削的特点是：效率高，工件的一 致性好，对操作人员的技能水平要求相对低一些。要实现成型磨削，首先要解决 修整问题。目前通用的修整方法是：单点金刚石修整笔数控修整，此方法对机床 的综合技术指标要求较高，机床造价较高。复杂型面修整时，采用金刚石滚轮切 入修整的方法对降低了对机床技术的指标和造价要求。这两种方法相比较，金刚 石滚轮切入修整法效率更高。每次修整时间只需几秒钟，成型能力强，型面精度 稳定，特别是在批量生产中更能发挥它的经济效益。随着我国机械工业的发展， 利用成型金刚石滚轮修整砂轮来实现成型磨削的方法越来越多地被生产厂家采 纳，研制高精度金刚石滚轮修整装置就成为必然。 目前在国外已经产生了一些专门面向企业，对外进行砂轮修形，以及生产 修形部件的公司，比如美国的r u s hm a c h i n e r y 就是一家制造校正和修整机床的 公司。他们把车间工具磨床的砂轮校正和修整分为采用联机或离线系统。 离线修整的专用校正和修整机床是独立的，因此离线修整不妨碍磨削操作。 这些机床适应整个的砂轮组件，它们服务于同一车间内许多台磨床。大多数切 削刀具车间使用他们的一套离线修整系统能够服务1 0 台或以上的磨床。使用这 些机床的车间，使用两套砂轮组，一套砂轮正常工作，同时从磨床的自动换砂 轮装置，卸下各个磨损的砂轮组件，校正和修整这些组件，再把它们装回换砂 轮装置上。 砂轮修形在国外某些企业已经不仅仅是某一个或几个厂家的需要，大多数 使用成形磨床的生产厂家几乎都需要用到砂轮修形技术，而且有些厂家的需求 量还非常大。国外甚至出现了一些专门生产砂轮修形设备，或是对外进行砂轮 修形的企业。可见砂轮修形技术在国外制造业中的重要性和普遍性。 然而，当前国内大部分的生产厂家使用的都还是比较落后的手工修整的方 式，而不是自动修形技术。这种砂轮修形方式更多的是凭借工人的经验来获取 砂轮外形，因而在砂轮外形的控制上存在着很大的不确定性和偶然性。砂轮修 形技术主要依靠磨床原有的手动修形器，而专用砂轮修形设备也都还处于专利 研究阶段，如西安交通大学唐撷茹、赵一丁、林其骏等人申请的“一种机控砂 3 武汉理工大学硕士学位论文 轮修形装置 ，由两个步进电机带动金刚笔进行修形，主要修磨圆弧曲线；广州 数控设备有限公司与广东工业大学联合研制的仿形砂轮数控修行系统。这些修 形系统具有应用局限，无法进行大规模生产。 我国砂轮数控修形技术与国外相比存在着较大的差距，随着中国正日益成 为一个制造大国，对于磨床以及相关配件的要求越来越高，因此，必须深入研 究开发砂轮数控修形技术。 1 2 本论文的主要内容和工作 1 2 1 选择本论题的目的和意义 在砂轮修形中应用数控技术，通过n c 程序修形出任意母线砂轮。并且在这 个基础之上采用p l c 以及编程语言对p m a c 系统进行适当的开发实现任意母线的 参数化加工，选择合理的插补方式及速度进给，提高修形的精度和表面质量以 及加工效率n 卜埔】。 研究意义：随着控制技术的发展以及p c 机的广泛应用。数字化技术和制造 业技术相融合形成了数字化制造技术，数控技术越来越广泛的应用到实际的加 工中来。目前国际中对生产中机床的实际要求越来越高，即要专床专用尽可能 的提高生产效率，又要满足柔性制造系统的要求，最大范围内实现对工件的加 工。所以在这种前提条件下任意母线砂轮修形数控机床的研究和开发就具有了 很大的实用和教学意义。 目前，机械工程领域内对工件的精密加工有很大的需求，磨削是实现精密加工 的传统方法。工件的外形多样，普通的磨削方法需要采用多次装夹的方式来实 现磨削加工，必然降低了精度。将砂轮修形成和工件外形一致，采用一次装夹 的加工方式不仅效率高而且可以更容易的满足精度要求。数控砂轮修形将砂轮 的修形与数控技术相结合，可使砂轮修整达到柔性好、精度高、效率高的目的。 研究目的：了解p m a c 控制系统的具体原理及其控制指令。掌握使用p l c 和 编程语言调用p m a 指令控制伺服电机转动实现数控加工，并且在此基础上进行 相关的开发，产生一种底层完全开放，具有很大可操作性的数控系统。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 本论文的背景及其研究任务 数字化技术与制造业技术想结合形成了数字化制造技术，该技术在制造业 领域中造成了重大技术革新。数控技术是先进制造技术的基础和核心，数控机 床在现代化制造系统中处于基础性的地位。 成型砂轮修形的特点： 将砂轮轮廓修整成与零件形状一致的形状，在使用砂轮磨削工件时，砂轮 与工件轮廓全面接触，从而加工出整个零件的外形，是一种精度高，效率高， 成本低的精加工方法。目前，随着制造也中精度、效率和成本等方面要求的增 加以及大量难加工材料的出现促使了成型磨削技术的发展。 课题的主要工作： 1 设计砂轮修形机控制柜各个元件之间连线，保护电路部分的部件选用和 安装。在板卡选型的基础上设计各种电路实现输入输出信号的相互转换，控制 功能的实现等。 2 设计机床p l c 模块零件程序中的开关功能和由机床传来的信号在这个 模块中做逻辑处理，实现各功能和操作方式间的联接。主要包括控制面板功能 按钮的实现。 3c n c 控制系统控制软件的设计与优化c n c 装置由软件和硬件组成，硬件 为软件的运行提供支持环境。而c n c 系统的软件结构不仅取决于c n c 系统本身 的功能和所应完成的任务，也取决于c n c 装置中软件和硬件的分工。通过设计 控制软件，实现自动加工，刀具补偿，坐标系设置等各项功能。 5 武汉理_ t 大学硕士学位论文 第2 章任意母线砂轮修形机数控系统设计 2 1p m a c 系统介绍 2 1 1p m a c 功能 d e l t at a ud a t as y s t e m 的可编程多轴控制器( p m a c ) 是一个拥有高性能 伺服运动控制器，它通过灵活的高级语言，可最多控制三十二轴的同时运动。 p m a c 通过一个功能强大的数字信号处理器( d s p ) ，给多轴运动控制器一个高的 性价比。其应用范围是很广泛的，p m a c 可以应用于各种设备，从精密到小于百 万分之一英寸的精密仪器到需要数百千瓦的大型设备。其用途包括机器人、机 床、纸和木材加工作业、包装、激光切割等许多方面。 p m a c 的主要功能有：执行运动程序是p m a c 的主要功能，在执行运动程序时， p m a c 支持2 5 6 个运动程序。任意坐标系下的任何时间都可以执行运动程序中的 任何一个。 执行p l c 程序p l c 程序用于在任何运动程序运行的同时，在后台进行监视 和计算。编写p l c 程序与编写运动程序很类似，并使用同一种语言( 无运动命 令) 。最多达3 2 个有效或无效的p l c 程序。 伺服环更新先根据运动程序或别的运动命令得到要求的位置的增量，然 后与反馈传感器读取的实际位置相比较，最后在两者之间的差的基础上发出一 个输出命令使此差值最小。 换向更新p m a c 会以一个固定的频率进行换向更新，对电机进行控制。这 个功能是自动完成的，不需要任何命令。 资源管理p m a c 会定期执行资源管理功能，确认整个系统处在正常的工作 情况下，此外还包括安全检查，例如随动误差限制，硬件超行程限制，软件超 行程限制，放大出错等。 与主机通讯p m a c 可以在任何时候与主机进行通讯。p m a c 接受一个命令， 然后采取相应的动作，将命令存放在一个程序缓冲区里，以便执行。 6 武汉理工大学硕士学位论文 任务优先级按照优先级电路组织任务，使任务的执行最优化， 的有效安全的运行，优先级固定后，用户可以控制程序运行的频率。 p m a c 是灵活的运动控制器，它可以与各种类型的主机，驱动器， 感器一起完成各种类型的功能，因此，我必须应用软件和硬件特性， 功能对其进行设置，以使它能正常工作。 2 1 2 任意母线砂轮修形机控制系统简介： 保证程序 电机和传 为特定的 图2 - 1 任意母线砂轮修形机控制框图 如图2 - 1 ，通过n c 程序控制x 、y 方向伺服驱动装置和定位组驱动金刚笔来 修形的砂轮。旋转驱动组件驱动被修形的砂轮旋转；y 方向的伺服驱动及定位组 件驱动金刚石修形器沿y 方向作直线运动，同时其定位部分获得y 的坐标：x 方 向的伺服驱动及定位组件驱动x 方向导轨沿x 方向作直线运动，同时其定位部 分获得x 的坐标；c n c 数控系统用设计的母线控制x ，y 方向的驱动及定位组件 联动将成型砂轮的母线修形成任意一种需要的形状。x ，y 方向的驱动及定位组 件的定位部分获得的x 坐标和y 坐标，可以反馈到c n c 数控系统，修正x 向和y 向的位置误差。运动控制器与p c 机、控制面板连接。p c 机中存储了采用v c + + 语言编制的专门控制软件，该软件可以读取n c 程序。控制面板上设置有x v 轴 选择、正负方向移动、主轴电动机正转、以及快速慢速进给倍率等按钮，可 以实现对机床的直接控制。c n c 控制系统是以p m a c 运动控制器为基础开发的专 用控制系统蚪引。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 控制柜内部元件选择 c n c 装置是数控系统的核心，起功能和指标决定了数控系统的档次。控制轴 数、联动轴数、插补功能、进给速度、辅助功能、显示通讯功能等都是由c n c 装置的对应功能决定的。 数控砂轮修形机的控制系统采用的是开放式数控系统，上位机选用普通的 p c 机，在开放式的平台上借助p m a c 运动控制器开发成任意母线砂轮修形的数 控机床系统，从而控制机床。其中硬件的选型原则是：在满足机床的功能和精 度要求的前提下，保证较高的可靠性、性能价格比例和兼容性。机床数控系统 硬件包括：主轴驱动电机、进给伺服驱动装置、检测反馈元件、p m a c 运动控 制器、p c 机。凹】。 2 2 1 内部高压元件性能与型号 2 2 1 1 滤波器 电源滤波器的作用就是减少电源干扰，而电源干扰可以分为两类：普通模式 和共通模式。普通模式是两组输入电源线之间的杂讯，这种杂讯通常是在关机和 开机时产生。 2 2 1 2 空开开关 空开开关断电器是用来保护电路的。图2 2 ，其选型原则是与电路中的电器 元件无关，只与整个电路的承载能力有关。整个电路的装机容量决定了最大电 流。线路计算负载电流断路器额定电流导体允许持续载流量，选择多大规 格的空气开关( 断路器) ，不是由您的电器数目决定的，是由负荷和导线允许承 载能力决定的。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 空开开关图2 - 3 西门子电磁继电器 2 2 1 3 电磁继电器的作用与选择 电磁继电器的作用是用低电压、弱电流控制高电压，强电流。它是利用电 磁铁通断电流来控制磁性的有无来工作的，图2 - 3 。 1 、整个电磁继电器的作用相当于一个“开关”，通过低电压产生电磁力间 接控制高电压。 2 、这个开关的通或断动作，是依靠铁芯部分磁力的吸或放带动衔铁的实现 高压电的通断： 3 、电磁铁的工作线圈中的电流的通或断( 从而使电磁铁吸或放) 则由人工 手动控制或别的器件自动控制，这线圈中的电流通过低压线圈产生的，起安全 性更高。 任意母线砂轮修形机选用西门予接触器。型号：3 t b 4 0 2 2 额定电压 2 4 ，3 6 ，l i o ，2 2 0 ，3 8 0a c ( v ) ，额定电流9 a 。机械寿命1 0 0 万次。 2 2 2 低压电路控制元件选择 2 2 2 1 进给伺服驱动装置的选型 在数控系统中，伺服电机及其驱动装置的选用是非常重要的，其中常用的 伺服电机包括步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机以及力矩电 机。安川伺服驱动器及伺服电机是世界上应用最广泛的伺服单元之一，具有整 武汉理工大学硕士学位论文 定时间短、高速高精度以及运行平稳等优点。因此在该系统的开发中采用了安 川伺服电机和驱动器作为系统x 轴和y 轴的伺服驱动装置。x 轴和y 轴均选用 的是e i l 系列产品s g m a h 0 4 a a a 4 1 伺服电机及其s g d m 0 4 a d a 伺服驱动器。 1 2 7 n m 扭距，0 1 7 3 k g c l l l 2 惯量( 可带3 0 倍以内惯量) ，3 0 0 0 转，1 3 位增量 式码盘。 2 2 2 2 限位开关的选用： 行程开关又称限位开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生 产中，将行程开关安装在预先安排的位置，当装于生产机械运动部件上的模块 撞击行程开关时，行程开关的触点动作，实现电路的切换。因此，行程开关是 一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。 行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。 在电梯的控制电路中，还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的 限位，轿厢的上、下限位保护。 行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。 ( 1 ) 直动式行程开关。动作原理与按钮开关相同，但其触点的分合速度取 决于生产机械的运行速度，不宜用于速度低于0 4 m m i n 的场所。直动式行程开 关的主要组成部件有t 推杆、弹簧、动断触点、动合触点。 ( 2 ) 滚轮式行程开关。其结构原理，当被控机械上的撞块撞击带有滚轮的 撞杆时，撞杆转向右边，带动凸轮转动，顶下推杆，使微动开关中的触点迅速 动作。当运动机械返回时，在复位弹簧的作用下，各部分动作部件复位。滚轮 式行程开关组成包括滚轮、上转臂、弹簧、套架、滑轮、压板、触点、横板。 滚轮式行程开关又分为单滚轮自动复位和双滚轮( 羊角式) 非自动复位式，双滚 轮行移开关具有两个稳态位置，有“记忆 作用，在某些情况下可以简化线路。 ( 3 ) 微动开关式行程开关的组成：1 推杆2 弹簧3 压缩弹簧4 动断触点 5 动合触点该砂轮修形机采用l x w 5 一a 11 g 3 型号限位开关，相关参数如下： 额定电压：3 8 0 v a c ，2 2 0 v d c 电流：1 0 a 功率1 0 w 2 2 2 3 检测元件的选型 本数控系统选用安川伺服电机s g m a h 一0 4 a a a 4 1 ，其自带的1 3 位增量式 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 编码器直接安装在轴端。在导轨上没有安装光栅，丝杠、导轨等大部分机械传 动环节未包括在系统的闭环环路内，因此对机床构成了半闭环控制。其优点是 可获得较稳定的控制特性，但是丝杠、导轨等机械传动误差不能通过反馈来随 时校正对于这一点我们在软件里可通过补偿方法来适当提高其精度。1 3 位增 量式编码器为2 0 4 8 线，即一圈发出2 0 4 8 脉冲，在p m a c 卡中做4 倍频译码。表 示编码器分辨率的位数与编码器信号输出( a 相、b 相) 的脉冲数并不相同，编 码器脉冲数x 4 ( 倍增) 之后才等于表示分辨率的位数。 其精度指标如下： 分辨率( 每转脉冲数) r = p = 2 0 4 8 4 = 8 1 9 2 分辨角a - ! ! p 生2 0 0 4 3 9 。 公式( 2 - 1 ) 2 2 2 4p m a c 运动控制器组件 p r , 从c 功能强大、稳定可靠、配置灵活，通过不同配置可以控制任何形式的 电机和检测反馈元件，支持多种总线结构，并且提供了通过串口和主机通讯的 功能。根据数控砂轮修形机的工作原理和功能要求，构建基于普通p c 机和p l l a c 运动控制卡的开放式数控系统，扳卡的选型和各自的性能如下： 1 p m a c 2 a p c i 0 4 四通道s v 脉冲+ 方向控制伺服，也可输出1 2 位1 i o v 模拟 量；每通道提供2 个回零、1 个限位：p c i 0 4 总线，4 0 i 蛀i zd s p ；8 8 2 3 2 串口通信。 a c c 一2 p 高速数字通讯扩展板。a c c 一2 p0 p t 2 具有8 kx1 6 位双端口r l i ，加快通 讯速度。a c c - 2 p ( 主板) 的o f t 3 ( i o 选项) ，数字i o 板，s v 输出，i o 扩展板 + 2 4 v 电源不带光隔；另外提供1 6 个s v 自定义的i 0 点，以及2 个手轮通道。 如图2 4 鳓 图2 - 4p m a c 主控制器 武汉理1 = 大学硕士学位论文 2 a c e l 一p c i 0 4 + a c c 2 一p c i 0 4 接线板，提供4 路脉冲十方向输出，及1 2 位1 i o v 模 拟量，可接4 路编码器光栅反馈，带底板。如图2 - 5 ，6 图2 - 5a c c 卜p c i 0 4图26a c c 2 一p c i 0 4 3a c c3 4 a e ，i o 扩展卡，8 路i o ，将主卡上5 v 信号转换成为2 4 v 输入输出 信号接主卡i o 。如图2 7 图2 7a c c - 3 4 a ei 0 扩展卡 主机选用普通p c 机，具有丰富的软硬件资源和很好的通用性，价格便宜 方便开发和扩展。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 控制面板按钮设计 图2 - 8 控制面板 控制面板设计如图2 - 8 ，控制面板按钮具控有以下功能川： ( 1 ) 回零 为各轴回复机械原点时使用。先在。轴控制”区域选择当前轴( x 或y 轴) ， 选定欲回复机械原点的轴，然后按下“正向移动”或“负向移动”按钮，待 该轴回复到机械原点后，再选择另一个轴同上步骤执行回复机械原点。机床回 机械零点是大部分机床准备就绪的必要操作，机床开机后只有执行回零程序后 才进入就绪状态。 ( 2 ) x y 轴选择，旋转此旋钮可激活要选择的轴，使该轴进行回零、移动等 操作。 ( 3 ) 轴正负向移动 在与轴的选择同时作用的效果下，可实现对x y 轴移动的手动控制。实现 对机床车刀的快速慢速点定位。 ( 4 ) 紧急停止开关 在出现特殊情况或者危险的时候命令机床停止运动保障安全的重要按钮， 当该按钮接通情况下机床主轴将停止转动，机床x y 轴的进给将停止。 ( 5 ) 控制系统电源开关 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 任意母线砂轮修形机控制柜电路设计 2 4 1 控制柜高压部分电路设计 本设计中，执行部分x z 轴采用伺服电机提供进给速度和切削力，主轴设 计采用步进电机。二者都是采用2 2 0 v 交流电源。而控制部分各板卡主要包括 a c c l 、a c c 2 接线板、i o 扩展板以及控制面板中各按钮都是采用2 4 v 支流电 源。所以为了保护控制柜中各低压元器件的安全需要进行强弱电分离设计。 如图2 - 9 强电部分电路设计图采用电磁继电器和空开开关处在电路部分的 前端，来保护电路口3 1 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 9 控制电柜高压部分电路 2 4 2 控制柜低压部分电路设计 如图2 1 0 所示p m a c 主控制器处于核心位置，采用5 v 直流电源供电。 a c c i + a c c 2 一端连接驱动器，一端连接p m a c 主控制器，作为整个系统控制 与执行的中间过程。i o 扩展板一端连接控制面板按钮，一端连接p m a c 主控制 板卡，实现按钮信号到p m a c 控制信号的转变。如图2 1 1 所示是整个控制柜内 部设计的连线实图。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 0 控制柜低压电路图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 s c ；d m 4 ) 4 a d a 伺服驱 动 2 5 本章小结 图21 1 主控制柜接线 a c c o 详细介绍任意母线砂轮修形机控制系统中板卡的选型以及电路保护元件的 选择原则。对整个控制柜内部电路的设计采用强弱分离的设计方案，保护了低 压元件的电路安全。设计了控制面板上的快捷按钮，并介绍其功能。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章p l c 程序设计 3 1p m a c 中p l c 程序介绍 3 1 1p l c 程序特点 p m a c 运动控制器除了可以运行运动程序实现砂轮母线的加工，任何在接 着执行的程序运行之前用以执行数量特定的运动命令m p i v l , c 拥有6 4 个非同 步执行的p i , c 程序( 3 2 个已编译的p l c 程序和3 2 个未编译的p i a 2 程序) ，它 们可以以很快的速度重复执行。它们被称为p l c 程序，因为他们执行很多与硬 件的可编逻辑控制器相同的功能。和运动程序一样p l c 有很多相同的逻辑构造， 但没有运动类型的语句。 p l c 程序用于执行与运动不同步的操作，比如监视模拟和数字输入、设置输 出、发送信息、监视运动参数、改变增益、开始和停止运动等。与硬件可编程 逻辑控制器的功能类似，有许多相同的逻辑构造，但是没有运动类型的语句。 通常的p l c 编程是梯形图编程，而p m a c 采用的却是类似于高级语言的编写方式， 优点是方便修改、存储、管理，容易读懂h 3 朋1 。 p l c 的编译与未编译程序都是从0 到3 1 编号，这意味着可能拥有一个便宜 的p l c n 和一个未编译的p l c n 程序，系统中p l c o 是在伺服中断周期结束的时候 以1 8 指定的频率( 每1 8 + 1 个伺服周期) 运行的一个很快的程序，该程序用于 几个临界任务，它必须比较小，因为他的不断执行将占用其他任务的时间。如 果该程序太大，占用了大量的后台任务时间将导致无法预料的后果，有可能触 发p m a c 看门狗计时器。p l c l 到3 0 在后台不断的执行，处于一个无限的循环中。 使用p m a c 内部的计数器，在p l c 中可以实现精确的定时功能。p m a c 2 a - p c i 0 4 提 供了4 个2 4 位计时器，这四个计时器对应在p m a c 上的地址是x ：$ 0 7 0 0 ，y ：$ 0 7 0 0 ， x ：$ 0 7 0 1 ，y ：$ 0 7 0 1 。使用计时器时，首先要用m 变量指向该地址，然后写入定 时时间，这样p m a c 将进行递减计数。 p m a c 有6 4 个非同步执行的p l c 程序，其中包括3 2 个己编译的p l c 程序和 3 2 个未编译的p l c 程序。在p m a c 卡中，经过编译器编译后的p l c 运行速度能够 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 提高1 0 倍以上，普通的未编译p l c 的典型扫描周期为5 - - - l o m s p l c 的编译和 未编译程序都是从0 到3 1 编号，编译的p l c 程序用p l c c n 来表示；未编译的p l c 程序用p l c n 来表示。p l c l - - - p l c 3 1 都是在后台循环执行，而p l c o 程序不同于 其它p l c 程序，是可由实时中断( r t i ) 触发，在前台执行。p l c o 程序在伺服中断 周期结束时以指定的频率运行，它的优先级很高，运行得很快，所以这个程序 很小，只能用来处理实时性要求很高、紧急的任务，如果它很大，会占用伺服 算法的时间，将使系统混乱p l c 程序的执行要执行p l c 程序，必须将变量1 5 设 置成相关的值，一般将1 5 设置为2 ( 可以运行p l c i - - - 3 1 ，禁止运行p l c o ) 。p l c 程序的执行分为两种方式，一种是将p l c 程序存在p m a c 卡上，设置好变量1 5 ， 上电就执行：另一种是直接向p m a c 发送e n a b l ep l c n 来循环执行n 号p l c 程序 或者d i s a b l ep l c n 来命令只执行一次p l c n 3 1 2p l c 程序的基本指令 p l c 程序的基本指令大部分同运动程序指令相同，但没有有关轴控制和运动 控制的指令，以及一些如c a l l ，g o s u b ，g o t o 等程序调用和跳转指令。由于p l c 是逻辑控制程序，所以又多出了a n d ( 与) 、0 r ( 或) 等逻辑控制指令。程序语句有 计算语句( 变量= 表达式) 和条件语句。 p l c 程序的条件语句 p l c 程序的条件语句有电平触发条件和边缘触发条件两种触发形式。 电平触发条件：采用电平触发条件控制分支，采用一个输入变量的变化控制另 外一个变量的增加。 i f ( m x = i ) p i = p i + i e n d i f 这三条语句让输入点m x 来控制变量p 1 的增长。如果输入为真，则p 1 在每 一次系统扫描到该处时增加1 。 边沿触发条件：在m x 变为真，即m x = i 时只使p 1 增加1 ，如果采用复合条 件触采语句来实现。采用边缘触发条件时我们只要用一个“影子变量来跟随 输入量变化，只有影子变量和输入量不匹配时才动作。如： i f ( m 1 2 = 1 ) i f ( p 1 2 = o ) ；p 1 2 是m 1 2 的影子变量，当它们不匹配时条件成立，触发 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 动作 p i = p i + 1 p 1 2 = 1 e n d i f e l s e p 1 2 = 0 e n d i f ；p 1 2 跟随m 1 2 为1 ；若m 1 2 为0 ，p 1 2 也跟随它变为0 3 2p l c 程序编译过程 在p m a c 系统中，p l c 程序与控制面板上功能是一一对应的。p l c 程序可在 p e w i n 3 2 p r o 中编写后下载到p m a c 卡上，实现控制面板功能。p l c 程序在监视模 拟和数字输入、设置输出、发送信息、监视运动参数、像主机一样执行命令、 改变增益以及开始和停止运动时是特别有用的。 通过p l c 程序的编译，可以使它的运行速度加快。编译后的p l c 程序省略 了解释的时间。第二来自于编译后的p l c 程序具有处理整数计算的能力。编译 的p l c 程序的浮点运算要比解释p l c 程序快2 到3 倍。整个p l c 程序的编译过 程是通过p c 机实现的，然后把机器码下载到p m a c 上。 在p m a c 中一个编译的p l c 程序是由p l c c n ( p l cc o m p i l e d # n ) 来编号的。 与p l c n 编号的p l c 程序不同，以相