（机械电子工程专业论文）教学型数控综合实验台的研究与开发.pdf

教学型数控综合实验台的研究与开发 摘要 本文研究的主要目的就是为了设计一种适合高等院校数控教学、实验实训 的数控实验设备，以满足数控人才培养的需要。在本文的研究中，首先分析了 当前数控实验设备的发展现状及不足之处，提出了教学型数控综合实验台的设 计方案。在机械结构方面，对演示台进行了设计、选型和组装：在电气系统硬 件方面，以f a n u c o i 系统为研究平台，采用模块化设计思想，设计了各个模块 的电气电路，主要包括c n c 系统模块、电源模块、i ol i n k 模块、主轴变频器模 块、机床i o 接口模块、交流伺服驱动模块以及故障设置模块等。在上述基础上， 完成了数控实验台参数的设置以及p m c 程序的编制。最后结合数控教学的特点设 计了五个教学实验项目，增强了实验台的实验效果。 关键词：数控实验台；f a n u c - o i 系统；故障设置；p m c 编程；参数设置 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc o m p r e h e n s i v ec n ce x p e r i m e n t a l p l a t f o r mf o r t e a c h i n g a b s t r a c t t h em a i np u r p o s eo ft h i ss t u d yw a st od e s i g na l la p p r o p r i a t ec n ce x p e r i m e n t p l a t f o r m f o rc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e si no r d e rt om e e tt h en e e d so fc n cp e r s o n n e lw 醯n i n g i nt h e f i r s to ft h i ss t u d y , t h ec u r r e n ts t a t u so ft h ed e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o ll a b o r a t o r y e q u i p m e n ta n dt h ei n a d e q u a t ew e r ea n a l y z e d t h e nt h ed e s i g ni d e ao ft h ec o m p r e h e n s i v e t e a c h i n gc n ce x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a sp r o p o s e d i nm e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h e p r e s e n t a t i o na g e n c i e so fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw e r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gs e l e c t i o na n d a s s e m b l yo fb o d yp a r t s i ne l e c t r i cs y s t e mh a r d w a r e ，w i t hf a n u c o is y s t e ma st h e r e s e a r c hp l a t f o r mt h ei d e ao fm o d u l a rd e s i g nw a sa d o p t e d ，e a c hm o d u l eo fe l e c t r i c a l c i r c u i t sw a sd e s i g n e d ，m a i n l yi n c l u d i n gc n cm o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，i ol i l l l ( m o d u l e , s p i n d l et r a n s d u c e rm o d u l e ，m a c h i n ei 0i n t e r f a c em o d u l e ，a cs e r v od r i v em o d u l ea n dt h e m o d u l eo ff a u l t ss e t t i n g b a s e do nt h ea b o v e ，c n ce x p e r i m e n tp l a t f o r m sp a r a m e t e rs e t t i n g a n dt h eo r d e ro fp m cw e r es t u d i e d f i n a l l ya c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc n c t e a c h i n g ，f i v el a bp r o j e c t sw e r ed e s i g e n e dt oe n h a n c et h ee f f e c to f t h ec o m p r e h e n s i v ec n c e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt e a c h i n g k e y w o r d s ：c n ce x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ；f a n u c o is y s t e m ；f a u l ts e t t i n g ；p m c p r o g r a m m i n g ；p a r a m e t e rs e t t i n g 插图清单 图2 1 数控机床的组成7 图2 2 设计流程图一9 图2 3f a t c o i m a t e c 硬件配置1 1 图2 - 4 实验台电气柜。12 图2 5 实验台机构演示台。1 2 图3 1 实验台电气柜1 4 图3 - 2f i a n u c o i m a t e c 结构图15 图3 3c n c 系统接线图1 5 图3 4 外部电源接线图16 图3 5c n c 单元与进给单元之间的接线图1 6 图3 6i ol i n k 接线图17 图3 7 采用同步齿形带传动l8 图3 - 9 变频器输入信号接点1 9 图3 1 0 开环数控系统2 0 图3 1 l 半闭环数控系统2 0 图3 1 2 全闭环数控系统2 1 图3 1 3 伺服放大器接口2 1 图3 1 4 故障设置模块实物连接图。2 4 图3 1 5 故障点设置小2 5 图4 1 内装型p m c 与c h i c 侧及机床侧信息交换2 7 图4 2 顺序程序的构成2 8 图4 3 与p m c 相关的地址2 9 图4 4 参数页面3 l 图5 1 变频器操作面板4 2 图5 2 变频器端子接线图：4 3 表格清单 表3 1i o 地址分配2 2 表4 1p m c 程序地址格式2 9 表5 1 存储卡型号3 6 表5 2 轴的名称设定3 7 表5 3 轴参数意义3 7 表5 4 变频器基本功能参数4 2 表5 5 指令字的基本格式4 6 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 佥胆王些太堂 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： 乃逮 签字日期：如加年中月1 0e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些盍堂有关保留、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。本人授权金胆王些太堂可 l 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： 多建 签字日期：川矿年垆月o e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师尹志强副教授的悉心指导与关怀下完成的，在此向导师表示最衷 心的感谢! 在我攻读硕士学位期间，在学业与生活上都得到了尹老师热心的关怀。尹 老师渊博的学识，开阔的思维，严谨的治学态度，是我终生学习的榜样。 同时，衷心感谢机械与汽车工程学院的朱华炳老师、王玉琳老师、胡小春老师， 以及工业培训中心的曹斌老师、胡孔元等老师在课题研究方面给予的支持和帮助。 衷心感谢顾雷雷、马保飞、吴文涛、王刚、罗祖平、王磊等同学在研究生学习期 间给予我的帮助。同时也要感谢实验室里的每一位同学以及所有同班同学在我从事此 项目期间对我的支持。与他们在一起度过了我人生中一段美好的时光，同窗之情终生 难忘。 最后，向一贯爱护和支持我的父母致以最衷心感谢，有了他们多年来给予我无私 的爱和支持，才使得我能顺利完成学业。 谨以此文献给每一位关心和帮助过我的人。 作者：马建 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 数控技术 1 1 1 数控技术的基本概念及发展历程 1 数字控制 数字控制，简称为数控( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) ，它是一种自动控制技术， 是利用计算机以数字指令方式对控制对象加以控制的一种方法。数字控制是相 对于模拟控制和顺序控制而讲的，数字控制系统中的控制信息都是数字量，而 模拟控制系统中的控制信息都是模拟量。顺序控制则是指一系列的运动都是按 照要求的顺序而进行的，一个运动完成之后便可开始进行下一个运动，运动行 程的大小不是由数字量而是由挡块或者限位开关来确定的。 数字控制同模拟控制以及顺序控制相比较有许多优点，比如可以用不同的字 长表示不同精度的信息，对数字化信息可以进行逻辑运算、数学运算等复杂的 信息处理工作，特别是可以利用软件来改变信息处理的方式和过程，而不需要 改动电路或者机械机构，从而使机械设备具有很大的“柔性。因此，数字控制 被广泛应用于机械运动的轨迹控制以及机械系统的开关量控制，比如机床的控 制、机器人等的控制。 2 数控系统 数控系统是一种控制系统，它能够自动输入载体上事先给定的数字量，并 将其进行译码，再进行必要的信息处理和运算之后，控制机床动作和零件的加 工。 数控系统最初是由逻辑电路构成的专用的硬件数控系统。随着微型计算机 的快速发展，硬件数控系统已经渐渐地被淘汰，取而代之的是计算机数控系统 ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 简称为c n c 。由于计算机可以完全由软件来实 现数字信息的处理，从而真正地实现“柔性 化，并且可以处理硬件逻辑电路 难以处理的复杂信息，这使数字控制系统的性能大大地提高。 3 数控技术的发展历程 自从19 5 2 年世界上第一台三坐标数控铣床研制出来至今，数控技术在硬 件和软件两方面都得到了快速的发展。在这短短的几十年时间里，数控系统分 别经历了硬件数控系统、计算机数控系统和基于p c 的数控系统这三个发展阶 段： ( 1 ) 硬件数控系统( 1 9 5 2 一1 9 7 0 ) 在这一阶段数控系统的各种控制功能都是由硬件逻辑电路来实现的，它经 历了由电子管到晶体管再到小规模集成电路这三个发展阶段。硬件数控系统的 功能简单，灵活性差，设计周期长，因而限制了其进一步的发展和应用。 。( 2 ) 计算机数控系统( 1 9 7 0 一至今) 在7 0 年代初，小型计算机应用于数控系统当中，诞生了计算机数控系统。 到了8 0 年代，数控功能在软件上已经取得了很大的发展，具备了交互式对话编 程、三维图形动态显示校验以及实时软件精度补偿的功能，并且可以向机床制 造厂商提供二次开发的手段，从而实现了产品的标准化及系列化。为了满足机 械加工高速、高精度的需求，目前的计算机数控系统己经较多地采用高性能的 3 2 位甚至6 4 位c p u ，以确保c n c 系统具备足够高的运算能力。 ( 3 ) 基于p c 的数控系统( 1 9 9 4 一至今) 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1 9 9 4 年首次在美国 亮相，作为一种新型的开放式数控系统，它很快得到了迅速的推广，这对数控技 术的发展产生了重大的影响【l 】f 2 】【3 】。 1 1 2 数控机床的产生、特点及发展趋势 1 数控机床的产生 在机械制造业当中，机床是一种主要的生产设备。机械制造行业的产品， 其结构日趋复杂，精度和性能要求也越来越高，这对生产设备也相应地提出了 高效率、高精度以及高自动化的要求。 大批量生产的产品，比如汽车、飞机以及船舶上用的零件，为了提高生产 效率和生产质量，广泛地采用组合机床、凸轮控制的多刀多工位机床或者专用 的自动生产线和自动化车间进行车间进行加工。但是运用这类专用机床和生产 设备，生产准备周期过长，致使产品更新及工艺的修改时间较长，费用较高， 制约了产品的更新换代。 在制造行业中，单件与小批量的生产占到7 0 一8 0 ，这类产品的零件一 般都采用通用机床进行加工，通用机床的自动化程度不高，基本上是通过人工 操作来完成的，难以提高生产效率和保证产品质量。特别是加工一些由曲线、 曲面组成的复杂零件时，只能够借助于划线和样板用手工操作的方法来加工， 或者是利用靠模和仿形机床来加工，其加工精度和生产效率依然会受到很大的 限锖0 。 数控机床就是为了满足单件、小批量以及复杂型面零件加工的自动化并保 证质量要求而产生的。1 9 5 2 年，由美国p a r s o n s 公司与麻省理工学院合作共 同研制出了世界上第一台三坐标数控铣床，它综合应用了计算机、自动控制、 伺服驱动、精密检测以及新型机械结构等多方面的技术研究成果，是一种新型 的加工机床，可以用来加工复杂的曲面零件。该铣床的研制成功代表着机械制 造行业中的一次技术革命，使机械制造业的发展进入了一个全新的发展阶段。 从第一台数控铣床问世至今的半个世纪中，数控机床的发展非常迅速，几乎所 有品种的机床都实现了数控化，数控机床的应用领域也从航空工业部门逐渐扩 2 展到汽车、船舶、机床、建筑等民用机械制造行业。此外，还出现了金属成型 类数控机床；特种加工数控机床：如数控线切割机、数控火焰切割机、数控激 光切割机等；其他还有：数控绘图机、数控三坐标测量机等。特别是相继出现 的自动换刀数控机床、直接数字控制系统、自适应控制系统、柔性制造系统、 计算机集成制造系统等，进一步说明，数控机床已经成为组成现代机械制造生 产系统，实现计算机辅助设计、制造、检验与生产管理等全部生产过程自动化 的基本设备【4 儿引。 2 数控机床的特点 数控机床在机械制造业中得到广泛应用，是因为它具有如下特点： ( 1 ) 数控机床能够适应不同零件的自动加工。数控机床是按照加工程序来 进行自动加工的，当加工零件改变时，只需要改变数控加工程序，不必更换机 械机构、靠模、样板或者钻镗模等专用的工艺设备。因此，生产准备周期短， 有利于机械产品的更新换代。 ( 2 ) 数控机床的生产效率和加工精度高、加工质量都很稳定。它可以采用 最大的切屑量进行加工，大大地缩短了加工时间。还具有自动变速、自动换刀 和其他辅助操作自动化等功能，使加工过程中的辅助时间大大缩短，而且无需 工序之间的检验和测量，所以它比普通机床的生产效率要高3 - 4 倍甚至更高。 同时由于数控机床自身的精度较高，还可以通过软件来进行精度的校正和补偿， 而且它是根据数控加工程序自动进行加工的，所以可以避免人为因素，不但加 工精度高，而且加工质量也非常稳定。 ( 3 ) 它能够高效优质地完成复杂型面零件的加工，其生产效率比采用通用 机床加工的效率要高十几倍甚至几十倍。 ( 4 ) 工序集中，一机多用。具有加工中心的数控机床，在一次装夹的情况 下，几乎可以完成零件的全部加工过程，一台数控机床可以代替数台普通机床。 这样不但可以减少装夹误差，节约工序之间的运输、测量和装夹等时间，而且 还可以节省机床的占地面积，带来更高的经济效益。 ( 5 ) 数控机床是一种高科技生产设备，因此机床的造价较高，而且要求具 有较高技术水平的人员来操作和维修。即便如此，使用数控机床生产所带来的 经济效益还是非常高的【6 j 。 3 数控机床的发展趋势 随着微电子技术和计算机技术的快速发展，数控系统性能日臻完善，数控 系统的应用领域也日益扩大。为了满足社会经济发展和科学技术发展的需求， 数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、更高的通信功能、智能化及开放 化等方向快速发展。 ( 1 ) 高速度、高精度化 速度和精度是数控系统的两个重要技术指标。现有的c n c 系统多采用3 2 为c p u ，并向6 4 为的c p u 发展，同时采用多个微处理器并行技术，使得运算的 速度和数据处理能力得到很大提高。 与高性能c n c 系统相配合，现在的数控机床都采用交流的数字伺服驱动系 统。伺服驱动系统的位置、速度以及电流环都实现了数字化，同时采用最新的 控制理论，实现了进给机构的高速响应伺服驱动。现代的数控机床还充分地利 用了c n c 系统的补偿功能来提高其加工的精度。 ( 2 ) 更高的可靠性 目前数控系统大量的采用大规模和超大规模的集成电路，采用专用芯片以 及混合式的集成电路，提高了系统的集成度，减少了元器件数量，降低了功耗， 从而提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 更高的通信功能 为了适应自动技术的快速发展，适应工厂自动化规模越来越大的需求，为 了使数控机床更易于进入柔性制造系统和计算机集成制造系统的控制网络中， 数控机床系统的数据交换能力和通信能力在不断的加强。现在一般通过r s - 2 3 2 或者r s 一4 2 2 串行接口来实现c n c 系统与p c 电脑之间的数据传输，通过网络接 口可以更方便地实现网络连接。 ( 4 ) 更加智能化 随着计算机软、硬件技术的快速发展，人工智能技术的发展促进了数控系 统智能化的进程。数控系统的智能化主要体现在：将适应控制应用于数控系统 中，构成适应数控控制系统；故障诊断的智能化：刀具寿命自动监控检测技术 的应用。数控系统的智能化还包括零件加工程序编制的智能化。 ( 5 ) 系统的开放化 随着科学技术、市场要求、生产组织结构等诸多方面的快速变化，对数控 机床特别是数控系统提出许多更新、更高的要求。为了适应新的需求，寻求一 种新的数控系统发展模式已成必然。欧美国家以及日本对数控系统所面临的问 题和数控系统开放化的必然趋势，在自动化领域的开放式体系结构上作了不少 研究与开发工作【7 儿引。 1 1 3 我国数控机床的发展状况 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，近5 0 年来的发展历程大致可以分为三个阶 段：第一阶段从1 9 5 8 一1 9 7 9 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技 术的封锁和我国基础条件的落后，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在“六 五”、+ 七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起了国 产化体系阶段。在这个阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境 的改善，我国数控技术在研究、开发和产品的国产化方面都取得了长足的进步。 第三阶段是在“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞 争阶段。在该阶段，我国国产数控设备在产业化上面取得了实质性的进步。在“九 4 五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达到了5 0 ，配有国产数控系统的 机床也达到了1 0 。 虽然我国在数控产品的研究开发生产等各方面都取得了很大的进步，但是目 前我国占据市场的产品主要都是经济型的数控机床，而在中档以及高档产品上 市场占有率仍然很小，与国外的一些高端产品相比较，在稳定性、可靠性、速 度和精度各方面依然存在着较大的差距【9 l 【l o l 。 1 2 数控实验实训设备状况分析 随着航空、航天、汽车、信息等高新技术产业的快速发展，对机械制造设 备的性能和自动化程度的要求越来越高，需要大量的高速的、精密的、智能化 的高端的数控设备。这给我国机床制造业带来了很大的发展空间，同时也给传 统制造业的生产模式和产业结构带来了严峻的考验，对机制、机设、机电等专 业人才的培养也带来了新的挑战和更高的要求。 由于数控技术是集机械、电子、液压、计算机以及信息技术于一体的综合 技术，所以需要大量的从研究开发到使用维修各个层次的科研人员，数控人才 的培养己经成为数控技术应用和发展的重中之重。 在我国作为技术人才培养摇篮的高等院校，其数控技术类课程和数控实验 设备的普及程度远不及发达国家，在数控技术实践这方面，只能依赖尸些数控 教学实验课程来达到实训的目的。大部分的院校实验、实习的条件较差，学校 购买的数控机床数量有限，而且设备都比较落伍。为了提高学生动手操作的能 力，研究开发新型的数控实验设备、改进数控实验的条件是非常必要的。 对于数控操作和编程练习往往只需要通过数控机床或者通过数控仿真系统 即可达到实训的目的，但是对于数控机床的电气环节的学习，仅有数控机床或 者仿真系统是不行的，因为数控机床的主要电气环节一般都封装在电气柜中， 功能不具有开放性，电气调试和维修都需专业人员，机床厂家也不希望用户随 意地打开电气柜，无论是从安全性考虑还是从机床设备保养角度考虑都是不可 取的。数控机床电气部分的学习恰恰希望通过参与开放式的数控实验台来学习 掌握数控系统的电气控制系统、电气组成、电气元件的接线、以及故障诊断维 修等内容，这是我国现有数控实验设备亟须改进的地方【1 1 儿1 2 】【1 引。 1 3 本课题的研究意义及内容 1 3 1 选题的意义 对教学型数控综合实验平台的研究，既能够缓解高等院校数控实验设备紧 缺的困境而且节约了资金，同时也对数控实验项目的设计也提出了宝贵的经验， 必将对数控技术的教学质量的提高起到积极的推动作用【1 4 】【15 1 。 1 3 2 课题的研究内容 本课题源自于合肥工业大学工业培训中心承担的合肥工业大学实验室自制 仪器设备项目教学型数控综合实验台的研制与开发，笔者参与了该项目， 本论文也是在此基础上撰写的。主要包括以下内容： ( 1 ) 本次课题采用目前应用较广泛的f a n u c 0 i m a t e c 数控系统为支撑 平台，开展数控综合实验台的总体设计，重点研究了f a n u c 数控系统的硬件 配置、接口规范和系统各模块之间的信号走势。 ( 2 ) 研究了f n a u c 系统中p m c 程序编制的方法以及系统的参数设定，重 点研究了i 0 地址的规划、电气故障点的设计以及主要参数的含义。 ( 3 ) 在以上基础之上，对实验台进行调试，并结合本校数控教学的实际情 况，本着开放性、创新性、实践性的原则，设计了五个具有代表性的综合实验， 让学生自己动手操作时，对数控机床的电气控制环节理解更加透彻。 总之，教学型数控综合实验台的研究与开发较好地解决了当前高等院校数 控人才培养过程中所遇到的难题，对数控教学质量的提高有一定的指导意义。 6 第二章实验台总体方案的设计 2 1 数控机床的控制原理和组成 1 数控机床的工作原理 数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加 工程序，由外部输入装置输入数控系统，经过系统的处理、运算，按各坐标轴 运动的分量送到各轴的驱动装置，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带 动各轴的运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加 工程序指定的顺序、轨迹有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。 数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需要重新编制加工程序 即可，不必要像组合机床那样需要针对新加工零件而重新设计机床，致使生产 的准备时间过长，原来的程序还可以存储备用，【4 】。 2 数控机床的组成 数控机床一般由数控系统、可编程控制器、伺服驱动装置、输入输出装置、 位置检测反馈装置以及机床的机械部件等组成，结构如图2 1 所示。 计算机数控系统 上- i 电气回路 h 机床l o 装置l lli 操作面板 p l c 叫主轴伺服单元卜- 叫主轴驱动装置l r机 i 床 输入输出 c n c - t 进给伺服单元h 进给驱动装置r 本 设备 数控体 装置 i 测量装置卜一 图2 - 1 数控机床的组成 ( 1 ) 数控系统 数控系统是数控机床的核心与主导，它完成所有加工数据的处理以及计算 工作，最终实现数控机床各功能的指挥工作。它包含微计算机的电路，各种接 口电路、显示器等硬件及相应的软件。 ( 2 ) 可编程控制器 可编程控制器即p l c ，它的功能有：对主轴单元实现控制时，将程序中的 转速指令进行处理而控制主轴转速；管理刀库，进行自动刀具交换、选刀方式、 刀具累计使用次数、刀具剩余寿命及刀具刃磨次数等管理；控制主轴正反转和 停止、冷却液开关、卡盘夹紧松开、机械手取送刀等动作；还对机床外部开关 进行控制；对输出信号进行控制。 7 ( 3 ) 伺服驱动系统及位置检测装置 伺服驱动系统主要由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执 行部件和机械部件组成数控机床的进给系统。它是根据数控系统发送过来的速 度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个进给运动的执行部 件，都配有一套伺服驱动系统。伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。在 半闭环和闭环伺服驱动系统中，还必须要有位置检测装置，间接或者直接地测 量出执行部件的实际进给位移，与指令位移进行比较，按闭环控制原理，将其 误差转换放大后反馈给c n c 系统，完成插补运算。 ( 4 ) 输入、输出装置 输入装置是用来将不同的加工信息传递给系统计算机。在数控机床产生的 初期，输入装置通常为穿孔纸带，现在这种输入装置已经趋于淘汰。目前，通 常使用键盘、磁盘等输入装置，大大地方便了信息输入工作。 输出装置输出内部的工作参数，一般在数控机床刚运作时需要输出这些参 数作记录保存，待运作一段时间后，再将输出与原始资料进行作比较、对照， 可以帮助判断机床运作状况是否正常。 ( 5 ) 机床的机械机构 数控机床的机械机构主要包括：主运动机构如主轴电机，进给运动执行机 构如工作台、拖板以及其传动部件和床身立柱等支承机构，此外，还有冷却、 润滑、排屑、转位以及夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床而言，还 应有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等机构。数控机床机械机构的组成与 普通机床相似，但传动机构在精度、刚度和抗震性等方面要求更高，而且其传 动和变速系统要求便于实现自动化控制【l 引。 2 2 教学型数控综合实验台的设计思想 学生进行数控编程以及操作训练，往往只需要在数控机床上就可以进行实 习，但是对数控机床电气环节的学习，仅仅通过数控机床本身很难达到理想的 实验效果，因为数控机床的电气环节一般都封闭在电气柜中，同时考虑到电气 柜频繁打开对安全和设备的稳定性都会有影响，即便打开电气柜也不能够对电 气控制系统有深入的研究。对数控机床电气环节的学习恰恰希望通过参与开放 式的数控电气柜来学习掌握数控系统的接线、电路设计、故障诊断等多方面的 数控知识，通过亲自接线、检测信号以及调试，来达到理论联系实际和综合动 手能力的提高。设计数控综合实验台之初，从学生学习的角度出发，主要考虑 以下几个方面问题： ( 1 ) 由于数控车床的应用范围比较广，结构相对于其他类型的数控机床简 单，故实验台设计时以数控车床为模拟对象，这样既便于学生学习掌握，又可 以降低实验台的成本。 8 ( 2 ) 选用国内市场占有率较高的数控系统，尽可能多的将先进的数控系统 功能展开给学生学习。 ( 3 ) 为了尽可能多的将数控机床的电气环节都能在实验台上展示出来，让 学生对数控机床电气组成由一个完整的概念，只能采用开放性和模块化的结构 设计。 ( 4 ) 实验台必须要能够模拟生产实际中数控机床可能会出现的故障设计， 还要能够让学生对这些故障进行诊断及排除。 ( 5 ) 本着安全性的设计原则，既要保证学生操作时的安全性，又要能保护 到实验器材。 2 3 实验台总体方案的设计 2 3 1 实验台设计流程 实验台的设计主要包括以下几方面内容：控制系统选型、实验台模块化设 计、故障设置模块设计、p m c 程序设计及参数设定、实验项目设计。流程图如 图2 2 所示。 图2 - 2 设计流程图 首先是控制系统的选型，其中包括：c n c 系统选型、主轴电机与相应的驱 动装置的选型、进给伺服电机和伺服驱动器的选型。控制系统选定之后，应根 据数控机床的组成进行实验台的模块化设计，其中包括系统与各模块之间的接 线设计以及外围电路设计，还要根据实验台的辅助装置来规划i 0 接口信号地 9 址，在这个过程中还要完成电气控制电路图的绘制。 在此基础上，还要根据i o 地址的规划来编写p m c 程序，然后设置系统的 参数并对实验台进行调试，最后根据教学的内容以及学生学习的特点设计相应 的实验项目。 2 3 2 数控系统的选型 由于该课题源自合肥工业大学工培中心承担的合肥工业大学实验室自制仪 器设备项目，所以考虑到工培中心现有的数控实习设备均采用的是f a n u c 系 列的系统，考虑到兼容性，该实验台最终选用了f a n u c 0 i m a t e c 数控系统。 f a n u c 系统具有以下特点： ( 1 ) 系统具有很高的可靠性和安全性 f a n u c 系统在设计时采用大量的模块化结构。模块化的结构易于拆装，每 个控制板的集成度高，一定程度上提高了系统的，而且也便于维修和更换。 f a n u c0 i 系统更进一步提高了集成度，在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，从而将体积变得更小，可靠 性更高。 f a n u c 系统制造时采用机器人焊板，减少了人为因素参与，实现了全自动 制造，避免了由于人为不慎而引起的失误，大大地提高了系统的可靠性。和其 它的数控系统相比，f a n u c 对自身的系统采用比较好的保护电路，在调试过程 当中可以反复断电、上电，中间不需要很长的间隔时间，丝毫不会影响系统的 正常运行。 ( 2 ) 功能全面，应用范围广 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，基本功能完全能够满足使用的要求，这样的配置功能较齐全，而 且价格亦比较合理。对于某些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者增加相应的板卡即可使用，既方便，性能又可 靠，同时又节省了财力和物力。 f a n u c 系统还提供了丰富的维修报警和诊断的功能。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了分类，便于用户对故障 进行诊断和维修，这在实验台故障设置模块设计时带来了很大的方便【1 7 】1 1 8 1 1 1 9 】。 2 3 3f a n u c 0 i m a t e c 系统的硬件配置 广义的数控系统包括c n c 控制单元及伺服单元，在进行控制系统选型时， 应当根据实验台的使用性能来完成c n c 系统的选型、主轴伺服系统的选型以及 进给伺服系统的选型。 f a n u c - 0 i - m a t e c 数控系统是一种可靠性高、性价比高、集成度高的小型 数控系统。该系统是基于o 系列系统的技术基础之上设计的，它使用了高速的 串行伺服总线和串行的i o 数据口，带有以太网口。0 i m a t e c 是普及型车床最 1 0 常用的数控系统，用于两轴联动的数控综合实验台非常适合。其硬件配置如图 2 3 所示： ( 1 ) c n c 基本单元 f a n u c 0 i m a t e c 基本单元包括l c d 单元、m d i 单元、主板单元、c p u 卡、存储卡以及伺服驱动卡。 ( 2 ) 伺服驱动单元 f a n u c 一0 i m a t e c 系统的伺服驱动单元只配有b i 系列伺服放大器， f a n u c 系统的伺服驱动器和伺服电机都是配套使用的，所以同时选用了b i 系 列交流伺服电机。 ( 3 ) i o 接口单元 f a n u c 0 i m a t e c 系统具有内置的i o 卡，用于机床接口，内置i o 卡d i d o 的点数为9 6 6 4 点。如果d i d o 的点数不够用，还可以通过f a n u ci o l i n k 来扩展i o 单元。 实验台设计过程中为了简化与分线盘之间的连接通常使用m i l 规格的扁 平电缆连接内置式的i o 板【2 0 1 2 “。 图2 - 3f a n u c 加i m a m - ( 3 硬件配置 23 4 实验台的结构设计 在实验台结构设计的过程中，从功能上将实验台设计成两大模块：电气柜 模块和机构演示模块。 1 实验台的电气柜 为了让学生对数控机床的电气控制环节有一个完整的概念，实验台的电气 柜模块绝不能设计成封闭式的，只能够采用开放式结构设计，尽可能的将组成 数控机床的电气环节都能在电气柜上展示出来。实验台的电气柜模块包括七个 小模块：系统模块、电源模块、i 0 l i n k 扩展板模块、主轴变频器模块、机床i 0 接口模块、交流伺服驱动器模块以及故障设置模块。其分布如图2 4 所示。 c n c 系统 电源模块i 0l i n k 扩展 主轴变频嚣 机床i 0 x 轴伺服驱 z 轴伺服驱故障设置 动器 动器模块 圉2 q 实验台电气柜 2 机构演示模块 本实验台主要用途的是为了教学演示而不是为了生产加工，所以设计了一 个机构演示台来模拟实际生产中用的车床。该机构演示台由x z 双轴数控工作 台、主轴电机及编码器以及四工位电动刀架三个模块组成。其结构平台实物图 如图2 - 5 所示。 圈2 - 5 实验台机构演示台 ( 1 ) x z 双轴数控工作台 x z 双轴数控工作台具有双向超程、回零等功能，x 轴上面还配有直线光 栅这样可以实现全闭环的控制，工作台上方配有电控彩笔，可以画出双轴联 动时的运动轨迹。该机构完全模拟数控车床的进给机构。其中，伺服电动机作 为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠上的螺母带动滑块和工作台在导轨上 运动，完成工作台在x z 方向的直线移动。 ( 2 ) 主轴电机及编码器 数控车床加工螺纹的时候，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置 信号的反馈元件。所以在设计实验台的时候将主轴电机通过齿形带与编码器相 连接来模拟螺纹加工的实验。主轴电机由变频器控制来实现无级变速。 ( 3 ) 四工位电动刀架 数控车床为了能够在工件的一次装夹中完成多个工序的连续加工，缩短辅 助动作时间，必须带有自动回转刀架。自动回转刀架是一个非常有代表性的运 动部件。所以在机构演示台的左上角安装了一台完全工业用的四工位刀架，当 数控系统发出刀位信号，如果所选刀体正好对准了霍尔元件，那么电机就不需 要动作，直接向c n c 系统返出回答信号。如果所选刀体没有对准霍尔元件，那 么就开始执行以下的动作：首先控制继电器动作，电机正传，通过蜗杆、蜗轮 以及螺杆将销盘上升到一定高度时，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销 离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位，当上刀体转位转到所需刀位时，霍尔 元件电路发出刀位信号，电机反转。反靠销进入反靠盘，离合销从离合盘槽中 爬出，刀位完成粗定位。同时销盘下降与端齿啮合，完成精定位。刀架锁紧， 继电器动作，电机停止。向系统发出回答信号，加工程序开始。刀架的运动过 程：抬起、转位、落下、锁紧【2 列。 1 3 1 电气柜模块设计 第三章实验台电气柜设计 实验台的电气柜主要由七个小模块组成：系统模块、电源模块、i o l i n k 扩 搬模块、主轴变频器模块、机床i o 接口模块、交流伺服驱动器模块以及故 设置模块。实验台电气柜实物圈如图3 - 1 所示。从图示结构看，主要部件模 ! 化布髯，学生在做实验时对电气控制环节一目了然，还可以通过测量、连接、 j 试作进一步的深入研究。 图3 - i 实验台电气柜 2f a n u c 0 i m a t e c 系统连接 f a n u c - 0 i m a t e - c 系统的c n c 控制单元与l e d 显示单元是集成一体的 内部结构如图3 2 所示。 圈3 - 2f a n u c 4 i m a t e - c 结构图 从图上可以看出c n c 系统的控制器单元的硬件实际上就是一台专用的微型计算机， 它是由f a n u c 设备制造厂自己设计生产的专门用于机床控制的核心。 f a n u c 一0 i m a t e c 系统可以控制2 个伺服电机轴( x 轴和z 轴) 和一个开环主轴( 轴 s p ) 。伺服电机由动力和编码器反馈装置组成，其动力和反馈均接到相应的伺服放大 器上。主轴驱动并未使用f a n u c 配套的变频器而是采用三菱变频器控制，主轴电机通 过齿形同步带连接了一个编码器，用于主轴转速和位置的检测。系统各单元之间的接 线如图3 3 所示。 主扳 2 4 v _ 讲埘 口 ( 僳z生曲蛾j 陋iu n i t l d i ( c 5 岛 0 _ 叩。1 ) i i 槛3 2 ( j d 3 6 aj u0 船- 2 3 2 通讯接口 r 2 3 20 6 瓢 口 0 脑_ 2 3 2 通讯接口 a - 0 u t 蛐i ( j m o ： 叱二 嚣考孰。 i ol i n k ( j d l a )1 嗜 r ，啦块 一- 卜一 口d i a p o s u a t k d 。 n t 蜊 f s 毋( 1 q - 1 ) 口 i i i ： = 丑第一轴伺服t 机 噎 ) 牡椰眦机 图3 - 3 c n c 系统接线图 在进行系统连接时要注意以下几点内容： ( 1 ) 控制单元的电源连接 从外部输入2 4 v 直流电源给0 i 0 im a t e 系统控制单元供电。电源接入示意图如图 3 4 所示。 i o 单元等 图3 4 外部电源接线图 ( 2 ) c n c 单元与进给单元之间的按照f a n u c 公司提供的硬件接线说明进行设计 的，其接口规范如图3 - 5 所示 图3 5c n c 单元与进给单元之间的接线图 ( 3 ) c n c 单元与i ol i n k 之间的连接 f a n u ci ol i n k 的接口是一个串行接口，它将c n c 系统、驱动器、分布式i o 接 口以及机床操作面板连接起来，并在各设备之间进行高速的i o 信号传输。当连接多 个设备时，f a n u ci ol i n k 将第一个接入的设备默认为主单元，其它设备作为子单 元。子单元的输入信号每隔一定的周期送到主单元，主单元的输出信号也每隔一定周 期送至子单元。0 i c 系列和0 i m a t e c 系列中，j d l a 的接入口在c n c 的主板上面。 i ol i n k 分为主单元和子单元。作为主单元的0 im a t e 系列控制单元与作为子单 1 6 元的分布式i o 相连接。子单元分为若干个组，一个i ol i n k 最多可以连接1 6 组子 单元。根据单元的类型以及i o 点数的不同，i ol i n k 有多种连接方式。p m c 程序 可以对i o 信号的分配和地址进行设定，用来连接i ol i n k 。i o 点数最多可达到 1 0 2 4 1 0 2 4 点。v ol i n k 的两个插座分别叫做j d l a 和j d l b 。这对所有具有i ol i n k 功能的单元来说都是通用的。电缆线总是从第一个单元的j d l a 连接到下一单元的 j d l b 。最后一个子单元的j d i b 是空着的，没有必要连接一个终端插头，不过需要盖 上盖板以防止灰尘污染。对于i ol i n k 中的所有单元来说，j d l a 和j d l b 的引脚分 配都是一致的。i ol i n k 的接线图如图3 - 6 所示 2 0 l 【2 。 图3 - 6i o l i n k 接线图 3 3 主轴变频器模块设计 3 3