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A016 基于 840 曲轴 数控系统 设计 应用

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湖北汽车工业学院毕业设计（开题报告）电气工程系毕业设计开题报告课题名称：基于840D的曲轴内铣数控系统设计及应用姓 名： XX班 级： XX学 号： XX指导老师： XX2008年3月15日课题开题报告1课题来源FKP20系奥地利GFM公司生产的最具代表性的曲轴固定式内铣机床，曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。东风康明斯发动机有限公司拥有2 台FKP20 曲轴内铣机床,1 台用于主轴颈加工,1 台用于连杆颈加工,曲轴经内铣加工后即进入磨床磨削工序。此2 台机床经10 余年的使用后,系统不同程度地出现老化、控制系统故障增多等问题。本课题将针对FKP20曲轴内铣数控改造的需要，选用西门子840D数控系统构建新型曲轴内铣控制系统。2国内外现状一、SINUMERIK 840D 数控系统性能SINUMERIK 840D 是西门子公司20 世纪90 年代推出的高性能数控系统。它保持西门子前两代系统SINUMERIK 880 和840C 的三CPU 结构：人机通信C P U（M M C - C P U）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上，NC-CPU 和PLCCP U 合为一体， 合成在N C U（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互独立。S I N U M E R I K840D 主要技术特性如表1 所示。相对于前几代系统，SINUMERIK840D 具有以下几个特点：（1）数字化驱动在SINUMERIK 840D 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。（2）轴控规模大最多可以配31 个轴，其中可配10个主轴。（3）可以实现五轴联动SINUMERIK 840D 可以实现X 、Y、Z、A、B 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。（4）操作系统视窗化SINUMERIK 840D 采用Windows95 作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。（5）软件内容丰富功能强大SINUMERIK 840D 可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start-up）等几大软件功能。（6）具有远程诊断功能如现场用PC 适配器、MODEM 卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D 与异域PC 机通信，完成修改PLC 程序和监控机床状态等远程诊断功能。（7）保护功能健全 SINUMERIK 840D 系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。（8）硬件高度集成化 SINUMERIK 840D 数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。（9）模块化设计 SINUMERIK 840D 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。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( F M C 、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。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。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 及MTS 等联结，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.方案论证1 价值分析通过对已有的设备进行现代化改造可以在保持原有设备经济价值的基础上迎合当前生产了的需要，提高效率，提高工艺水平图1 四缸曲轴图1 机床基本情况FKP20 系奥地利GFM 公司生产的曲轴内铣专用机床,曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。机床加工精度较高,尺寸稳定,且效率非常高。机床结构示意图如图1 所示。机床有2 个卡盘。1 个是固定卡盘,另1 个是移动卡盘。移动卡盘的设置使该机床可以加工不同长度的曲轴。机床有2 个刀盘(刀盘1 和刀盘2) 。加工时,2 个刀盘同步切入,同步结束。机床还配有1 个中心架。中心架的纵向移动靠与门架1 藕合,借助Z1 坐标轴而移动。机床共有6个坐标轴。Z1 和Z2 分别用于门架1 和门架2 的纵向移动,实现轴向定位。X1 、Y1 和X2 、Y2 分别用于刀盘1 和刀盘2 的铣削进给。2 控制方案控制方案为采用西门子840D系统的双通道（多通道）功能同时对刀盘1和刀盘2进行控制3 系统硬件构成系统的硬件配置如图2 所示。机床840D 系统采用NCU572. 2 ,配MMC100. 2。驱动采用SIEMENS611D 驱动,电机采用SIEMENS 1FT6 型电机,保留原有系统硬件配置图的HEIDENHAN LS704 测量系统。机械手保留原有的Itramat 驱动器、电机及测量系统,以FMNC 控制。FMNC 通过PROFIBUS 总线与840D 系统连接,并进行通讯。通过PLC 程序处理,机械手的操作与机床同步,轴的控制在机床操作面板进行。4 系统软设计系统软件设计包括PLC 程序设计和NC 程序设计两部分。4. 1 PLC 程序设计PLC 程序设计采用模块化编程,将机床启动条件、PLC 使能信号处理、轴控制、辅助功能、FMNC 与840D 的通讯处理、报警信息等系统及机床功能编制成不同的模块。程序结构合理、层次清晰,方便阅读查找。图2 系统硬件配置图4进程计划 2008年3月4日到3月14日 作毕业设计准备工作，了解课题写开题报告 2008年3月14日到4月5日 做毕业设计的初步工作 2008年4月6日到5月1日 根据设计要求对课题内容进行电气化设计 2008年5月2日到6月1日 基本上完成所以设计任务，准备毕业论文 2008年6月1日到10日 总结毕业设计，写毕业论文 2008年6月15日到20日 论文答辩 5参考文献 1 李诚人. 数控化改造M . 北京:清华大学出版社, 2006. 2 任建平. 现代数控机床故障诊断及维修M . 北京:国防工业出版社, 2005. 3 杨斌. 西门子SINUMER IK 840D数控系统介绍 J .CAD /CAM与制造业信息化, 2004, (6). 4 罗敏 采用双0M 系统控制曲轴内铣 5 石青辉! 王洋! 原泉! 朱永刚 西门子SINUMER IK 840D数控系统在内铣机床改造中的应用 6 孙军1 ,葛新建2 SIEMENS 840D 系统在曲轴内铣机床控制上的应用 7 胡国清 SIEMENS 840D 系统 在多轴多通道数控机床中常用功能的开发应用 8 许石 SINUMER IK 840D数控系统软件及数据结构浅析 9 胡国清 安波 雷尼绍MP10-OMP60 测头系统在西门子840D 中的应用10 李兰春 西门子840D 数控系统双通道、双方式组的应用11 陈袆!王永春!魏明锐 用西门子840D数控系统实现曲轴止推面的磨削加工指导教师意见：签名：日期4湖北汽车工业学院毕业设计（进度报告） 毕 业 设 计（进度报告）题 目：基于840D的曲轴内铣数控系统设计及应用系 别：电气工程系专 业：自动化班 级：XX学生姓名：XX学 号：XX指导教师：XX6一月份进度报告在这个月里，从老师那接到了毕业设计课题。这个课题来自生产的第一线，刚开始有些抽象。在老师的耐心指导下基本了解了本课题的课题要求，开始收集相关资料。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年1月28日二月份进度报告在这个月里，继续收集有关数控机床、数控改造的资料，并认真阅读了相关资料和文献，通过对相关资料和文献的研究，对本课题的背景、来源、内容有了新的认识。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年2月28日三月份进度报告在这个月里，通过对本课题的背景、来源、内容的认识和对相关资料、文献的研究，对系统的方案进行了论证，写出了开题报告。了解了西门子数控系统的功能和特点，进行了数控系统的硬件配置，完成了各部件之间的电气连接。在这个过程中我也遇到了一些问题，很多问题都是以前没有遇到过的。例如资料中的一些参数，需要把它的原理和连接弄清楚，但由于资料中有很多专业词汇以前没有接触过，所以用时不是很明白。指导老师罗老师在这个时候给了我很大的帮助，使得这些问题得以顺利解决。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年3月28日四月份进度报告在这个月里，首先对双通道控制功能进行了解，查阅相关资料对双通道的相关参数进行设置，其次是理解学习带距离编码光栅尺的原理并运用于本课题。在这个设计过程中罗老师给了我很多帮助和建议。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年4月28日五月份进度报告在这个月里，主要学习了STEP7软件进行PLC编程。STEP7软件是一个功能非常全的软件同时里面各个块之间的联系和一些参数的设置又非常烦琐和复杂。同时，在这期间完成了论文的初稿。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年5月28日六月份进度报告这个月主要是对论文初稿的内容进行调整，以使论文在结构上更清晰，根据学校要求的论文格式，进行论文整体上的修改。并且做了答辩用的演示稿。在此期间还查阅资料，写了英文翻译。经过这几个月的学习，自己各方面的能力已经有了很大提高。在设计的过程中也有了很多新的认识，并且个人的能力也有了较大的提高。使我对自己的自学能力有了更深的认识。认识到实践的重要性。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年6月17日基于840D的曲轴内铣数控系统设计及应用,电气工程系自动化专业XXXX指导教师：XX,课题来源,FKP20系奥地利GFM公司生产的最具代表性的曲轴固定式内铣机床，曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。东风康明斯发动机有限公司拥有2台FKP20曲轴内铣机床,1台用于主轴颈加工,1台用于连杆颈加工,曲轴经内铣加工后即进入磨床磨削工序。此2台机床经10余年的使用后,系统不同程度地出现老化、控制系统故障增多等问题。本课题将针对FKP20曲轴内铣数控改造的需要，选用西门子840D数控系统构建新型曲轴内铣控制系统。,课题内容,控制方案设计及硬件连接双通道控制功能的系统组态带距离编码光栅尺的应用设计PLC程序设计,曲轴与加工刀具,FKP20曲轴固定式内铣机床结构图,机床有2个卡盘。1个是固定卡盘,另1个是移动卡盘。移动卡盘的设置使该机床可以加工不同长度的曲轴。机床有2个刀盘(刀盘1和刀盘2)。加工时,2个刀盘同步切入,同步结束。机床还配有1个中心架。中心架的纵向移动靠与门架1藕合,借助Z1坐标轴而移动。机床共有6个坐标轴。Z1和Z2分别用于门架1和门架2的纵向移动,实现轴向定位。X1、Y1和X2、Y2分别用于刀盘1和刀盘2的铣削进给。,西门子840D系统介绍,硬件配置图,X1/Y1和X2/Y2轴传动系均配有6/29减速比的蜗轮蜗杆，电机选用50NM/3000rpm电机，其中Y1/Y2轴电机带内置抱闸。Z1/Z2伺服电机采用直联，无减速比，电机为50NM/2000rpm,具体配置,1）操作显示单元：OP010C。2）PCU：566MHz，256MRAM。3）操作面板：MCP483C。4）NCU：400MHz，内置PLC314-2C-DP。5）输入模块：32点输入模块（6ES7321-1BL00-0AA0）8块。6）输出模块：32点输出模块（6ES7322-1BL00-0AA0）6块。7）X/Y伺服电机：50NM，3000rpm伺服电机4台。型号为1FT61058AF711AH1。8）Z伺服电机：50NM，2000rpm伺服电机2台。型号为1FT61058AC711AH1。9）电源模块：55KW。型号为6SN11451BA010DA1。10）功率模块：56A模块4个，型号为6SN11231AA000EA1。28A模块2个，型号为6SN11231AA000DA1。11）控制模块：6个，均为双轴模块，型号为6SN11180DM330AA1。12）手持操作单元B-MPI：6FX20071AC04。13）手持单元分配盒：6FX20061BC01。,双通道参数设置,N19100$ON_NUM_AXES_N_SYSTEM=6；系统中总的轴数N19200$ON_NUM_CHANNELS=2；系统中的通道数N10000$MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB0=“X1”；系统中的轴名称N10000$MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB1=“Y1”；N10000$MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB2=“Z1”；N10000$MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB3=“X2”；N10000$MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB4=“Y2”；N10000$MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB5=“Z2”；,N10010$MN_ASSIGN_CHAN_TO_MODE_GROUP0=1；为通道1指定方式组N10010$MN_ASSIGN_CHAN_TO_MODE_GROUP1=1；为通道2指定方式组通道1机床数据的设定：N20050$MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB0=1；通道1中几何轴号N20050$MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB1=2；N20050$MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB2=3；N20060$MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB0=“X1”；通道1中几何轴的名称N20060$MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB1=“Y1”；N20060$MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB2=“Z1”；N20070$MC_AXCONF_MACHAX_USED0=1；系统分配通道1的轴号N20070$MC_AXCONF_MACHAX_USED1=2；N20070$MC_AXCONF_MACHAX_USED2=3；N20080$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB0=“X1”；通道中轴的名称N20080$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB1=“Y1”；N20080$MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB2=“Z1”；,同步等待指令,CHAN1N110WAITM(1,1,2);等待通道1、2中的第1个标志位N300WAITM(2,1,2);等待通道1、2中的第2个标志位M30,CHAN2N200WAITM(1,1,2);等待通道1、2中的第1个标志位N250WAITM(2,1,2);等待通道1、2中的第2个标志位M30,光栅尺的原理图,例如从A点移动到C点，中间经过B点，系统检测到10.02mm就知道轴现在是在哪一个参考点位置。同样从B点移动到D点，中间经过C点，系统从C点到D点的距离是10.04就知道轴现在是在哪一个参考点位置。所以只要轴任意移动超过两个参考点距离（20mm），就能得到机床的绝对位置,坐标轴回中心程序设计,顺序：Z1正向移动，直至XY1不与固定卡盘发生干涉的区域。解藕并锁紧中心架。X1回零点。Y1回零点。藕合中心架。Z1负向回零。XYZ2回零条件同XYZ1回零相似，它的回零条件有：XYZ1在基本位置、中心架张开、中心架藕合、卡盘无轴闭合、XY2基本位置、移动卡盘锁紧、机床移动允许、非换刀过程等。其回零顺序如下：Z2负向移动，直至XY2不与移动卡盘发生干涉的区域。X2回零点，即X2基本位置。Y2回零点，即Y2基本位置。Z2正向回零。,回零顺序流程,回坐标轴中心时序图,STEP7介绍,在常规功能之外还具备以下的特点:（1）DK3964R/RK512等标准协议已经集成到控制器内，不需要额外驱动。（2）MPI接口（3）集成modem支持:内置modem功能，可进行远程编程、诊断或数据传输。（4）编程不需MPI转换器，直接通过PC上的RS232口。（5）现场总线通讯功能.控制器功能中已集成了ProfibusDPMaster/Slave,ProfibusFMS和LONWorks.（6）利用webserver进行监控.储存HTML网页、图片、PDF文件等到控制器里供通用浏览器查看。（7）扩展操作系统功能如保护技术秘密，防止被非法查看或复制。,PLC程序结构,在S7用户程序中有几种不同类型的块可以使用见表,循环程序处理,循环程序处理是可编程控制器上程序执行的“普通”类型，这意味着操作系统在程序环（循环）中运行，并且在主程序的每一个环中调用一次组织块OB1。OB1中的用户程序因此也被循环执行。,事件驱动的程序处理,循环程序处理可以被某些事件中断。如果一个事件出现，当前正在执行的块在语句边界被中断，并且另一个被分配给特定事件的组织块被调用。一旦该组织块执行结束，循环程序将从断点处继续执行,顺序和嵌套深度,块调用的顺序和嵌套深度即是所谓的调用分层结构。可以嵌套调用的块的数量（嵌套深度）依据特定的CPU而定。,块调用,下图所示是在一个用户程序中块调用的顺序。程序调用第二个块，这个块的指令则完全被执行。一旦第二个块或者说这个被调用的块执行结束，由于执行调用指令而被中断的块的执行，将从块调用指令后面继续。,结论,根据本机床的双通道6坐标轴的特点，提出了利用SINUMERIK840D双通道系统控制方案。设计了总体控制方案及系统硬件配置；对个别出现振荡的轴采用了双位置反馈的控制方案，使其达到控制精度要求，完成了系统的硬件连接。通过对双通道功能的相关参数设置，达到同时控制两个刀盘的动作，满足了内铣的加工工艺要求。完成了6坐标轴自动回零PLC程序设计，在回零过程中使用了带距离编码光栅尺进行精确定位、回零，弥补了过去使用传统光栅尺回零不精确的不足，满足了设计要求。学习STEP7300的PLC编程功能，实现回零，急停等动作。,致谢,谢谢指导老师！谢谢所有的评委老师！,湖北汽车工业学院（英文翻译） 毕 业 设 计（英文翻译）题 目：Introduction to Numerical Control Machining系 别：xx专 业：xx班 级：XX学生姓名：XX学 号：XX指导教师：XX6Introduction to Numerical Control MachiningHistorical perspective The development of numerical control owes much to the United States air force,whichrecognized the need to develop more efficient manufacturing methods for modern aircraft. Following World War II, the components used to fabricate jet aircraft became more complex and required more machining. Most of the machining involved milling operations,so the Air Force sponsered a research project at Massachusetts Institue of Technology to develop a prototype NC milling machine. This prototype was produced by retrofitting a conventional tracer mill with numerical control servomechanisms for the three axes of the machine. In March 1952, the MITLabs held the first demonstration of the NC machine.The machine tool builders gradually began developing their own projects to introduce commercial NC units. Also,certain industry users, especially airframe builders,worked to devise numerical control machines to satisfy their own particular production needs.The Air force continued its encouragement of NC development by sponsoring additional research at MIT to design a part programming language that could be used in controlling N.C. machines. What is Numerical Control ? Numerical control can be defined as a form of programmable automation in which process is controlled by numbers,letters and symbols. In NC,the numbers form a programme of instructions designed for a particular workpart or job. When job changes the program of instruction changes. This capability to change a program for each new job gives NC its flexibilty. Numerical control should be considered as a possible mode of controlling the operation for any production situation possesing the following characteristics : Similar workparts in terms of raw material (e.g. metal shock for machining) The work parts are produced in various sizes and geometries. The workparts are produced in batches of small to medium size quantities. A sequence of similar processing steps is required to complete the operation on each workpiece. Many machining jobs meet these conditions. The machined workparts are metal, they are specified in many different sizes and shapes,nad most machined parts produced in the industry today are made in small to medium size lots sizes. To produce each parts a sequence of drilling operations may be required ar aseries of turning or milling operations. The suitability of NC for these kinds of jobs is the reason of tremendous growth of numerical control in metal working industry over the last 25 years. Basic components of NC system An operational numerical control system consists of the following three basic components: 1. Program of instructions. 2. Controller unit, also called machine tool unit. 3. Machine tool or other controlled process. The program of instructions serves as input to the controller unit, which in turn commands the machine tool or other process to be controlled. Program of Instructions. The program of instructions is the detailed step by step set of instructions which tell the machine what to do. It is coded in numerical or symbolic form on some type of input medium that can be interpreted by the controller unit. The most common one is the 1-inch-wide punched tape. Over the years,other forms of input media has been used,including punched cards, magnetic tape, and even 35mm motion picturefilm. There are two other methods of input to the NC system which should be mentioned. The first is by manual entry of instructional data to the controller unit. This is time consuming and is rarely used except as an auxillary means of control or when one or a very limited no. of parts to be made. The second method of input is by means of a direct ling with the computer. This is called direct numerical control, or DNC. Controller Unit The second basic component of NC system is the controller unit. This consists of electronics and hardware that read and interpret the program of instructionsand convert it to mechanical actions of the machine tool. The typical elements of the controller unit include the tape reader, a data buffer, signal output channels to the machine tool,and the sequencecontrols to coodinate the overall operationof the foregoing elements. The tape reader is an electrical-mechanical device for the winding and reading the punched tape containing the program of instructions. The signal output channels are connected to the servomotores and other controls in machine tools. Most N.C. tools today are provided with positive feedback controls for this purposeand are referred as closed loop systems. However there has been growth in the open loop systems which do not make use of feedback signals to the controller unit. The advocates of the open loop concept claim that the realiblity of the system is great enough that the feedback controls are not needed. Machine Tool The third basic component of an NC system is the machine tool or other controlled process. It is part of the NC system which performs useful work. In the most common example of an NC system,one designed to perform machining operations, The machine tool consists of the worktable and spindle as well as the motorsand controls necessary to drive them. It also includesthe cutting tools,work fixtures and other auxillary equipment needed in machining operation.数控加工介绍历史观点数控的发展很大一部分应归功于美国空军，它意识到了有要为现代航空器开发提供更加有效的制造方法的需要。而在接下来的第二次世界大战中，用来制作喷气式飞机的元件变得越来越复杂并且需要有更多加工。这些加工的大部分操作包括磨削，因此空军部在麻省理工大学（MIT）发起了一项开发一个NC磨床原型的研发工程。这个原型是通过使用一个传统的磨床和一个用数控伺服系统来控制这个机器的三个刀片来制作的。在1952年的三月，麻省理工大学实验室主持了对第一台数控机床的示例。这台机器的制作者们一步步的开始了他们自己的工程，这些工程是用来引入商业性数控元件。同时，一些工业上的用户，特别是作机身构架设计的用户，为了满足他们自己的特别的用途而参入了进来，并且开始设计适合他们的数控机床。空军军方继续对数控机床的开发作出奖励，它在MIT发起了另外一