车床主轴控制系统毕业设计.doc

毕业设计 论文 报告纸 装 订 线 毕 业 论 文 课题名称CH460 数控车床主轴控制系统的设计 系 专 业 机械工程学院 数控设备应用与维护 班 级 学 号 学生姓名 2012 年 5 月 28 日 指导教师指导教师 夏燕兰 毕业设计 论文 报告纸 装 订 线 CH460 数控车床主轴控制系统的设计数控车床主轴控制系统的设计 摘摘 要要 数控技术发展飞速的今天 数控技术在现代制造业发挥越来越重要的作用 数 控机床是数控制造业的核心 本文主要介绍了对数控车床主轴控制系统设计的过程 CH460 是基于广州数控系统 980TA1 的基础上设计制造的新一代的数控车床 对其主轴控制系统设计是尤为重要的 其内容包括电源电路 CNC 电路 主轴电路 强电电路 PLC 输入 输出电路等 本论文主要介绍数控车床主轴控制的设计 根据电气控制的要求 设计了的电 气原理图 根据电气元件参数的设定 来确定各元器件的选择 根据设计要求及强 电控制线路和控制要求 编写 PLC 程序 介绍了广数系统的指令以及编程 最后 针对所设计的内容进行总结 关键词 关键词 主轴控制系统 电气原理设计 PLC 毕业设计 论文 报告纸 装 订 线 Abstract CNC technology rapid development today the CNC technology in the modern manufacturing industry plays an increasingly important role CNC machine tools CNC manufacturing industry is the core this paper mainly introduces the CNC lathe spindle control system design process CH460 is based on the Guangzhou CNC system based on 980TA1 design and manufacture a new generation of CNC lathes the spindle control system design is particularly important its content includes power supply circuit CNC circuit main circuit power circuit PLC input output circuit This paper mainly introduces the numerical control lathe spindle control design according to the electrical control requirements the design of the schematic diagram According to the electrical component parameter settings to determine the selection of components According to the design requirements and the power control circuit and control requirements PLC preparation procedures introduced a wide number of systematic instruction and programming finally according to the design of the content of the summary Key Words Spindle control system electrical principle design PLC 毕业设计 论文 报告纸 装 订 线 目目 录录 第一章 绪 论 1 1 1 选题背景和意义 1 1 2 数控车床主轴控制系统的现状 1 1 3 数控车床主轴控制系统未来的发展反向 3 第二章 电气方案的设计 4 2 1 本课题的主要问题 4 2 2 电气方案的确定 4 第三章 电气原理图的设计 6 3 1 电气原理图的设计 6 3 1 1 电源回路 6 3 1 2 CNC 电路 6 3 1 3 主轴电路 7 3 1 4 强电电路 8 3 1 5 PLC 输入 输出电路 9 3 2 电气元件的选择 11 3 2 1 熔断器的选择 11 3 2 2 变频器的选择 11 3 2 3 接触器的选择 12 3 2 4 继电器的选择 12 3 2 5 变压器的选择 12 3 2 6 空气开关的选择 13 3 2 7 其他元气件的选择 13 第四章 数控车床 PLC 输入输出控制的设计 14 4 1 可编程控制器 PLC 简介 14 4 2 广数 980PLC 的基本指令 功能指令 15 4 3 主轴控制系统 PLC 程序梯形图 16 总 结 19 致 谢 20 毕业设计 论文 报告纸 装 订 线 参考文献 21 毕业设计 论文 报告纸 第 1 页 共 22 页 装 订 线 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 选题背景和意义选题背景和意义 数控技术也叫计算机数控技术 CNC Compute Numerical Control 目前它是采用计算机 实现数字程序控制的技术 数控技术是机械加工自动化的基础 是数控机床的核心技术 其水平高低关系到国家战略 地位和体现国家综合国力的水平 数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式 产品结构 带来了深刻的变化 也给传统的机械 机电专业的人才带来新的机遇和挑战 我国经济全面与 国际接轨 并逐步成为全球制造中心 我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争 数控 技术是制造实现自动化 集成化的基础 是提高产品质量 提高劳动生产率不可少的物资手段 在数控机床中 主轴是机床里的一个非常重的部分 对于它的控制的好坏一定程度上反应 一个机床的控制柔性的程度 主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动 为车床主轴提供驱 动功率以及所需的切削力 目前在数控车床中 主轴驱动常使用交流电动机 直流电动机已逐 渐被淘汰 由于受永磁体的限制 交流同步电动机功率做得很大时 电动机成本太高 因此目 前在数控机床的主轴驱动中 均采用笼型异步电动机 为了获得良好的主轴特性 设计中采用 矢量变频控制的交流主轴电动机 矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式 后者具 有更高的速度控制精度 在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求 近年来 PLC 在工业自动控制领域应用愈来愈广 它在控制性能 组机周期和硬件成本等方 面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的 随着 PLC 技术的发 展 它在位置控制 过 程控制 数据处理等方面的应用也越来越多 论文以我所在南京二机数控车床有限责任公司 CH460 数控车床为研究对象 结合所学知识 参考数控设备应用与维护综合实训 论文主要研究 CH460 数控车床的主轴控制系统 电气原理 设计 PMC 程序的设计等内容 在半年的实习期间里 培养了自己的职业能力 培养社会生存能力 激发学习主动性 锻 炼自己理论与实践相结合的能力 回顾 运用所学的理论知识 并为将来走上工作岗位奠定基 础 1 21 2 数控车床数控车床主轴控制系统的现状主轴控制系统的现状 主轴驱动系统也叫主传动系统 是在系统中完成主运动的动力装置部分 主轴驱动系统通 过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度 配合进给运动 加工出 理想的零件 它是零件加工的成型运动之一 它的精度对零件的加工精度有较大的影响 机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别 机床主轴的工作运动通常是旋转运动 不像进 毕业设计 论文 报告纸 第 2 页 共 22 页 装 订 线 给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动 数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进 给实现刀具与工件的快速的相对切削运动 在 20 纪 60 70 年代 数控机床的主轴一般采用三相 感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式 随着刀具技术 生产技术 加工工 艺以及生产效率的不断发展 上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要 现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求 1 调速范围宽并实现无极调速 为保证加工时选用合适的切削用量 以获得最佳的生产率 加工精度和表面质量 特别对 于具有自动换刀功能的数控加工中心 为适应各种刀具 工序和各种材料的加工要求 对主轴 的调速范围要求更高 要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速 并减少中间传动环节 简化主轴箱 目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达 1 100 恒功率调速范围也可达 1 30 一般过载 1 5 倍时可持续工作达到 30min 主轴变速分为有级变速 无级变速和分段无级变速三种形式 其中有级变速仅用于经济型 数控机床 大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速 在无级变速中 变频调速主轴一 般用于普及型数控机床 交流伺服主轴则用于中 高档数控机床 2 恒功率范围要宽 主轴在全速范围内均能提供切削所需功率 并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的最大 功率 由于主轴电动机与驱动装置的限制 主轴在低速段均为恒转矩输出 为满足数控机床低 速 强力切削的需要 常采用分级无级变速的方法 即在低速段采用机械减速装置 以扩大输 出转矩 3 具有四象限驱动能力 要求主轴在正 反向转动时均可进行自动加 减速控制 并且加 减速时间要短 目前一 般伺服主轴可以在 1 秒内从静止加速到 6000r min 4 具有位置控制能力 即进给功能 C 轴功能 和定向功能 准停功能 以满足加工中心自动换刀 刚性攻丝 螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要 5 具有较高的精度与刚度 传动平稳 噪音低 数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关 为了提高传动件的制造精度与刚度 采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性 最后一级一般用斜齿轮 传动 使传动平稳 采用带传动时应采用齿型带 应采用精度高的轴承及合理的支撑跨距 以 提高主轴的组件的刚性 在结构允许的条件下 应适当增加齿轮宽度 提高齿轮的重叠系数 变速滑移齿轮一般都用花键传动 采用内径定心 侧面定心的花键对降低噪声更为有利 因为 这种定心方式传动间隙小 接触面大 但加工需要专门的刀具和花键磨床 毕业设计 论文 报告纸 第 3 页 共 22 页 装 订 线 1 31 3 数控车床主轴控制系统未来的发展反向数控车床主轴控制系统未来的发展反向 作为数控机床的重要功能部件 伺服驱动装置的特性一直是影响数控机床加工性能的重要 指标 围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高 近年来国内外发展了多种伺服驱动技 术 可以预见 随着高速切削 超精密加工 网络制造等先进技术的发展 具有网络接口的全 数字交流伺服驱动系统 直线伺服系统及高速电主轴等成为机床行业的关注热点 并成为伺服 驱动系统的发展方向 从 2005 年德国汉诺威展览会 可以看到伺服驱动装置的两个发展趋势 1 全数字化 全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势 全数字化不仅包括伺服驱动内部控制的数 字化 伺服驱动到数控系统接口的数字化 而且还应该包括测量单元数字化 因此伺服驱动单 元内部三环的全数字化 现场总线连接接口 编码器到伺服驱动的数字化连接接口 是全数字 化的重要标志 随着微电子制造工艺的日益完善 采用新型高速微处理器 特别是数字信号处理器 DSP 技术 使运算速度呈几何级数上升 伺服驱动内部的三环控制 位置环 速度环 电流环 数字化是 保证伺服驱动高响应 高性能和高可靠性的重要前提 伺服驱动所有的控制运算 都可由其内 部的 DSP 完成 达到了伺服环路高速实时控制的要求 一些产品还将电机控制的外围电路与 DSP 内核集成于一体 一些新的控制算法速度前馈 加速度前馈 低通滤波 凹陷滤波等得以 实现 伺服驱动传统的模拟量控制接口 容易受到外部信号干扰 传输距离短 我国目前伺服驱 动装置上大量采用的脉冲式控制接口 也不是真正意义上的数字接口 这种接口受脉冲频率的 限制 不能满足高速 高精控制的要求 而采用现场总线的数字化控制接口 是伺服驱动装置 实现高速 高精控制的必要条件 全数字化已经延伸到测量单元接口的数字化 德国 HEIDENHAIN 将各种类型的编码器 如绝对 增量式和正余弦编码器的细分功能 都统一到 EnDae2 2 编码器连接协议中 细分过程 在编码器内部完成 再通过数字接口和伺服驱动连接起来 这才是真正的全数字化 2 高性能 表现为高精度 高动态响应 高刚性 高过载能力 高可靠性 高电磁兼容性 高电网适应 能力 高性价比 在 2005 年汉诺威展览会上 日本发那科推出了 HRV4 伺服控制控制技术 伺服 HRV4 继承 并进一步发展了 HRV3 的优点 具有如下特点 在任何时刻 均采用纳米层次的位置指令 使 毕业设计 论文 报告纸 第 4 页 共 22 页 装 订 线 用 1600 万高分辨率的脉冲编码器 可以实现纳米精度的伺服控制 HRV4 超高速伺服控制处理 器 所控制的电机转速可以达到 60000r min HRV4 控制算法 可使得伺服电机的最大控制电流 减少 50 并减少电机发热 17 因此 伺服驱动装置可以获得更高的刚性和过载能力 毕业设计 论文 报告纸 第 5 页 共 22 页 装 订 线 第二章第二章 电气方案的设计电气方案的设计 2 12 1 本课题的主要问题本课题的主要问题 主轴驱动系统是数控机床的大功率执行机构 其功能是接受数控系统 CNC 的 S 码速度指令 及 M 码辅助功能指令 驱动主轴进行切削加工 数控加工中心对主轴有较高的控制要求 首先 要求在大力矩 强过载能力的基础上实现宽范围无级变速 其次要求在自动换刀动作中实现定 角度停止 即准停 这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系统在 电路设计和运行参数整定上具有更大的难度 主轴的驱动可以使用交流变频或交流伺服 2 种控 制方式 交流变频主轴能够无级变速但不能准停 需要另外装设主轴位置传感器 配合 CNC 系 统 PMC 指数控系统内置 PLC 的逻辑程序来完成准停速度控制和定位停止 交流伺服主轴本身即 具有准停功能 其自身的轴控 PLC 信号可直接连接至 CNC 系统的 PMC 配合简捷的 PMC 逻辑 程序即可完成准停定位控制 且后者的控制精度远远高于前者 交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元 主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器 3 部分组成 主要完成闭环速度控制 但当主轴准停时则完成闭环位置控制 由于数控机床的主 轴驱动功率较大 所以主轴电动机采用鼠笼式感应电动机结构形式 旋转编码器可以在主轴外 安装 也可以与主轴电动机做成一个整体 主轴驱动单元的闭环控制 矢量运算均由内部的高 速信号处理器及控制系统实现 主轴驱动单元采用电流型矢量控制方式 以高速数字信号处理器 DSP 为核心 以大规模专 用集成电路 高速功率模块作为实现电路 使驱动单元具有体积小 重量轻 运算速度高 位 置控制定向时间短 易于高速准停等诸多优点 该驱动单元能接受数字速度给定 也能接受模 拟速度给定 具备过流 过压 过载 欠压 过热 过速等多项保护的监控和诊断功能 具有 通讯功能 准停参数及运行参数设置既可以通过 PC 机预置也可以手动输入 设计紧凑 使用方 便 该主轴驱动器在准停定位时 实际上并不接受 CNC 的速度命令 仅仅按照预设的准停位置 准停速度等参数完成闭环位置控制 2 22 2 电气方案的确定电气方案的确定 本课题所设计的数控车床采用了广数 980TA1 数控系统 数控机床主轴驱动与进给驱动有着 很大的不同 主轴电动机的功率要求大 对转速要求更高 但对调速性能去远不如进给驱动那 么高 因此在主轴调速控制中 除采用调压调速外 还采用弱磁升速的方法 进一步提高其最 高转速 在主轴驱动中 目前均使用交流电动机 直流电动机已逐渐被淘汰 由于受永磁铁的 限制 交流同步电动机的功率不容易做的很大 因此目前在数控机床的主轴驱动中 均采用笼 型异步电动机 而其数控装置可通过三种方式控制主轴驱动 一种是通过主轴模拟电压输出接 口 输出 0 10V 模拟电压至主轴驱动装置 电压的正负控制电动机转向 电压的大小控制电 毕业设计 论文 报告纸 第 6 页 共 22 页 装 订 线 动机的转速 另一种是输出单极性 0 10V 模拟电压至主轴驱动装置 通过正转与反转开关量信 号指定正反转 第三种是选择书空装置输出 12 位二进制代码或 2 位 BCD 码 4 位 BCD 码 开 关量信号至主轴驱动 控制主轴的转速 不论采用哪一种方法 均可实现主轴电动机的无级调 速 本课题主轴采用变频器控制 输出功率为 3 7KW 主轴转速范围为 35 3500r min 转速 2890r min 毕业设计 论文 报告纸 第 7 页 共 22 页 装 订 线 第三章第三章 电气原理图的设计电气原理图的设计 3 13 1 电气原理图的设计电气原理图的设计 3 1 1 电源回路电源回路 图3 1 电源回路图 图 3 1 为机床的电源回路 QS1 为电源的隔离开关 控制电路的通断 QF1 为空气开关 起保护作用 输入带你呀为 380V 经过变压器转换成 28v 220V 分别给开关电源 工作灯 风 机供电 3 1 2 CNC 电路电路 毕业设计 论文 报告纸 第 8 页 共 22 页 装 订 线 图3 2 CNC电路图 本课题采用广数 980TA1 数控系统 CNC 主要对系统电源 进给脉冲 手轮 模拟主轴 主轴编码器进行控制 3 1 3 主轴电路主轴电路 毕业设计 论文 报告纸 第 9 页 共 22 页 装 订 线 图3 3 主轴电路 采用模拟主轴控制 配置 3Kw 2880r min 的交流异步电动机 速度开环控制系统 CNC 输出的模拟信号到变频器的 41 与 42 端口 从而控制电动机的转速 通过设置变频器的参数 实现从最低转速到最高转速的调速 KA1 KA2 为中间继电器 是主轴正反转的继电器 3 1 4 强电电路强电电路 毕业设计 论文 报告纸 第 10 页 共 22 页 装 订 线 图3 4 380V强电回路 图 3 4 为数控车床的主电路的一部分 也是机床的动力电路 交流接触器 KM3 和 KM4 采 用互锁连接用来控制主轴电动机的正反转 KA5 与 KM5 连接 实现冷却的开与关 按下 SB1 按钮 液压系统得电 3 1 5 PLC 输入 输出电路输入 输出电路 毕业设计 论文 报告纸 第 11 页 共 22 页 装 订 线 图3 5 PLC输入电路 毕业设计 论文 报告纸 第 12 页 共 22 页 装 订 线 图3 6 PLC输出电路 SB1 SB2 为主轴正反转按 控制主轴的正反转 SB3 为主轴停止按钮 SB4 SB5 分别为循 环启动和进给保持 3 23 2 电气元件的选择电气元件的选择 3 2 1 熔断器的选择熔断器的选择 熔断器是一种简单而有效的保护电器 在电路中主要起短路保护作用 选择熔断器时主要 是选择熔断器的类型 额定电压 额定电流及熔体的额定电流 选 15A 选 RT18 32 控制线路中 P U 12 3 220V 0 7A 选择 2A 型号为 RT18 32 3 2 2 变频器的选择变频器的选择 毕业设计 论文 报告纸 第 13 页 共 22 页 装 订 线 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置 按 照课题的要求 本课题选用的是 FR S540E 3 7K CH 型号的变频器 根据生产机械的负载特性 调速范围 静态速度精度 起动转矩的要求 决定选用那种控 制方式的变频器 在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数 1 电动机的极数 2 转矩特性 临界转矩 加速转矩 3 电磁兼容性 主要具有以下特点 1 变频器效率 96 至 97 2 过载能力强 内置制动单元 5 分钟内持续时间 60 秒 150 恒转矩 负载电流过载 或 1 分钟内持续 3 秒 200 过载 3 起动 冲击电流小于额定输入电流 4 各种保护齐全 由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流 因此在其内部的算法中大量涉及 到电机参数 电机除了考虑常规的参数如电机极数 额定功率 额定电流外 还应考虑定子电 阻 定子漏感抗 转子电阻 转子漏感抗 互感抗和空载电流 数控车床用变频器特点如下 1 体积小 属于迷你型产品 占用控制柜空间较小 2 控制方式为正弦波 SPWM 提供无速度反馈矢量控制 控制性能较以前的 VF 控制方式性 能上有很大的改善 特别是在低速转矩上满足机床主轴的需求 5Hz 时起动转矩能够达到 150 以上 3 载波频率范围 0 15kHz 减小电机的电磁噪音 4 提供标准的 0 10V 模拟量接口 输入阻抗 47k 输出阻抗 250k 能够与大多数数控 系统接口兼容 通用性强 5 过载能力强 150 以上额定输出电流超过一分钟 6 提供多功能的输出端子信号 例如零速信号 运转中信号 速度到达信号 故障指示 满足系统对于主轴速度状态的监控 7 自动转矩补偿 满足机床主轴在低速情况下的加工需求 8 提供三组异常纪录 供维修人员从侧面了解机床主轴实际的运行状况 9 电机参数自动整定功能 在线识别电机参数 保证系统的稳定性和精确性 3 2 3 接触器的选择接触器的选择 接触器是一种用来频繁地接通和分断带有负载的主电路的自动控制电器 接触器由电磁机 构 触点系统 灭弧装置及其他部件四部分组成 其中电磁机构由线圈 动铁心和静铁心组成 触点系统包括三对触点 辅助触点 毕业设计 论文 报告纸 第 14 页 共 22 页 装 订 线 工作原理是当线圈通电后 铁心产生电磁吸力将衔铁吸合 衔铁带动触点系统动作 使常 闭触点断开 常开触点闭合 当线圈断电时 电磁吸力消失 衔铁在反作用弹簧力的作用下释 放 触电系统随之复位 选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压 额定电流 辅助触点 的数量与种类 吸引线圈的电压等级 操作频率等 u 380V I I1 8A 选 CJ10 10 3 2 4 继电器继电器的选择的选择 继电器是一种根据电量参数 电压 电流 或非电量参数 时间 温度 压力等 的变化 自动接通或断开控制电路 以完成控制或保护任务的电器 继电器用途广泛 种类繁多 按反 应的参数可分为电流继电器 电压继电器 时间继电器 热继电器和速度继电器等 按动作原 理可分为电磁式 电动式 电子式等 U 220V I2 2 9A I3 0 33A 触点对数为 4 对 型号选择 JZ7 44 5A 220V JZ8 44 5A 24V 3 2 5 变压器的选择变压器的选择 变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器 变压器的功能主要有 电压变换 电流变换 阻抗变换 隔离 稳压 磁饱和变压器 自 耦变压器 高压变压器 干式和油浸式 等 变压器的选择原则 选择变压器的主要依据式变压器的额定值 1 根据实际情况选择一次额定电压 U1 380V 220V 在选择二次额定电压 U2 二次额定 值是指初级加额定电压时 二次的空载输出电压 二次带有额定负载时输出电压下降 5 因此 选择输出额定电压时应略高于份额在额定电压 2 根据实际负载情况 确定各二次绕组额定电流 I2 一般绕组的额定输出电流应大于或等 于额定负载电流 二次额定容量由总容量确定 根据经验公式 P K P i 式中 P i 电磁元件的吸持功率和灯等负载消耗的功率 单位为 kW K 变压器的容量储备系数 K 1 1 1 5 本课题中选择的接触器 继电器一般功率 12W 系统输入输出小于 100W 由于本课题中控 制变压器的容量 P 可根据由它供电的最大工作负载所需要的功率来计算并留用一定的余量 所以 本设计中的控制变压器 D1 TC1 的容量为 P 100 12 4 1 2 150VA 因此控制变压器 D1 TC1 的容量选择为 150VA 毕业设计 论文 报告纸 第 15 页 共 22 页 装 订 线 3 2 6 空气开关的选择空气开关的选择 电源总空气开关 D1 QF1 主要给主轴电动机 H1 M1 提供电源 而在控制变压器二次侧的 NC 强电控制电路等在变压器一次侧产生的电流相对较小 因此电源总空气开关 D1 QF1 的额定 电流的选择主要考虑主轴电动机 H1 M1 的额定电流 P1 3Kw P2 1 1Kw P3 125w U 380V I P1 U 7 9A I2 2 9A I3 0 33A I 总 I1 I2 I3 11 3A 所以选择 16A 确定空气开关为 DZ115 40 1901 220V 16A 级数为一 3 2 7 其他元气件的选择其他元气件的选择 1 直流稳压电源 直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源 在数控机床电气控制系统中 需要稳压电源给驱动器 控制单元 直流继电器及信号指示 灯等提供直流电源 在数控机床中主要使用开关电源 直流稳压电源的功率为 100W 2 按钮的选择 根据需要的触电数目 动作要求 使用场合及颜色等进行按钮的选择 一般用红色表示停止 绿色表示启动 本设计中 按钮 M1 SB1 为急停按钮 红色 M1 SB2 和 M2 SB1 选择按钮的颜 色为绿色 按钮 M1 SB3 M2 SB2 选择的颜色为红色 第四章第四章 数控车床数控车床 PLC 输入输出控制输入输出控制的设计的设计 毕业设计 论文 报告纸 第 16 页 共 22 页 装 订 线 4 14 1 可编程控制器可编程控制器 PLCPLC 简介 简介 可编程控制器 以下简称 PLC 是 20 世纪 60 年代发展起来的一种新型自动化控制装置 目前已广泛应用于各种工业设备 可编程控制器是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器 在此之前 机床的顺序控制是以机床当前运行状态为依据 使机床按预先规定好的动作依 次地工作 这种控制方式的实现 是由传统的继电器逻辑电路 RLC 完成的 RLC 是将继电器 接触器 按钮 开关等机电式控制器件用导线 端子等连接起来的电路 以实现规定的顺序控 制功能 1969 年 美国 DEC 公司研制出世界上第一台型号为 PDP 14 的可编程控制器 在通用 汽车公司的自动装配线上使用 获得了成功 因为这种装置当时称为 可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 故简称PLC 可编程控制器是一种数字运算电子系统 专为在工业环境下运用而设计 它采用可编程序 的存储器 用于存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等特定功能的用户指令 并通过数字式或模拟式的输入输出 控制各种类型的机械或生产过程 可编程控制器及其辅助 设备都应按易于构成一个工业控制系统 且它们所具有的全部功能易于应用的原则设计 数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成 数控装置主要完成与数字 运算和管理等有关的功能 如零件程序的编辑 插补运算 译码 位置伺服控制等 可编程控 制器 以下简称 PLC 主要完成与逻辑运算有关的一些动作 没有实现轨迹运动上的具体要求 1 可编程控制器 PLC 具有如下特点 1 PLC 是一种专用于工业顺序控制的微机系统 为了适应顺序控制的要求 PLC 省去了 微机的一些数字运算功能 而强化了逻辑运算控制功能 是一种介于继电器控制和微机控制之 间的自动控制装置 2 PLC 是专为在恶劣的工业环境下使用而设计的 所以具有很强的抗干扰能力 除输入 输出部分采用光电隔离的措施外 对电源 运算器 控制器 存储器等也设置了多种保护和屏 蔽 PLC 没有继电器那种机械触点 因此 不存在触点的接触不良 熔焊 磨损和线圈损坏等 故障 3 相对于 RLC PLC 采用软件实现用户控制逻辑 结构紧凑 体积小 很容易装入机床 内部或电气箱内 便于实现动作复杂的控制逻辑和数控机床的机电一体化 4 目前大多数的 PLC 均采用梯形图编程方式 梯形图与继电器逻辑控制电路图十分相 似 图形符号形象直观 工作原理易于理解和掌握 编程简单 操作方便 改变程序灵活 5 PLC 可与编程器 个人计算机等联接 可以很方便地实现程序的显示 编辑 诊断 毕业设计 论文 报告纸 第 17 页 共 22 页 装 订 线 存储和传送等操作 2 可编程控制器的分类 从数控机床应用的角度可编程控制器可分为两类 一类是 CNC 的生产厂家专为数控机床顺序控制而将数控装置 CNC 和 PLC 综合起来而 设计制造的 内装型 PLC 另一类是专业的 PLC 生产厂家的产品 它们的输入 输出信号接口技术规范 输入 输出点 数 程序存储容量以及运算和控制功能均能满足数控机床的控制要求 称为 独立型 PLC 3 可编程控制器的组成及工作方式 PLC 实质是一种专用计算机 它的组成形式基本上与微机相同 主要包括 微处理器 CPU 存储器 用户输入 输出部分 输入 输出扩展接口 外围设备以及电源 等 对于内装型 PLC CPU 存储器 外围设备 电源等部分一般与 CNC 装置共用 PLC 的基本工作方式是顺序执行用户程序 每一时刻执行一条指令 由于相对于外部电气 信号有足够的执行速度 从宏观上看是实时响应的 对用户程序的执行一般有循环扫描和定时 扫描两种 扫描过程分为三个阶段 即输入采样阶段 程序执行阶段和输出刷新阶段 图 4 1 为 数控车床中的 PLC 系统 CNC系统 主轴 Y轴伺服放大器 X轴伺服放大器 液压站 辅助设备 模块 D A PLC 伺服电机伺服电机 主轴电机 图4 1 数控车床中的PLC 4 24 2 广数广数980PLC980PLC的的指令 地址指令 地址 PLC 的指令有两种 基本指令和功能指令两种指令 在设计顺序程序时 使用最多的是基 本指令 由于数控机床执行执行顺序逻辑往往较为复杂 仅使用基本指令编程会十分困难或规 模庞大 因此必须借助功能指令以简化程序 PLC 的基本指令 功能指令见表 4 1 4 2 表4 1 基本指令表 毕业设计 论文 报告纸 第 18 页 共 22 页 装 订 线 No 指 令处 理 内 容 1LD读取常开触点状态 2LDI读取常闭触点状态 3OUT驱动输出线圈 4AND常开触点串联 5ANI常闭触点串联 6OR开触点并联 7ORI常闭触点并联 8ORB串联电路的并联 9ANB并联电路块的串联 表4 2 功能指令表 指令名功能指令明功能 END1 第一级程序结束 ROTB 二进制旋转控制 END2 第二级程序结束 DECB 二进制译码 SET 置位 CODB 二进制转换 RST 复位 JMPB 程序跳转 CMP 比较置位 LBL 程序跳转标号 CTRC 计数器 CALL 子程序调用1 TMRB 定时器 SP 子程序标号 MOVN 数据复制 SPE 子程序结束 PARI 奇偶校验 DIFU 上升沿置位 ADDB 二进制数据相加 DIFD 下降沿置位 SUBB 二进制数据相减 MOVE 逻辑乘 ALT 交替输出 980 的地址分固定地址和可定义地址 固定地址的信号定义不能更改 只能按系统规定的信 号定义来使用 可定义地址可以由用户根据需要定义不同的功能意义 地址类型说明如下 地址地址说明地址范围 X机床到 PLCX0000 到 X0029 YPLC 到机床Y0000 到 Y0019 FCNC 到 PLCF0000 到 F0255 GPLC 到 CNCG0000 到 G0255 R中间继电器R0000 到 R0999 毕业设计 论文 报告纸 第 19 页 共 22 页 装 订 线 D数据寄存器D0000 到 D0999 C计数器C0000 到 C0099 T定时器T0000 到 T0099 DC计数器预制值数据寄存器DC0000 到 DC0099 DT定时器预制值数据寄存器DT0000 到 DT0099 A信息显示请求信号A0000 到 A0024 K保持型继电器K0000 到 K0039 L跳转标号L0000 到 L9999 P子程序标号P0000 到 P9999 4 34 3 主轴控制系统主轴控制系统PLCPLC程序梯形图程序梯形图 梯形图 LAD 是在继电器控制系统基础上发展出来的一种图形语言 在形式上类似于继 电器控制电路 梯形图见图 4 2 毕业设计 论文 报告纸 第 20 页 共 22 页 装 订 线 毕业设计 论文 报告纸 第 21 页 共 22 页 装 订 线 正转 反转 制动 停止 变频高速 变频中速 变频低速 卡盘夹紧 卡盘松开 机械一档 机械二档 图4 2 主轴PLC梯形图 毕业设计 论文 报告纸 第 22 页 共 22 页 装 订 线 PLC 程序功能的说明 机床准备好时 按下手动按钮 线圈 Y1 0 通电 主轴正转 按下手动按钮 线圈 Y2 3 得 电 主轴停止 机床准备好 按下手动按钮 线圈 Y1 1 得电 主轴反转 机床准备好 按下 手动按钮 线圈 Y1 6 得电 卡盘夹紧 按下手动按钮 线圈 Y1 3 得电 卡盘松开 译码指令 DECT 对电机通主轴正 反转信号进行译码 主轴正反转 输出信号 Y1 0 Y1 1 线圈 Y1 0 Y1 1 得电 主轴实现正反转 按下急停按钮 发出急停信号 X0 2 线圈 Y2 3 通电 主轴停止 总总 结结 毕业设计 论文 报告纸 第 23 页 共 22 页 装 订 线 在这次毕业设计中 我在对数控车床的工作原理以及内部结构的分析研究的基础上 进行 了 CH460 数控车床主轴控制系统设计 此车床是基于广州数控 980TA1 系统的基础上的新一代 数控车床 它具有高速 精密 可靠 经济等特点 车床的电气系统设计是整个车床的核心部 分 主要分为强电回路设计 控制回路设计 PLC 输入输出设计 伺服驱动进给设计和主轴驱 动设计五个方面 要求绘制出整个车床的电器原理图 通过此次设计