（机械电子工程专业论文）塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 多功能、高柔性和集约化是塑科门窗生产的一个重要发展方向。 本文以塑料门窗型材锯铣加工中心为对象，围绕数控系统开发和c a d c a m 集 成，针对窗型设计与工艺表达、加工代码生成与自动控制以及数控系统组网与通讯等 中的关键技术进行深入的研究和探讨。 本文共分八章。 第一章简要介绍塑料门窑行业的发展状况，分析和讨论了塑料门窗型材加工设备 的数控与c a d c a m 系统的现状和存在的问题。进而结合课题背景提出了本文的主 要研究方向。 第二、三、四章着重研究塑料门窗型材锯铣加工中心的结构、功能和工艺过程， 通过对f a n u c - - 0 m d 系统的二次开发，实现了对该锯铣加工中心的控制。 第五章引入特征技术和数据库技术进行c a d c a m 系统设计，实现了塑料门窗型 材锯铣加工c a d c a m 的有效集成和加工代码的自动生成。 第六章介绍了利用v b n e t 进行c a m 系统开发的方案与技术。 第七章研究上位机与数控系统的通讯问题，并且提出了利用串口服务器进行数控 设备组网的方案。 第八章为主要结论和展望。 【关键词】塑料门窗，型材，锯铣，加工中心，数控系统，c a d ，c a m ，特征技术， 通讯，组网 a b s t r a c t m u l t i _ f u n c t i o n ，l l i g 尊。f l e x i b i l i t y , a n di n t e n s i v ea r et h ei m p o r t a n td i r e c t i o no f d e v e l o p i n g p l a s t i cd o o r a n dw i n d o w p r o d u c t i o n s b yd e v e l o p i n gt h ec n cs y s t e ma n di n t e g r a t i n gc a d c a mo ft h es a w i n ga n d m i l l i n g m a c h i n i n gc e n t e r ( s m m c ) f o rp l a s t i cd o o ra n dw i n d o wp v c p r o f i l e ，t h i sp a p e ri s t o d i s c u s st h e k e yt e c h n o l o g i e s i n c l u d i n g w i n d o w d e s i g n ，p r o c e s s d e s c r i p t i o n ，c o d e g e n e r a t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o la n ds y s t e mn e 帆r ka n dc o m m u n i c a t i o n t h i s p a p e r i sc o m p o s e do f e i g h tc h a p t e r s t h ef i r s t c h a p t e rp r e s e n t st h ed e v e l o p i n gs t a t u so ft h ep l a s t i cd o o ra n dw i n d o w i n d u s t r y , a n a l y s e sa n d d i s c u s s e st h ec u r r e n ta c t u a l i t i e sa n ds u b s i s t e n t p r o b l e m s o ft h ec n c d e v i c ea n dt h ec a d c a mi nt h ep l a s t i cp r o f i l em a c h i n i n gf i e l d b a s e do nt h e b a c k g r o u n d o f t h i sp r o j e c t ，t h em a i n l y r e s e a r c h i n gd i r e c t i o nh a sb e i n ga d v a n c e d t h es e c o n d ，t h i r da n df o u r t hc h a p t e rm a i nr e s e a r c h e st h es t r u c t t t r e ，t h ef u n c t i o na n d t h ep r o c e s so ft h et e c h n o l o g i e so ft h e s a w i n g a n dm i l l i n g m a c h i n i n g c e n t e rf o rp l a s t i cd o o r a n dw i n d o wp v c p r o f i l e b yd e v e l o p i n gs e c o n d l yf a n u c - - o m ds y s t e m ，t h ec o n t r o l s y s t e ma c c o r d e dw i t hr e q u i r e m e n t so f t h es m m c i sa c c o m p l i s h e d ， t h ef i f t hc h a p t e rp r e s e n t st h ec a d c a ms c h e m eo ft h es m m c t h r o u g h i n d e p t h s t u d y i n gf e a t u r et e c h n o l o g i e sw h i c ha r ea p p l i e dt ot h et e c h n i c a ld e s i g nf o rt h es m m c ， i n t e g r a t i o no f c a d c a m a n da u t o m a t i cg e n e r a t i o no f gc o d ea r e a c c o m p l i s h e d t h es i x t h c h a p t e rp r e s e n t st h es t a t u sb yu s i n gv b n e tt od e v e l o pt h ec a m s y s t e m t h es e v e n t hr e s e a r c h e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dc n c ，p r o v i d e san e w m o d eo f n e t w o r k i n gf o rc n c m a c h i n et o o l sb a s e do ns e r i a ld e v i c es e r v e r t h e e i g h t hc h a p t e r d r a w sac o n c l u s i o na n d p r o s p e c t s k e yw o r d p l a s t i cd o o ra n dw i n d o w ，p v cp r o f i l e ，s a w i n ga n dm i l l i n g ，m a c h i n i n g c e n t e r ，c n c ，c a d c a m ，f e a t u r et e c h n o l o g i e s ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：缢毖日期：丝圭：童：j 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学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和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：缢蜂导师签名：盘日期：盈吐生：颦 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 塑料门窗是继木、钢、铝合金门窗之后的第四代新型建筑门窗“1 ，其主要原材 料为有机高分子材料p v c ，具有节能、隔音、阻燃以及以塑代木的特性小”加工 组装方便；如果选用无毒助剂，采用先进设备，控制合理的生产工艺，则无论在生产、 消费还是回收等过程均不会出现环境污染，是典型的绿色建材产品“1 。因而，塑料门 窗的推广使用、相关加工组装设备的更新换代一直是备受世界各国关注的热点。 1 1 国外塑窗设备发展状况 发达国家的塑料门窗是上世纪7 0 年代以后发展起来的。经过3 0 多年的的发展， 欧美门窗市场塑料门窗占有率一直稳定在4 0 以上”1 。 1 9 5 7 年，柯梅令在德国生产出了它的第一件窗用u p v c 型材。作为世界上最早将 p v c 这种材料应用于门窗材料生产的企业之一，它不断研发完善多种产品，成为行业 的开拓者。 在塑窗设备的研制开发上，欧美国家，尤其是德国处于世界领先水平，知名的厂 家有德国的叶鲁、歇鹏、威格玛；意大利的塞柯、飞幕：美国的亚松等。这些公司生 产的设备都在向数控化、加工中心方向发展，适应和推动了塑窗的大规模大批量生产。 德国叶鲁设备公司推出专业的门窗数控设备以及成套的数控设各生产线，其中包 括型材切割及加工流水线、五轴型材加工机床和双头斜榫切割机等，这些设备自动化 程度很高，代表着世界领先的水平。 德国欧鹏主要从事塑料门窗焊接、清角设备，设备从半自动设备一直到最高水平 的全自动焊接清角流水线，其自动化程度很高： 意大利飞幕的型材数控加工中心设备，夹具自动定位，可自动跟踪随动加工主轴， 具有第四轴- 1 5 。1 9 5 。之间任意角度，6 工位刀具库，实现了多工位加工。 此外，在德国门窗行业已经实现协作化，异性材厂家可以直接从化工厂购买已经 配置好的原料来生产型材其中性能要求由型材厂向化工厂提出。 塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究 1 2 国内塑窗设备发展状况 在我国，塑料门窝的发展也已具有一定规模。1 9 9 7 年建设部推出的国家化学建 材推广应用“九五”计划和2 0 1 0 年发展规划纲要和关于加速化学建材推广应用 和限制淘汰落后产品的规定明确指出：“新建节能建筑和已有住宅节能改造工程必 须使用节能窗，优先使用塑料窗”，“2 0 0 0 年化学建材重点产品的推广应用水平，要在 现有基础上，力争提高3 倍，2 0 1 0 年要实现再翻番”，其中塑料门窗的市场占有率目标 是：“2 0 0 0 年达到建筑门窗总量的1 5 ，2 0 1 0 年要达到3 0 ”。“” 国内塑窗设备的生产厂家主要集中在山东济南，最具代表性的如天辰德佳集团， 光明集团等，占领了国内7 0 的市场，其技术水平也处于领先地位。随着对国外技术 的引进、消化和吸收，我国塑窗设备的发展正由手动、半自动为主向数控和多工艺集 成的加工中心过渡。天辰机器( 集团) 有限公司所生产的多数设备，尤其如锯切、铣 削类设备，基本上是铝塑通用的，在数控设备方面开发出塑料门窗数控六角焊接机、 塑料门窗数控四角焊接机、塑料型材柔性锯铣加工中心等。这些设各相对国外产品来 说，更适合我国国情并且成本y 远低于国外同类产品，适合推广。 我国现有型材生产厂2 0 0 多家，拥有型材生产线1 0 0 0 余条，其中引进生产线约 占1 2 ，但在整个行业中异型材厂、门窗组装厂、五金侔厂和密封材料厂等的发展很 不平衡，厂家之间在技术开发、协调合作关系上还不够紧密，这在一定程度上阻碍和 制约了我国塑料门窗行业的进一步快速发展。 1 3 塑窗工艺集成的数控设备发展情况 随着塑窗行业的快速发展，单工艺的设备越来越不能满足加工效率的要求，多工 艺集成成为数控设备研发的重要内容。 德国叶鲁公司生产的五轴型材加工机床( 型号s b z l 5 0 ) 是目前最先进的型材加 工设备之一可实现任意角度钴削、铣削和锯切等加工：该公司生产的s b z l 3 0 转塔 式8 工位铝型材加工中心用于对铝合金型材进行钻、铣等加工，具有计算机程序输入， 自动更换刀具等功能，可实现一次装夹对型材的五个面进行加工。德国威格玛生产的 型材加工中心可包括立式刀轴基本型c n c 控制四轴加工中心，可加工铝合金挤出型 材，轻质合会，铁质和p v c 型材：机器可自动换刀，刀具库有6 + 1 个刀位，可安装 2 济南太学硕士举位论文 l l l l 6 把刀具；可钻孔，铣削和攻丝，并可加装一把盘铣刀：工作台可正负9 0 度间旋转 并任意角度定位，使用标准刀具可加工三个面。 济南天辰集团生产的铝塑型材柔性锯铣加工中心亦属于多工艺集成的数控设备。 锯铣加工中心将锯铣工艺结合，可实现机械手自动夹持送料、按预先设置程序自动完 成各种孔槽的铣削、4 5 。的定尺锯切及型材v 形口的切割、多组两轴数控铣削，可满 足各种型材不同部位、不同角度槽孔加工的要求等。 显然，塑窗数控设备向着多工艺集成方向发展意味着塑窗型材加工的高效率、高 精度和高柔性化。 1 4 塑窗设备c a d c a m 技术状况 1 4 1 国外情况 以德国塑窗设备为代表的产品数控水平商、性能可靠且方便实用，其中的奥妙不 仅在于良好的结构设计和先进的制造、装配水平，也得益于稳定完善的c a d c a m 系统。 德国叶鲁设备公司推出专业的门窗设计软件p r e f c a d 、p r e f s u i t e ，该软件是基于 w i n d o w s 平台下的智能化的三维设计软件，主要功能包括产品设计、图形绘制、结构 计算以及图文档管理等功能，实现了窗型设计的主要功能。德国欧鹏公司开发的门窗 生产管理软件，主要实现了窗型设计和图文档管理功能。 1 4 2 国内情况 近年来，我国塑窗设备单机数控化率提高很快，性能也达到国际2 0 世纪9 0 年代 水平，市场优势大大增加。但就计算机辅助设计和计算机辅助制造丽言，开发和应用 的系统要么是单一的c a d 要么是单一的c a m 。其中，c a d 系统较多，c a m 系统则应用 较少。已有的也是针对单机数控设备的c a m ，且只是基于专用数控系统的自动编程， 还存在着稳定性差和可靠性低等问题。至于能实现c a d c a m 一体化技术的应用系统尚 属空白。 单一功能的c a d ：上世纪八十年代后期，建设部与中国建筑余属结构协会委托重 庆大学和内江钢窗厂联合研制开发“线材、板材( 二维) 优化下料技术软件”，主要是 完成了线材、板材的优化下料设计；南京凹凸软件有限公司丌发的“塑料门窗下料软 件( a t w d1 o ) ”，根据衡立型材定制窗型，适合于门窗个体户及家庭用门窗下料设计； 塑料门宙锯铣加工中心敛控系统研究 ! 曼鼍曼曼i i i 毫曼曼皇曼! 舅曼量鼍罡! ! 罩曼甚皇量曼! ! 北京凯思博宏计算机应用工程有限公司开发的“凯思建筑a l c a d ”满足建筑装饰业 对玻璃幕墙、会属幕墙、铝合金、塑料、彩板门窗等的设计需求，可自动生成图纸及 统计表格迅速准确地完成工程预算。 多功能集成的c a d ：由于单一功能的设计系统集成化不高，使用效率较低，所以 国内一些厂家开始研究功能相对集中的窗型c a d 系统，也就是将优化下料、文档管理 和风压校核等功能集成在一起。像重庆大学和内江钢窗厂联合研制开发“建筑门窗 c a d 设计软件系统”，就是将优化下料、文档管理和风压校核功能结合起来统一管理 应用；南京凹凸软件有限公司在2 0 0 2 年8 月推出“门窗制造软件w i n b u i i d e r 设计 系统”，在该系统中产品设计，型材下料，部品汇总，工程成本核算等工作可以集中 完成：2 0 0 0 年，淄博建星软件开发有限公司开发出“建星塑料门窗设计管理系统”， 该系统集成了工程设计、下料计算、材料优化、成本预算、销售管理和风压校核等多 项功能：哈尔滨兰根塑料门窗有限公司与软件公司合作共同开发的“塑料门窗设计管 理系统软件”，该软件主要应用在窗型设计、优化下料、仓库数据化管理等方面；济 南德佳软件科技有限公司开发的“铝窗专家7 0 ”是依据门窗企业的实际情况，从提 高企业综合管理水平，提升企业形象出发，面向现代企业管理需求。实现了生产、销 售、库存一体化，突破单一应用局面。是一套高技术、高性能、高质量的铝窗设计管 理软件。2 0 0 3 年，该公司推出了“门窗工程师2 0 0 3 ”，其主要功能包括智能化的窗型 设计、物料配置、抗风压计算、工程报价、材料优化、内容全面形式多样的报表、物 料管理以及仓库管理功能。而该公司推出的“门窗专家7 0 ”则是基于“e a s ys o ” 内核技术秉承了“使用简单。功能强大”的基本特性。软件界面全部采用 w i n d o w s x p 技术，结构组织更显人性化，所有操作均在一个主窗体内完成，各个功能 问可实现自由切换，工程设计、洞口设计、下料计算气呵成，生产设计、物料管理、 仓库管理和销售管理集成一体。 可以看出，在国内针对窗型设计的软件( c a d ) 开发研究比较多，多以二维为主， 其主要功能基本上都包括工程设计、下料计算、材料优化、成本预算、销售管理、矾 压校核等多项功能。 发展中的c a m ：应用上述c a d 软件可大大提高窗型的设计和工程的管理能力，但 是还不能满足设备的全自动化生产。促使人们开始研发塑窗设备c a m 系统。目前，国 内有代表性的济南德佳软件科技有限公司丌发的“e a s ys oc m s 软件”，其中包括 济南大学硕士学位论文 工程管理器、工程设计器清单管理器、生产任务管理器、报价计算器、模型管理器、 模型设计器以及门扇设计器等功能模块。 然而。塑窗设备专用性强，相应的c a m 系统软件必须进行专门开发，不具备完全 的通用性，型材厂家应根据自己设备和型材的特点量身定制。因此，济南德佳软件科 技有限公司就开展了专业舨e a s ys o 软件的定制服务，受惠的型材厂家除上海维卡 和大连y k k 外，还有北京北新、海螺、安徽国风、浙江百合花、东宝波菲丽斯、西安 高科、牡丹江华安和柳州鱼峰等，涉及的软件不仅包括一般数控设备的c a m ，而且先 后开发了针对数控双角锯锯切加工中心、焊清自动线t d 焊清加工中心和锯切铣削 加工中心的制造系统软件。 我们注意到这些c 从软件主要针对的是单一工艺的塑窗加工设备，适用于多工 艺集成数控设备的c a m 软件、特别是针对这种设备的c d c a m 集成系统迫切需要发展。 1 5 课题背景及本文完成的主要工作 本课题来源于山东省科技厅计划项目“铝塑型材柔性锯铣加工中心“8 1 和山东省 教育厅科研计划项目( 编号j 0 2 f 0 3 ) “塑料门窗c a d c 声d d 的技术集成与系统实现”。 课题的目标是在研发成功塑料型材柔性锯铣加工中心的基础上，开发一套相应的 c a d c a m 系统。本文的主要工作如下： 1 研究掌握塑料型材柔性锯铣加工中心的加工工艺过程。 2 通过功能分析选取数控系统平台，在深入研究数控系统内部功能结构的基础 上，进行数控系统硬件平台的二次开发。 3 在铝塑型材柔性锯铣加工中心的基础上，深入研究塑窗加工中的特征，应用 特征技术丌发一套相应的c a m 系统。 第二章塑窗型材锯铣中心加工工艺与控制要求 塑窗型材锯铣加工中心是综合塑窗生产的基础工艺锯、铣为一体的加工设 备，具有锯切类设备和铣削类设备的大部分功能，能够自动完成一系列钴削、铣削和 切割等型材焊接前的机械加工过程，即自动完成门窗不同构件( 上边框、下边框、边 框、中竖框、上梃、中梃等) 、不同部位排水槽、安装孔、各种五金件槽孔的钻、铣 加工，以及型材端头定尺切割、型材v 型切割等“1 。 图2 1 是由济南大学机械学院与济南天辰机器有限公司共同研发的塑窗型材锯铣 加工中心示意图，该设备主要由自动输料台及送料机械手、自动铣削机、自动锯切机、 废料输送及锯后输送装置、数控操作台、机架防护装簧等部分组成。既可以与其他设 备组成自动生产流水线，又可以单台使用，具有精度高、效率高综合成本低等优点“1 。 图2 ，1 铝塑型材锯铣加冲心组成示意| 鳘| 2 1锯铣加工中心的主要功能与工艺过程 1 。自动上料平台及送料机械手 自动输料台主要用来完成上料的任务，送料机械手( 图2 2 ) 完成送料任务以及与 铣削刀架的两个伺服轴组成三轴联动的位置伺服传动系统，在数控单元的控制下实现 各种孔槽的加工。 6 济南大学硕士学位论文 2 2 送料机械手图2 3 送料托架图 自动输料台由托送料架( 图2 3 ) 、横向输料带、定位机构、纵向输料机械手等部 件组成。型材放入托送料架后，会被自动送前并放置在横向输料带上，放置的正确位 置靠光电传感器控制 1 0 1 。 如果托送料架在最前面的位置停稳，操作员可将一根型材放在托送料架中，型材 在托送料架中放好以后，按下启动按钮，上科及输送动作开始。 滚轮升降台将输料皮带上的型材抬起供给送料机械手。升降纵向输料台升起时， 将型材从输料皮带上拾起，水平和垂直的滚轮加紧装置将型材加紧在型材支撑架上， 机械手手指的高低和前后由气动件控制调节。机械手夹持型材沿升降纵向输料台伺服 操作送料移动。机械手夹紧型材后将型材纵向推移开始送料。 2 铣削工艺过程 自动铣削机主要由垂直平面上的两轴伺服驱动的龙门式刀架( 如图2 4 ) 和型材 定位导向装置( 如图2 5 ) 组成“n “”。可对型材进行多种加工。如：铣排水孔、钻通 风孔、在锁件位置打记号、窗铰链钻孔、铣门窗锁槽、铣密封条槽等。铣刀刀具围绕 型材分靠在铣刀架上，型材穿过刀架铣刀的刀尖指向型材方向。铣刀架下面是一复合 导轨，它的上下及前后的运动靠两个伺服电机驱动滚动丝杠转动进而带动铣刀架运 动。型材加工时。铣刀刀具靠气缸推动而沿刀具导轨方向弹出，出电机带动铣刀旋转， 进行铣削加工。铣刀架在垂直于机械手运动伺服轴的平面内作前后及上下进给移动， 与机械手运动伺服轴联动可加工出所需的孔型，纵向铣槽时靠机械手推动型材完成。 在控制线路接通电源后，需做一次归零的动作，以取得机床的参考点，龙门刀架慢慢 的向前及向上运动，直到归零时停止。 塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究 皇曼曼鼍! a l ,i i l ll 吕皇置皇喜鼍皇置皇! 暑| 皇皇曼皇曼曼曼曼 饶州耪簧盘繁；z - 饶刀盖：l - 1 缸，v m 曲虮： a 一饿玮蛙耙b tf 毪动伺鞋屯虮 i ! 臼2 ，4 白动铣削机龙门架 2 一气缸：= i 6 一定位镀轮， 一叟掉埔乾j 一堆譬滚轮 图2 5 型材定位导向示意图 3 锯切工艺过程 自动锯切机提供高速切割能力，有三片直径为5 5 0 r m 的锋利锯片。其中包括4 5 。、 9 0 。及1 3 5 。锯片各一片。4 5 。及1 3 5 。锯片可作斜角切割而9 0 。锯片可作直角切 割。型材和料尾由锯后输料装置送出。废料被送往废料收集箱。型材是靠机械手送进 的。通常锯切台面稍低，当锯切长度定位好后，锯切台面会向上升起，并与上面的压板 压紧型材。4 5 。及1 3 5 。锯片装在锯切台的下面，通过自下而上的运动切割型材。当 进行料尾或最后一个端面切割时，锯片可进行独立切割，以节省时间。9 0 。锯片装在锯 切台的上面，通过自上而下的运动切割型材。为节省时间提高效率，当型材在移动定位 时，锯片已开始下降接近型材。 4 锯后输送装置 当锯切完成后，压脚移开，切割好的型材、剩余的型材及较长的尾料由输送带送往 接料台。废料及碎屑通过机器下面的输送带送往废料箱。 2 2 塑窗型材锯铣加工控制要求 由锯铣加工中心的功能可以看出，型材加工时，铣刀头支撑架作前后及上下定位 后，铣刀头靠气缸推动而沿导轨移动，由电机带动铣刀旋转进行切削加工。横向铣 槽时靠推动型材完成，在铣削气压槽、排水槽的过程中，因为铣刀半径小于所要开的 槽的半径( 如图2 6 所示) ，因此对铣刀必须进行两轴捅补控制，使铣刀能够以圆弧 轨迹运动。由于槽孔所丌的位置不同，加工平面不同，所以，要求机械手电机、龙门 济南大学硕士学位论文 鼻_ _ i ll i i ! _ e 曼皇曼! 舞鼍量_ _ 皇e 寰总毫詈_ _ 日皇鼍曼鲁_ _ 皇曼皇寰! 曼詈皇曼兰皇曼鼍 铣刀架的两个电机，能够进行伺服控制并且，每两个伺服电机之间可进行两轴联动 控制。在锯切控制中，下料段的长度控制是由机械手伺服电机控制完成的。 l 一铣刀2 一槽 图2 6 铣削加一 除了伺服控制外，还有锯片的转动、锯片的行程运动以及各个压板、挡板的运动 是由输入输出点的逻辑关系进行控制的。输入点主要是限位开关以及位置开关信号的 输入这些丌关量检测型材当前位置及状态，并结合相应的锯铣加工的辅助工艺要求， 来控制输出点的状态，这些输出点用来控制锯片电机、铣刀电机和压板挡板等动作。 其工艺流程概图如图2 7 所示： 2 3 小结 幽2 一l ：艺流程概圈 1 要完成塑窗型材锯铣加工中心的控制要求，必须使得控制系统具有三轴的伺 服控制，并且可两轴联动控制。 2 完成辅助工艺过程的控制，需要控制系统具有输入输出点的逻辑关系控制。 9 塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究 第三章锯铣加工中心控制系统设计 锯铣加工中心的控制，需要采用数控系统来完成。在制造业中应用比较广泛的数 控系统国内有著名的华中数控，国外有f a u n c 数控和西门子数控等。本文在数控系 统的选用上基于以下原则： 1 可用于锯铣加工中心c a d c a m 系统： 2 具有一定的通用性和先进性： 3 性价比高： 4 有良好的技术支持。 通过分析对比，选用f a n u c 系统。f a n u c 系统在我国是应用最广泛的数控系统 之一，有良好的技术支持，其高可靠性、先进性也得到了世界同行的认可“”，其型 号比较多，能满足多种控制要求，本文采用f a n u c0 系统。 3 1f a n u c 0 数控系统特点 1 很高的可靠性 、 常年的工作考验证明b e i j i n g f a n u c0 系统是最可靠的数控系统之一，它能在一 般车间环境下运行，其工作场地的室温为o 4 5 ，相对湿度7 5 ，短时可达9 5 ，抗 震为0 5g ，电网电压波动为1 0 1 5 ，经对使用中系统的实际统计，b e i j i n g f a n u c 0 系统的故障率为0 0 0 8 。此外。数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠 性。主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰“”。 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。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即可使用，方便可靠。 ( 2 ) 提供丰富的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编 制机床的p m c 控制程序，而且增加了编程的灵活性。 ( 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。可以非常方便的使得 数控机床组网，为网络弗4 造奠定了基础平台。 ( 4 ) 提供丰富的维修报警和诊断功能。f a n u c 维修手册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。 3 2 锯铣加工中心控制系统方案设计 3 2 1f a n u c0 数控系统硬件结构 随着大规模集成电路芯片的发展，b e i j i n g f a n u c0 系统的硬件结构已经改进过 多次。目前销售的0 一c 和o d ，其硬件结构基本一样只是控制轴数不同，所配置的 进给轴驱动电机不同。 b e i j i n g f a n u c0 系统的c n c 单元为大板结构。基本配置有主板、伺服轴控制板、 电源、存储器板和i o 板。各板插在主板上，与c p u 的总线相连。 ( 1 ) 主板主c p u 在该板上。主c p u 用于系统主控，原来用8 0 3 8 6 ，从1 9 9 8 年起 改用8 0 4 8 6 d x 2 。 ( 2 ) 进给伺服控制板b e i j i n g f a n u c0 系统全部用数字式交流伺服控制。其控 制板装在c n c 单元内，插在主板上，即c n c 单元与进给伺服为一体化设计。伺服板上 有2 个c p u ( t m s 3 2 0 ) ，用于伺服的数字控制。每个c p u 控制2 个轴，一块板可控制4 个轴。该板接受主c p u 分配的伺服控制指令。输出6 仑楣位各差6 0 。的脉宽调铝4 信 号( 每轴) ，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。 o d 系统为4 轴( 最大配置) 控制，4 轴联动。只用一块伺服板。o c 最多可控制6 个轴，控制6 个轴时需用2 块板。 ( 3 ) 电源主要有5 v 直流电，用于各板的供电。2 4 v 直流电用于单元内各继 电器控制。 ( 4 ) 存储器板该板上有系统的控制软件r o m ( 共5 片) 。b e i j i n g f a n u e0 系统可控制车床( o t 系统) 、铣床( 镗床，钻床) 及加工中心( o - m 系统) 、磨床( o - g 系 统) 、冲床( o - p 系统) 。不同类型的机床控制软件不同：伺服控制软件r o m1 片； 塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究 i p 眦一l 的r o m 芯片2 片，用于存储机床的强电控制逻辑程序：r 舶芯片，用于寄 存c p u 的中间运算数据。c m o sr a m ，用于存储系统和机床参数、零件加工程序。c m o s r 心与夸- 5 v 电池相连，关机时保存信息。 ( 5 ) 1 1 0 板该板是c n c 单元与机床强电柜的接口。接收或输出2 4v 直流信号， 由p m c 实施输入输出控制。i 0 点数可根据机床的复杂程度选择。标准配爱为1 0 4 个输入点，7 2 个输出点。 3 2 2 方案设计 3 2 2 1 总体布局 可以看出f a n u c o 系统是由模块化构成的，因此要考虑各模块在控制柜中的 布局，控制柜的总体布局如图3 1 所示，伺服放大器是功放单元，在工作时会产生大 量的热量，除了自身所带的散热片散热外，还要通过风扇进行散热，为了防止伺服放 大器的热量影响其他模块比如存储器单元、伺服反馈单元和i o 接i z l 单元的正常工作， 因此要将伺服放大器放置控制柜最顶层，让热量由上而走。其他模块放在中问部分， 大量的信号线和控制线是由这些模块来引出的，放在中间方便引线。输出点控制的继 电器模块，放在下层，这些控制点与强电相关联，放在下方减少对控制系统的噪声干 扰，并且接近电源，减小电源走线长度，也裁减少了干扰信号的弓l 入。显示器和操作 面板放在控制柜前门板上是为了操作人员的方便操作。 l 竺| 3 1 总体布局图 为了保证系统的可靠运行，因此在布置控制柜和电器系统接线时，必须考虑抗干 扰问题。因为噪声的出现有很多不确定的因素，因此防止产生噪声和防止已产生噪声 济南大学硕士学位论文 进入系统是很重要的，所以必须采取预防措旌可以提高系统的稳定性。 控制系统部件安装到电气柜中时经常很靠近噪声源。可能进入c n c 的噪声源来自 电容耦合，电磁感应和地线环流，可以采用下述方法来防止噪声。 1 信号线分类将强弱电信号分离： 2 接地接地系统如图3 2 所示 图3 2 接地系统 3 控制单元信号地连接将控制单元电路中的0 v 线通过信号地端子与电柜接 地板相连。 3 2 2 2 进给伺服驱动 b e i j i n g - f a n u c0 系统包括o c 和o d 两种系统，其进给轴的驱动使用交流同 步电动机，目前为。系列。根据其负载特性和快速性分为：a ( 标准型) 、nm ( 加速 特性) 、nc ( 经济型) 和ql ( 低惯量型) “”“”，o - c 系统配置的是a 型：o d 配置的 是dc 型。在锯铣加工中心的控制中，下科长度锯切和槽孔的铣削需要伺服控制，但 对加工精度的要求并不是很高，可选择0 一d 系统来进行控制。然而，0 d 系统并不是 直接针对锯铣加工中心设计的，需要在应用上有所变通，因此，本文选用最接近的 0 一彻系统，也就针对铣床的数控系统在该系统上改进其应用。从而满足锯铣加工 中心的控制要求。 在一般的余属铣削数控机床中的三轴联动控制包括x y 工作台和z 轴组成的三 轴伺服运动。在锯铣加工中心控制中，我们把机械手和龙门铣刀架组成三轴伺服运动， 如图3 3 所示： 塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究 图3 3 伺服轴分配 在锯铣中心加工过程中，铣削槽孔时需用到伺服联动的加工，槽孔位置主要在如 图3 3 所示的机械手送料方向和龙门刀架前后运动方向的平面内，可以将机械手送料 运动和龙门刀架前后运动看作一般立式数控铣床工作台面的运动。因此，为了符合人 们的习惯以方便于编程，在这里将运动轴做如下定义： x 轴机械手送料方向； y 轴龙门刀架前后运动方向； z 轴龙门刀架上下运动方向。 因为数控系统控制核心是伺服的联动控制。伺服轴的驱动则是由伺服放大器来完 成的，所以伺服放大器的可靠安全工作是机床在n - r 过程中可靠运行的关键。 影响伺服放大器的工作稳定性主要因素是电源中强电信号的高频干扰信号，为了 防止电源单元中的高频噪声，必须要采用交流线性滤波器来抑制该高频噪声，当然。 为了保护电路，防止过流情况的发生，还要加断路器来保护电路。 浪涌对电源的影响非常大，如果不加处理将会严重影响系统的稳定工作，其中系 统外部的浪涌最主要的来源是雷电“，系统内部的浪涌，8 0 都产生于建筑物内部 的设备，如空调、电梯、电焊机、空气压缩机、水泵、开关电源、复印机和其它电感 性负荷等都会产生浪涌，为了消除浪涌需要在电源上加浪涌吸收器“”“”，驱动器的 浪涌驱动器可直接应用f a n u c 公司提供的r c 浪涌吸收器。 在控制系统中，我们采用的是三轴伺服控制，采用了两个伺服放大驱动器，型号 为a 0 6 b 一6 0 8 9 一 4 1 0 4 和a 0 6 b 一6 0 8 9 一h 2 0 3 ，a 0 6 b 一6 0 8 9 一h 1 0 4 驱动器只能控制一轴伺服， a 0 6 b 一6 0 8 9 一h 2 0 3 驱动器可控制两轴伺服接线方式如图3 4 所示。j v l b 为控制单元给 4 济南大学硕士学位论文 i f l i l l l i l l li 皇喜曼曼e ，e 曼皇詈! ! 詈目曼寰! 曼暑舅 驱动器的控制信号，驱动电机电压由u l 、v l 和忆提供，电机的反馈信号直接由电机 反馈到n c 控制系统。 在数控系统运行当中，如果遇到紧急情况，需要按下急停按钮急停按钮按下后 除了让c p u 停止工作外，还需要使伺服控制器刹车使电机快速停止，急停信号输入端 子为i o o a 、i o o b ，系统正常工作时，该端子输入1i o v a c ，当急停按钮按下，使1i o v a c 断开，从而使伺服驱动快速停止工作，急停按钮是系统安全工作的一个保护，是系统 必不可少的功能。 图3 ，4 伺服驱动器接线圈 3 2 2 3 电源 在控制系统中电源的稳定性是系统稳定可靠工作的重要保证在该电源模块中， 采用初级为3 8 0 v ，次级有三组2 1 0 v 输出变压器，分别给c n c 电源，两个伺服放大单 元电源供电( 如图3 5 ) 。让c n c 控制系统上电工作有专门的电源控制接口c p 3 ( 表 3 1 所示) 接口进行控制。 p ers t 凹35 变压器接线圈图3 6c n c 系统电源 塑料门窗锯铣加工中心数控系统研究 表3 ，1 ：c p 3 接口说明： i 2345 6 l o no f fa c o ma l f af b 其中。o n ，o f f 和c o m 为电源o n o f f 触点信号输入，a l 为外部报警信号输入， 当电源单元外的任何报警发生时，允许外部信号是使此电源单元断开。f a ，f b 为电 源报警信号输出当电源单元的熔断器熔断时，此触点信号闭合输出。电源控制接口 设计为图3 6 所示模式，当p o n 键按下系统上电，p o f f 键按下关闭电源，并且允许 外部报警控制该电源。当熔断器熔断，f a ，f b 闭合此时继电器r y 吸台，触发外部动 作。 3 2 2 4 系统接口搭建 f a n u c - - o m d 系统的模块化设计，使得模块间的接线变的简单，我们所用到的主要 接口包括电源接口、显示器键盘接1 3 ，手摇脉冲发生器接1 ：3 、串行接口和伺服驱动接 口，线路连接如图3 7 所示。 幽3 7 模块接口 在三轴伺服控制中，该控制系统支持半闭环控制和闭环控制，这两种控制方式接 线方式有所不同。在锯切下料后要进行焊接操作，因此在下料加工时，留有一部分加 工余量，所以锯切长度控制方面即机械手的伺服控制中采用半闭环控制完全可以达到 它的控制要求。同样的，在铣削槽孔加工中加工精度也没有很高的要求，采用半闭环 控制也完全可以达到它的控制要求。采用半闭坏控制方式时，将a c 伺服电机的脉冲 1 6 济南大学硕士学位论文 编码器产生的信号作为速度和位置的反馈信号。图3 7 中所示的是其中一个轴的控制 及反馈信号的连接方式，其他两轴的接线方式一样只是接口不同。 3 2 25 p m c 控翩 p m c 就是可编程序机床控制器，是专门用于控制机床的p l c 。b e i j i n g f a n u c0 系统的p m c 有4 7 条指令。 这些丰富p m c 指令和i o 接口单元。可完全满足锯铣j j n n - 控制所需要的辅助工艺 控制如锯片转动、锯片移动以及挡板压板等开关点的控制要求，因此使用p m c 控制 器实现了锯切及其辅助工艺的控制，如需要更多的i o 接口则可进行扩展，从而用来 满足不同的控制要求。 这些辅助工艺控制点按照功能要求进行分配( 如图3 8 输入输出点分配) ，这些 功能包括操作面板输入输出点区域和继电器板输入输出区域( 用来控制外部电气，以 及机床侧输入信号的中转接口) 。 c p u i o 分 接 a 配 口 、1 板 板 图3 8 输入输出点分配 继电器板是针对锯片电机和各个气缸电磁阀输出控制设计，如图3 9 所示。比如 通过输出点信号( y 8 4 0 ) 控制继电器，继电器去控制接触器，从而达到控制锯片电 机的目的。该控制电路中包括了断路器、浪涌吸收器和热继电器来保护电机的正常工 作。 p e t s r 机 圈3 9 锯片电机电路 3 2 2 6 主轴驱动 b e i j i n g - f a n u c0 系统的主轴控制器主要是对主轴的转速和攻丝) j n t 进行控制， 主轴最高转速一般在3 0 0 0 5 0 0 0 r p m 。但是，铣削加工的对象是p v c 型材，其质地柔 软，需要利用铣刀的高速旋转与快速进给来完成p v c 型材高效率的加工，铣刀转速一 般为1 5 0 0 0 r p m 。如果用主轴控制器很难达到要求，并且成本较高，因此不能选用， 本文选用变频器来实现锯铣加工中心的主轴铣刀头控制。 3 2 2 7r s - 2 3 2 c 口及数据通讯 为了数据的传送，f a n u c 系统提供了标准的r s 2 3 2 接口，是由m 5 接口引出如图 3 1 0 所示，串行接口一般分为同步式和异步式o m d 系统是异步式通讯。机床与计算 机通讯的串行接口线连接如图3 1 l 所示。 2 5 - 2 3 2 接* f g = 盖豆 一s 兰 喾童 器量 兰 至 罢 机球2 s 什串口i 帆g ”串口 雠护i 电 i i ；h d ，、【】 t x or x d r x i )r xl ) r t s c t s c t s h 1 s ij i i r j亡 保护地 【e o 习巴l i i t t 4 i i s r 图3 l of a n u c 串行接口图3 1 1 计算机通讯线连接 网络制造是制造业今后发展的方向，网络制造的基础平台就是数控机床，是能够 联网的数控机床“”“”。通过串口( r s - 2 3 2 c ) 可用于系统与外部设备的数据交换。 交换的数据包括：系统及机床的设定参数、p m c 参数、零件加工程序、刀具补偿值、 8 设定的工件坐标系、丝杠的螺补值等。 在塑窗组装生产线中，集合了很多加工设备，如锯切机、铣削机、焊接机和清角 机等来完成整个塑窗的生产，因此，本文在设备组网并且能与上位机通讯方面进行了 研究，并在此基础上实现了串口程序传输功能。 3 3 小结 1 ) 利用f a n u c - - o m d 的铣削数控系统可解决塑窗型材的锯铣加工中心的控制要 求，即将该数控系统的三轴联动控制应用于塑窗型材的锯铣加工中心的送料控制和铣 削槽孑l 控制中。 2 ) 利用f a n u c - - o m d 数控系统的p m c 控制器实现对锯切和压板挡板的开关量的控 制即可完成锯切控制