基于数控机床的PLC毕业设计(论文)

南华大学电气工程学院毕业设计 第 1 页 共 58 页 毕业设计毕业设计 论文论文 题题目目数控机床的数控机床的 PLCPLC 设计设计 学院名称学院名称电气工程学院电气工程学院 指导教师指导教师孙凌翔孙凌翔 职职称称副副教教授授 班班级级自动化自动化 0606 级级 3 3 班班 学学号号2006446031620064460316 学生姓名学生姓名谭谭淳淳效效 20102010 年年 0505 月月 2525 日日 南华大学电气工程学院毕业设计 第 2 页 共 58 页 数控机床的数控机床的 PLCPLC 设计设计 摘要摘要 随着信息化产业的高速发展 数控机床的功能日趋完善 数控机床取 代普通机床已是一种必然的趋势 随着数控机床的发展 传统的继电器控制系统 已经不能满足工业生产的需要 而可编程控制器 PLC 因其具有可靠性高 抗干 扰能力强 功能强 性能价格比高 硬件配套齐全 用户使用方便 适应性强 编程方法简单易学等显著特点 已成为人们的首要选择 在此背景下 本文提出 了数控机床的 PLC 设计思路 本文描述了如今数控机床的基本组成 工作原理 分类及各自的特点 并且 对数控机床中的 PLC 做了详细的介绍 把 PLC 在数控机床的工作过程 设计流程 做了具体分析 然后以立式车床 C5112B 为例 描述了它的 PLC 设计过程 最后 再介绍了 PLC 在数控机床上故障维修的一些方法 关键词关键词 数控机床 可编程控制器 C5112B 立式车床 三菱 FX2N 南华大学电气工程学院毕业设计 第 3 页 共 58 页 Abstract Abstract With the rapid development of information industry the functions of numerical control machine tools are maturing CNC machine tools has been replaced by ordinary is an inevitable trend with the development of CNC machine tools the traditional relay control systems can not meet the industrial production needs Programmable Logic Controller PLC because of its high reliability strong anti interference feature strong high cost performance hardware package is complete the user easy to use adaptable programming easy to learn and other notable features has become the first choice In this context this paper presents design ideas PLC CNC machine tool This paper describes the basic composition of CNC machine tools now working principle classification and their characteristics And on the NC machine tool in the PLC made a detailed introduction to the work of the PLC in the process of CNC machine tools to do a detailed analysis of the design process Then vertical lathe C5112B for example describes its PLC design process and finally introduces the PLC fault in the maintenance of CNC machine tools on some of the ways Keywords Keywords CNC machine tools PLC C5112B Vertical Lathe Mitsubishi FX2N 南华大学电气工程学院毕业设计 第 4 页 共 58 页 引引言言 20 世纪中期 随着电子技术的发展 自动信息处理 数据处理以及电子计 算机的出现 给自动化技术带来了新的概念 用数字化信号对机床运动及其加工 过程进行控制 推动了机床自动化的发展 采用数字技术进行机械加工 最早是在 40 年代初 由美国北密支安的一个 小型飞机工业承包商派尔逊斯公司 ParsonsCorporation 实现的 他们在制造 飞机的框架及直升飞机的转动机翼时 利用全数字电子计算机对机翼加工路径进 行数据处理 并考虑到刀具直径对加工路线的影响 使得加工精度达到 0 0381mm 0 0015in 达到了当时的最高水平 1952 年 麻省理工学院在一台立式铣床上 装上了一套试验性的数控系统 成功地实现了同时控制三轴的运动 这台数控机床被大家称为世界上第一台数控 机床 这台机床是一台试验性机床 到了 1954 年 11 月 在派尔逊斯专利的基础上 第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司 Bendix Cooperation 正式生产 出来 在此以后 从 1960 年开始 其他一些工业国家 如德国 日本都陆续开发 生产及使用了数控机床 PLC 即可编程控制器 Programmable logic Controller 是指以计算机技 术为基础的新型工业控制装置 PLC 因其具有可靠性高 抗干扰能力强 配套齐 全 功能完善 适用性强 易学易用 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易改造 体积小 重量轻 能耗低等显著特点 因此运用 PLC 控制数控机床已 越来越成为一种趋势 因此本文介绍的即是数控机床的 PLC 设计 从数控机床的基本组成和工作原 理出发 让读者先从整体上大概了解下数控机床和 PLC 有关概念 并以 C5112B 立式车床为例 详细说明了数控机床的 PLC 设计 并给出了 PLC 的硬件电路图和 软件程序 并且举例说明了一些 PLC 在数控机床上的故障维修方法 供读者参考 通过本文达到让读者能够了解数控机床的 PLC 设计方法的目的 南华大学电气工程学院毕业设计 第 5 页 共 58 页 目目录录 1 1数控机床的组成 工作原理 分类及特点数控机床的组成 工作原理 分类及特点 6 1 1数控机床的组成及工作原理 6 1 1 1数控机床的组成 6 1 1 2数控机床的工作原理 8 1 2数控机床的分类 13 1 3数控机床的特点 13 1 4小结 13 2 2计算机数控系统计算机数控系统 15 2 1 概述 17 2 1 1 CNC系统的组成 17 2 1 2 CNC系统的功能和一般工作过程 17 2 2 计算机数控中的可编程逻辑控制器 21 2 2 1 PLC及其工作过程 21 2 2 1 1 PLC的基本功能 22 2 2 1 2 PLC的基本结构 24 2 2 1 3 PLC的工作过程 27 2 2 1 4 PLC的规模和几种常用名称 29 2 2 2 PLC 在数控机床上的应用 30 2 2 3 机床控制程序的设计流程 33 2 3 小结 34 3 3 PLCPLC 在立式车床中应用的在立式车床中应用的系统设计系统设计 35 3 1 立式车床概况 35 3 2 PLC应用于立式车床的现实意义 35 3 3 C5112B立式车床运行机构简介 36 3 4 PLC 控制系统的设计 37 3 4 1 硬件设计 37 3 4 2 软件设计 39 南华大学电气工程学院毕业设计 第 6 页 共 58 页 3 5 程序调试 44 3 6 小结 44 4 4PLCPLC 在数控机床上故障维修方法在数控机床上故障维修方法 45 4 1 与 PLC 有关的故障特点 45 4 2 与 PLC 有关故障检测方法 45 4 2 1 根据故障号诊断故障 46 4 2 2 根据动作顺序诊断故障 46 4 2 3 根据控制对象的工作原理诊断故障 46 4 2 4 根据 PLC 的 I 0 状态诊断故障 47 4 2 5 通过梯形图诊断故障 47 4 2 6 动态跟踪梯形图诊断故障 47 4 3 小结 47 5 5总结总结 50 参考文献参考文献 51 致谢致谢 52 附录附录 53 南华大学电气工程学院毕业设计 第 7 页 共 58 页 1 1 数控机床的组成 工作原理 分类及特点 数控机床的组成 工作原理 分类及特点 1 11 1数控机床的组成及工作原理数控机床的组成及工作原理 1 1 11 1 1数控机床的组成数控机床的组成 1 数控机床的概念 数控即数字控制 Numerical Control 简称 NC 数控技术即 NC 技术 是 指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术 计算机数控 Computerized Numerical Control 简称 CNC 是指用计算机实现部分或全部的数控功能 采用 数控技术的自动控制系统为数控系统 采用计算机数控技术的自动控制系统为计 算机数控系统 其被控对象可以是生产过程或设备 如果被控对象是机床 则称 为数控机床 数控机床的加工过程是 将所需的多个操作步骤 如机床的启动或停止 主 轴的变速 工件的夹紧或松开 刀具的选择和交换 切削液的开或关等 和刀具 与工件之间的相对位移 以及进给速度等都用数字化的代码来表示 按规定编写 零件加工程序并送入数控系统 经分析处理与计算后发出相应的指令控制机床的 伺服系统或其他执行元件 使机床自动加工出所需要的工件 2 数控机床的组成 1 程序编制及程序载体 数控程序由数控机床自动加工零件所需工作指令组成 包含切削过程中所必 需的机械运动 零件轮廓尺寸 工艺参数等加工信息 编制程序的工作可以人工 进行 也可以在数控机床以外用计算机自动编程系统来完成 对于几何形状比较 简单的零件 程序段不多 可以采用手工编程 对于比较复杂特别是空间曲面零 件 由于手工编程繁琐而费时 且易出错 需采用自动编程的方法 2 输入装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号 并传送至数控装置的存储器 根据程序控制介质的不同 输入装置可以是光电阅 读机 录放机或软盘驱动器 最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读 之后大 量使用磁带机和软盘驱动器 有些数控机床不用任何程序存储载体 而是将程序 清单的内容通过数控装置上的键盘 用手工的方式输入 也可以用通信方式将数 南华大学电气工程学院毕业设计 第 8 页 共 58 页 控程序由编程计算机直接传送至数控装置 3 数控装置 数控装置是数控机床的核心 包括微型计算机 各种接口电路 显示器等硬 件及相应的软件 它能完成信息的输入 存储 变换 插补运算以及各种控制功 能 数控装置接受输入装置送来的脉冲信号 经过编译 运算和逻辑处理后 输 出各种信号和指令来控制机床的各个部分 并按程序要求实现规定的 有序的动 作 这些控制信号是 各坐标轴的进给位移量 进给方向和速度的指令信号 主 运动部件的变速 换向和启停指令信号 选择和交换刀具的刀具指令信号 控制 冷却 润滑的启停 工件和机床部件松开 夹紧 分度工作台转位等辅助信号等 数控装置具备的功能有 多坐标控制 实现多种函数的插补 信 息转换功能 如英制 公制转换 坐标转换 绝对值 增量值转换 补偿功能 如刀具半径补偿 长度补偿 传动间隙补偿 螺距误差补偿 多种加工方式 选择 如可以实现各种加工循环 重复加工 具有故障自诊断功能 通信 和联网功能等 4 强电控制装置 强电控制装置是介于数控装置和机床机械 液压部件之间的控制系统 其主 要作用是接收数控装置输出的主轴变速 换向 启动或停止 刀具的选择和更换 分度工作台的转位和锁紧 工件的夹紧或松开 切削液的开或关等辅助操作的信 号 经必要的编译 逻辑判断 功率放大后直接驱动相应的执行元件 如电器 液压 气动和机械部件等 以完成指令所规定的动作 从而实现数控机床在加 工过程中的全部自动操作 5 伺服控制装置 伺服系统主要完成机床的运动及运动控制 包括进给运动 主轴运动 位置 控制等 它由伺服驱动电路和伺服驱动电机组成 并与机床上的执行部件和机 械传动部件组成数控机床的进给系统 它接受来自数控装置的位置控制信息 将 其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运动 驱动机床执行机构运动 由 于是数控机床的最后控制环节 它的性能将直接影响数控机床的生产效率 加工 精度和表面加工质量 南华大学电气工程学院毕业设计 第 9 页 共 58 页 6 机床的机械部件 与传统的普通机床相比 数控机床机械部件有如下几个特点 1 采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置 机械传动结构得到简化 传动链较短 2 机械结构具有较高的动态特性 动态刚度 阻尼刚度 耐磨性以及 抗热变形性能 3 较多地采用高效传动件 如滚珠丝杠螺母副 直线滚动导轨等 4 还有一些配套部件 如冷却 排屑 防护 润滑 照明 储运等一系 列装置 和辅属设备 编程机和对刀仪等 这些特点较好地满足了数控技术的要求 并能充分适应数控加工的特点 便 于实现自动化控制 a 主传动系统及主轴部件 主传动电机已逐步被变频主轴电机和交流 调速电机所代替 不再使用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机 由于主 轴部件要求实现自动更换刀具或工件 因此主轴上设计有刀具自动夹紧机构 此 外还有主轴准停装置 b 进给系统 由于进给系统传动精度 灵敏性和稳定性将直接影响被 加工工件的最后坐标精度和轮廓精度 因此 为减少摩擦阻力 进给系统普遍采 用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨 c 数控回转工作台 回转工作台通常用来实现数控机床的圆周进给运 动 除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲面加工外 还可以实现 精确的分度 对于自动换刀的多工序加工中心来说 回转工作台已成为一个不可 缺少的部件 d 刀具及自动换刀系统 对于加工中心类的数控机床 还有存放刀具 的刀库 自动刀具交换装置 自动交换工作台等部件 由于数控机床是按预先编 制的程序自动进行加工的 因而数控机床所用刀具的标准化 系列化以及编程前 刀具的选用和加工前刀具的预调等都很重要 此外 自动换刀系统还应满足换刀 时间短 刀具重复定位精度高 足够的刀具储存量 刀库占地面积小以及安全可 靠等要求 南华大学电气工程学院毕业设计 第 10 页 共 58 页 1 1 21 1 2数控机床的工作原理数控机床的工作原理 1 工作原理 数控机床是一种高度自动化的机床 它在加工工艺与加工表面形成方法上与 普通机床基本相同 最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上 数控机 床是用数字化的信息来实现自动控制的 在数控机床上加工零件时 首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息 数字化 先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程 工艺参数 刀具 参数 再按数控机床规定采用的代码和程序格式 将与加工零件有关的信息如工 件的尺寸 刀具运动中心轨迹 位移量 切削参数 主轴转速 切削进给量 背 吃刀量 以及辅助操作 换刀 主轴的正转与反转 切削液的开与关 等编制成数 控加工程序 然后将程序输入到数控装置中 经数控装置分析处理后 发出指令 控制机床进行自动加工 2 插补 1 插补的概念 如何控制刀具或工件的运动是数控机床的核心问题 数控机床的信息数字化 就是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量 即最小位移量 数控系统 按照程序的要求 经过信息处理 分配 使坐标移动若干个最小位移量 实现刀 具与工件的相对运动 完成零件的加工 在数控机床中 刀具的运动轨迹是折线 因此刀具不能严格地沿着所加工的 曲线运动 只能用折线以一定的精度要求逼近被加工曲线 当逼近误差相当小时 这些折线之和就接近曲线了 数控机床是以脉冲当量为单位 计算轮廓起点与终 点之间的坐标值 进行有限分段 以折代直 以弦代弧 以直代曲 分段逼近 相连成轨迹的 CNC 装置每发出一个脉冲 机床执行部件的最小位移量称为脉冲 当量 常用机床的脉冲当量为 0 01 0 001 mm 脉冲 脉冲当量越小 数控机床 精度越高 各种斜线 圆弧 曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而 成 零件的轮廓形状是由各种线形如直线 螺旋线 抛物线 自由曲线等构成的 用户在加工程序中 一般仅提供描述该线形所必需的相关参数 例如 对直线 仅提供起点和终点的坐标值 对圆弧 除必须提供起点和终点的坐标值外 还必 南华大学电气工程学院毕业设计 第 11 页 共 58 页 须提供圆心相对于起点的位置数值以及圆弧的旋转方向 因此 数控系统必须在 运动过程中实时计算出满足线形和进给速度要求的若干中间点 在起点和终点之 间 这就是插补 它实质上是根据有限的信息完成 数据密化 的工作 可将 插补定义为 插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求 在轮廓的已知 点之间计算中间点的方法 数控系统对直线进行的插补计算即为直线插补 对圆弧进行的插补计算为圆 弧插补 对其他由线进行的插补计算为其他的曲线插补 数控系统能进行哪几种 线形的插补计算 即具有哪几种插补功能 目前 绝大多数数控系统只有直线插 补功能和圆弧插补功能 因此 数控机床只能作直线进给和圆弧进给 其指令为 G01 和 G02 G03 2 插补方法的分类 目前常用的插补方法大致分为两类 脉冲增量插补和数字增量插补 1 脉冲增量插补 主要用于采用步进电机驱动的开环系统 每次插补 计算结束 CNC 装置向各坐标轴驱动装置发出一个脉冲 驱动步进电机带动机床 移动部件运动 其基本思想是 用折线来逼近曲线 包括直线 脉冲增量插补每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量 一个脉冲当量 以一个个脉冲的方式输出给步进电机 脉冲增量插补的插补速度与进给速度密切 相关 还受到步进电机最高运行频率的限制 脉冲增量插补的实现方法较为简单 比较容易用硬件来实现 也有用软件来完成这类算法的 这类插补算法有逐点比 较法 最小偏差法 数字积分法等 逐点比较法的基本原理是 数控系统在控制加工过程中 逐点计算和判别加 工误差 与规定的运动轨迹进行比较 由比较结果决定下一步的移动方向 这种 算法的特点是 运算直观 插补误差小于一个脉冲当量 输出脉冲均匀 而且输 出脉冲的速度变化小 调节方便 因此 逐点比较法在两坐标联动的数控机床中 应用较为广泛 2 数字增量插补 主要用于采用交 直流伺服电机为伺服驱动系统的 闭环 半闭环数控系统 也可以用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统 目前所使用的 CNC 系统中 大多采用这类插补方法 CNC 装置产生的不是单个脉 冲 而是标准的二进制数 其基本思想是 用直线段来逼近曲线 包括直线 南华大学电气工程学院毕业设计 第 12 页 共 58 页 采用数字增量插补时 插补程序以一定的时间间隔定时进行 根据编程的速 度将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段即轮廓步长 用弦线和割线逼近轮廓 轨迹 在每一插补周期内 插补程序被调用一次 计算出各坐标轴在下一插补周 期内的位移增量 数字量而不是单个脉冲 X Y 等 然后再计算出相应插补 点位置的坐标值 插补运算速度与进给速度无严格的关系 因此可以达到较高的 进给速度 数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂 对计算机的运算速度 有一定要求 这类插补算法有数字积分法 二阶近似插补法 时间分割法等 1 21 2数控机床的分类数控机床的分类 1 1 按工艺方式分类 按工艺方式分类 1 金属切削类数控机床 这类数控机床如数控车床 数控铣床 数控镗床 数控磨床 数控钻床 数 控齿轮加工机床 加工中心等 尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异 具 体的控制方法也各不相同 但它们都适合于单件 小批量和多品种的零件加工 具有很高的生产率和自动化程度 2 金属成型类数控机床 这类数控机床如数控折弯机 数控弯管机 数控冲床等 3 数控特种加工及其他类型机床 这类数控机床如数控线切割机床 数控火焰切割机 数控三坐标测量机 数 控电火花加工机床等 2 2 按控制系统运动方式分类 按控制系统运动方式分类 按控制方式分 最常用的数控机床可分为以下三类 1 开环数控机床 这类数控机床采用开环进给伺服系统 其数控装置发出的指令信号是单向 的 没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测 不能进行运动误差的 校正 因此步进电机的步距角误差 齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响 加工零件的精度 这类机床通常为经济型 中小型机床 具有结构简单 价格低廉 调试方便 南华大学电气工程学院毕业设计 第 13 页 共 58 页 等优点 但通常输出的扭矩值大小受到限制 而且当输入的频率较高时 容易产 生失步 难以实现运动部件的控制 因此已不能充分满足数控机床日益提高功率 运动速度和加工精度的控制要求 图 1 1 是开环控制的系统框图 图 1 1开环控制的系统框图 2 闭环数控机床 这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上 该位置检测 装置可实测进给系统的位移量或位置 数控装置将位移指令与工作台端测得的实 际位置反馈信号进行比较 根据其差值不断控制运动 使运动部件严格按照实际 需要的位移量运动 还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速 将速度反馈 信号与速度指令信号相比较 对驱动电机的转速随时进行修正 这类机床的运动 精度主要取决于检测装置的精度 与机械传动链的误差无关 因此可以消除由于 传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响 图 1 2 是闭环控制 的系统框图 图 1 2闭环控制的系统框图 相比于开环数控机床 闭环数控机床精度更高 速度更快 驱动功率更大 但是 这类机床价格昂贵 对机床结构及传动链依然提出了严格的要求 传动链 的刚度 间隙 导轨的低速运动特性 机床结构的抗振性等因素都会增加系统调 试困难 闭环系统设计和调整得不好 很容易造成系统的不稳定 所以 闭环控 步进电机 驱动电路 功率步进 电动机 机械传动链 机床运动 部件 输入脉冲 比较器 功率放 大电路 直流或交流 伺服电动机 机械传动链 输入脉冲 机床运动 部件 位置检测 装置 南华大学电气工程学院毕业设计 第 14 页 共 58 页 制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床 超精车床 超精磨床等 3 半闭环数控机床 这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部 可间接测量执行部件 的实际位置或位移 这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节 控制系统的调 试十分方便 因此可以获得稳定的控制特性 由于采用高分辨率的测量元件 如 脉冲编码器 因此可以获得比较满意的精度与速度 半闭环数控机床可以获得比 开环系统更高的精度 但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正 因此它的 位移精度比闭环系统的要低 大多数数控机床采用半闭环控制系统 图 1 3 是半 闭环控制的系统框图 图 1 3半闭环控制的系统框图 3 3 按控制系统功能水平分类 按控制系统功能水平分类 按控制系统的功能水平 可以把数控机床分为经济型 普及型 高级型三类 主要由技术参数 功能指标 关键部件的功能水平来决定 这些指标具体包括 CPU 性能 分辨率 进给速度 伺服性能 通信功能 联动轴数等 1 经济型数控机床 这类数控机床通常为低档数控机床 一般采用 8 位 CPU 或单片机控制 分辨 率为 10 m 进给速度为 6 15 m min 采用步进电机驱动 具有 RS232 接口 低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴 具有简单 CRT 字符显示或数码管显示 功能 无通信功能 2 普及型数控机床 这类数控机床通常为中档数控机床 一般采用 16 位或更高性能的 CPU 分 辨率在 1 m 以内 进给速度为 15 24 m min 采用交流或直流伺服电机驱动 联动轴数为 3 5 轴 有较齐全的 CRT 显示及很好的人机界面 大量采用菜单操 作 不仅有字符 还有平面线性图形显示功能 人机对话 自诊断等功能 具有 比较器 输入脉冲 前置及功率 放大电路 直流或交流 伺服电动机 脉冲编码器 机械传动链 机床运动 部件 南华大学电气工程学院毕业设计 第 15 页 共 58 页 RS232 或 DNC 接口 通过 DNC 接口 可以实现几台数控机床之间的数据通信 也 可以直接对几台数控机床进行控制 3 高级型数控机床 这类数控机床通常为高档数控机床 一般采用 32 位或 64 位 CPU 并采用精 简指令集 RISC 作为中央处理单元 分辨率可达 0 1 m 进给速度为 15 100 m min 采用数字化交流伺服电机驱动 联动轴数在五轴以上 有三维动态图形 显示功能 高档数控机床具有高性能通信接口 具备联网功能 通过采用 MAP 制 造自动化协议 等高级工业控制网络或 Ethernet 以太网 可实现远程故障诊 断和维修 为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入 FMS 柔性制造系统 和 CIMS 计算机集成制造系统 等制造系统创造了条件 上述这种分类方式没有严格的界限 经济型数控是相对于标准数控而言的 在不同时期 不同国家的含义是不一样的 区别于经济型数控 把功能比较齐全 的数控系统称为全功能数控 也称为标准型数控 1 31 3 数控机床的特点数控机床的特点 1 1 加工精度高加工精度高 数控机床的脉冲当量小 位置分辨率高 数控系统具备误差自动补偿功能 数控机床的传动系统与机床结构设计 都具有比普通机床更高的刚度和稳定性 部件的制造 装配精度均比较高 提高了机床本身的精度与稳定性 数控机床采 用了自动加工方式 避免了加工过程中的人为干扰 2 2 机床的柔性高机床的柔性高 改变加工零件只需要新编制 更换 程序 就能实现对不同零件的加工 3 3 自动化程度高 劳动强度低自动化程度高 劳动强度低 数控机床对零件的加工是根据事先编好的程序自动完成的 在正常加工过程中 操作者只要进行极为简单的操作 即可完成零件的自动加工 不需要进行繁杂的 重复性手工操作 操作者的劳动强度可大为减少 此外 数控机床一般都具有较 好的安全防护 自动排屑 自动冷却和自动润滑装置 使操作者的劳动条件也得 到了很大改善 4 4 生产率高生产率高 南华大学电气工程学院毕业设计 第 16 页 共 58 页 在数控机床上 由于主轴的转速和进给量都可以任意选择 由于数控机床的 结构刚性好 一般都允许进行较大切削用量的强力切削 提高了数控机床的切削 效率 节省了实际加工时间 数控机床的移动部件的空行程运动速度大大高于普 通机床 数控机床更换被加工零件时一般都不需要重新调整 数控机床加工零件 的尺寸一致性好 质量稳定 一般只需要做首件检验 数控机床可以实现精确 快速定位 节省了 划线 时间 5 5 良好的经济效益良好的经济效益 数控机床虽然设备价格较高 分摊到每个零件的加工费用较普通机床高 但 使用数控机床加工 可以通过上述优点体现出整体效益 特别是数控机床的加工 精度稳定 减少了废品 降低了生产成本 此外 数控机床还可一机多用 节省 厂房面积和投资 6 6 有利于现代化管理有利于现代化管理 采用数控机床加工 能准确地计算零件加工工时和费用 简化了检验工 夹 具 减少了半成品的管理环节 有利于生产管理的现代化 1 41 4 小结小结 数控机床涉及的知识和内容比较多 本章仅对数控机床的基本概念 分类及 特点做了概述 1 数控机床的基本概念 介绍了数控机床的基本组成和工作原理 2 数控机床的分类 按工艺方式 控制系统运动方式 控制系统功能水平三 方面对数控机床进行了分类 3 数控机床的特点 介绍了数控机床拥有加工精度高 机床柔性高 自动化 程度高 劳动强度低 生产率高 经济效益良好 有利于现代化管理等特点 南华大学电气工程学院毕业设计 第 17 页 共 58 页 2 2 计算机数控系统 计算机数控系统 2 2 1 1 概述概述 2 2 1 1 1 1 CNCCNC系统的组成系统的组成 CNC 系统主要由硬件和软件两大部分组成 其核心是CNC 装置 它通过系统 控制软件配合系统硬件 合理地组织管理数控系统的输入 数据处理 插补和输 出信息 控制执行部件 使数控机床按照操作者的要求进行自动加工 CNC 系统 采用了计算机作为控制部件 通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全 部数控功能 从而对机床运动进行实时控制 只要改变CNC 系统的控制软件就能 实现一种全新的控制方式 各种数控机床的 CNC 系统一般由以下几个部分组成 中央处理单元 CPU 只读存储器 ROM 随机存储器 RAM 输入 输出设备 I O 操作面板 PLC 显示器和键盘等 图2 1所示为CNC 系统的一般结构框图 图 2 1 CNC系统的一般结构框图 在图 2 1 所示的整个CNC 系统的结构框图中 数控系统主要是指CNC 控制 器 CNC控制器由数控系统硬件 软件构成的专用计算机与PLC 组成 前者主要 处理机床轨迹运动的数字控制 后者主要处理开关量的逻辑控制 2 2 1 2 1 2 CNCCNC系统的功能和一般工作过程系统的功能和一般工作过程 1 CNC系统的功能 南华大学电气工程学院毕业设计 第 18 页 共 58 页 CNC 系统由于现在普遍采用了微处理器 通过软件可以实现很多功能 数控 系统有多种系列 功能各异 数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能 基 本功能是数控系统必备的功能 选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择 的功能 CNC系统的功能主要反映在G 功能 G 指令代码 和M 功能 M 指令代码 上 根据数控机床的类型 用途 档次的不同 CNC 系统的功能有很大差别 下 面介绍其主要功能 1 控制功能 CNC 系统能控制的轴数和能同时控制 联动 的轴数是其主要性能之一 控制 轴有移动轴和回转轴 通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工 一般情况下 数 控车床只需二轴控制 二轴联动 数控铣床需要三轴控制 三轴联动或二轴半联 动 而加工中心一般为多轴控制 三轴联动 控制轴数越多 特别是同时控制的 轴数越多 要求CNC 系统的功能就越强 同时CNC 系统就越复杂 编制程序也越 困难 2 G 功能 G 功能也称G指令代码 它用来指定机床的运动方式 包括基本移动 平面 选择 坐标设定 刀具补偿 固定循环等指令 对于点位式的数控机床 如数控 钻床 数控冲床等 需要点位移动控制系统 对于轮廓控制的数控机床 如数控 车床 数控铣床 加工中心等 需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有 联动功能 3 插补功能 CNC 系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的 由于轮廓控制的实时 性很强 软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求 同 时由于CNC 不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的CPU 时间 因 此 CNC 的插补功能实际上被分为粗插补和精插补 插补软件每次插补一个轮廓 步长的数据为粗插补 伺服系统根据粗插补的结果 将轮廓步长分成单个脉冲的 输出称为精插补 有的数控机床采用硬件进行精插补 4 进给功能 根据加工工艺要求 CNC 系统的进给功能用F 指令代码直接指定数控机床加 工的进给速度 南华大学电气工程学院毕业设计 第 19 页 共 58 页 1 切削进给速度 指刀具每分进给的距离 毫米 如100mm min 对于回 转轴 以每分钟进给的角度指定刀具的进给速度 2 同步进给速度 指刀具主轴每转进给的距离 毫米 如0 02mm r 只有 主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度 用于切削螺纹的编 程 3 进给倍率 操作面板上设置了进给倍率开关 倍率可以在0 200 之间 变化 每挡间隔10 使用倍率开关不用修改程序就可以改变进给速度 并可以 在加工工件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给 5 主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能 1 转速的编码方式 一般用S 指令代码指定 一般用地址符S 后加两位或 四位数字表示 单位分别为r min 和mm min 2 指定恒线速 该功能可以保证车床和磨床加工工件端面的质量和在加工 不同直径外圆时具有相同的切削速度 3 主轴定向准停 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止 有自动换刀 功能的机床必须选取有这一功能的CNC 装置 6 M功能 M 功能用来指定主轴的启 停和转向 切削液的开和关 刀库的启和停等 属开关量的控制 它用M 指令代码表示 现代数控机床一般用PLC 控制 各种型 号的数控装置具有的M 功能差别很大 而且有许多是自定义的 7 刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具 刀具功能字以地址符T 为首 后面跟两位或 四位数字 代表刀具的编号 8 补偿功能 补偿功能通过输入到CNC 系统存储器的补偿量 根据编程轨迹重新计算刀具 的运动轨迹和坐标尺寸 从而加工出符合要求的工件 补偿功能主要有以下几种 1 刀具的尺寸补偿 如刀具长度补偿 刀具半径补偿和刀尖圆弧半径补偿 这些功能可以补偿刀具磨损量 以便换刀时对准正确位置 简化编程 2 丝杠的螺距误差补偿 反向间隙补偿和热变形补偿 通过事先检测出丝 南华大学电气工程学院毕业设计 第 20 页 共 58 页 杠螺距误差和反向间隙 并输入到CNC 系统中 在实际加工中进行补偿 从而提 高数控机床的加工精度 9 字符 图形显示功能 CNC 控制器可以配置数码管 LED 显示器 单色或彩色阴极射线管 CRT 显示 器或液晶 LCD 显示器 通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示 通常可以 显示程序 参数 各种补偿量 坐标位置 故障信息 人机对话编程菜单 零件 图形及刀具实际运动轨迹的坐标等 10 自诊断功能 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位 以减 少停机时间 CNC 系统中设置了各种诊断程序 不同的CNC 系统设置的诊断程序 是不同的 诊断的水平也不同 诊断程序一般可以包含在系统程序中 在系统运 行过程中进行检查和诊断 也可以作为服务性程序 在系统运行前或故障停机后 进行诊断 查找故障的部位 有的CNC系统可以进行远程通信诊断 11 通信功能 为了适应柔性制造系统 FMS 和计算机集成制造系统 CIMS 的需求 CNC 装 置通常具有RS232C通信接口 有的还备有DNC接口 也有的CNC还可以通过制造自 动化协议 MAP 接入工厂的通信网络 12 人机交互图形编程功能 为了进一步提高数控机床的编程效率 对于数控程序的编制 特别是较为复 杂零件的数控程序都要通过计算机辅助编程 尤其是利用图形进行自动编程 以 提高编程效率 因此 对于现代 CNC 系统一般要求具有人机交互图形编程功能 有这种功能的CNC 系统可以根据零件图直接编制程序 即编程人员只需输入图样 上简单表示的几何尺寸就能自动地计算出全部交点 切点和圆心坐标 生成加工 程序 有的CNC 系统可根据引导图和显示说明进行对话式编程 并具有自动工序 选择 刀具和切削条件的自动选择等智能功能 有的CNC 系统还备有用户宏程序 功能 如日本FANUC系统 这些功能有助于那些未受过CNC编程专门训练的机械工 人能够很快地进行程序编制工作 2 CNC系统的一般工作过程 1 输入 南华大学电气工程学院毕业设计 第 21 页 共 58 页 输入CNC控制器的通常有零件加工程序 机床参数和刀具补偿参数 机床参 数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好 所以输入CNC系统的主要 是零件加工程序和刀具补偿参数 输入方式有纸带输入 键盘输入 磁盘输入 上级计算机DNC通信输入等 CNC系统输入工作方式有存储方式和数控方式 存储 方式是将整个零件程序一次全部输入到CNC系统内部存储器中 加工时再从存储 器中把一个一个程序调出 该方式应用较多 数控方式是CNC系统一边输入一边 加工的方式 即在前一程序段加工时 输入后一个程序段的内容 2 译码 译码以零件程序的一个程序段为单位进行处理 把其中零件的轮廓信息 起 点 终点 直线或圆弧等 F S T M 等信息按一定的语法规则解释 编译 成计算机能够识别的数据形式 并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区 域 编译过程中还要进行语法检查 发现错误立即报警 3 刀具补偿 刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿 为了方便编程人员编制零件加 工程序 编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的 与刀具尺寸无关 程序输 入和刀具参数输入分别进行 刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀 具尺寸数据自动转换成刀具中心 刀位点 相对于工件的移动轨迹 刀具补偿包括 B 机能和C 机能刀具补偿功能 在较高档次的CNC 系统中一 般应用C机能刀具补偿 C 机能刀具补偿能够实现程序段之间的自动转接和过切 削判断等功能 4 进给速度处理 数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方 向上的速度 即F 代码的指令值 速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运 动方向上的速度分解成各进给运动坐标方向的分速度 为插补时计算各进给坐标 的行程量做准备 另外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理 有的 数控机床的CNC 系统软件的自动加速和减速也放在这里 5 插补 零件加工程序段中的指令行程信息是有限的 如对于加工直线的程序段仅给 定起 终点坐标 对于加工圆弧的程序段除了给定其起 终点坐标外 还给定其 南华大学电气工程学院毕业设计 第 22 页 共 58 页 圆心坐标或圆弧半径 要进行轨迹加工 CNC 系统必须从一条已知起点和终点的 曲线上自动进行 数据点密化 的工作 这就是插补 插补在每个规定的周期 插 补周期 内进行一次 即在每个周期内 按指令进给速度计算出一个微小的直线 数据段 通常经过若干个插补周期后 插补完一个程序段的加工 也就完成了从 程序段起点到终点的 数据点密化 工作 6 位置控制 位置控制装置位于伺服系统的位置环上 如图 2 2 所示 它的主要工作是 在每个采样周期内 将插补计算出的理论位置值与实际反馈位置值进行比较 用 其差值控制进给电动机 位置控制可由软件完成 也可由硬件完成 在位置控制 中通常还要完成位置回路的增益调整 坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿 等 以提高机床的定位精度 图2 2 位置控制的原理 7 I O处理 CNC 系统的I O 处理是CNC 系统与机床之间的信息传递和变换的通道 其作 用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC 系统中 另一方面是将CNC 系统的输出命令 如换刀 主轴变速换挡 加切削液等 变为执行机构的控制信号 实现对机床的控制 8 显示 CNC 系统的显示主要是为操作者提供方便 显示装置有LED 显示器 CRT 显 示器和LCD 显示器 一般位于机床的控制面板上 通常有零件程序的显示 参数 的显示 刀具位置显示 机床状态显示 报警信息显示等 有的CNC 装置中还有 刀具加工轨迹的静态和动态模拟加工图形显示 上述CNC 系统的工作流程如图2 3 所示 南华大学电气工程学院毕业设计 第 23 页 共 58 页 图2 3 CNC系统的工作流程 2 2 2 2 计算机数控中的可编程逻辑控制器计算机数控中的可编程逻辑控制器 2 2 2 2 1 1 PLCPLC及其工作过程及其工作过程 可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 简称PLC 是一类以微 处理器为基础的通用型自动控制装置 它一般以顺序控制为主 回路调节为辅 能够完成逻辑 顺序 计时 计数和算术运算等功能 既能控制开关量 也能控 制模拟量 近年来PLC 技术发展很快 每年都推出不少新产品 据不完全统计 美国 日本 德国等生产PLC 的厂家已达150 多家 产品有数百种 PLC的功能 也在不断增长 主要表现在以下几方面 1 控制规模不断扩大 单台PLC 可控制成千乃至上万个点 多台PLC 进行 南华大学电气工程学院毕业设计 第 24 页 共 58 页 同位链接可控制数万个点 2 指令系统功能增强 能进行逻辑运算 计时 计数 算术运算 PID运 算 数制转换 ASCII码处理 高档PLC 还能处理中断 调用子程序等 使得PLC 能够实现逻辑控制 模拟量控制 数值控制和其他过程监控 以至在某些方面可 以取代小型计算机控制 3 处理速度提高 使每个点的平均处理时间从10 m左右减少到1 m以 内 4 编程容量增大 从几KB 增大到几十KB 甚至上百KB 5 编程语言多样化 大多数使用梯形图语言和语句表语言 有的还可使用 流程图语言或高级语言 6 增加通信与联网功能 多台PLC 之间能互相通信 互相交换数据 PLC 还 可以与上位计算机通信 接受计算机的命令 并将执行结果告诉计算机 通信接 口多采用RS422 RS232C 等标准接口 以实现多级集散控制 目前 为了适应不同的需要 进一步扩大PLC 在工业自动化领域的应用范围 PLC 正朝着两个方向发展 其一是低档PLC 向小型 简易 廉价方向发展 使之 能广泛地取代继电器控制 其二是中 高档PLC 向大型 高速 多功能方向发展 使之能取代工业控制计算机的部分功能 对大规模的复杂系统进行综合性的自动 控制 在数控机床上采用 PLC 代替继电器控制 能使数控机床结构更紧凑 功能 更丰富 响应速度和可靠性大大提高 在数控机床 加工中心等自动化程度高的 加工设备和生产制造系统中 PLC 是不可缺少的控制装置 2 2 1 2 2 1 1 1 PLCPLC的基本功能的基本功能 在数控机床出现以前 顺序控制技术在工业生产中已经得到广泛应用 许多 机械设备的工作过程都需要遵循一定的步骤或顺序 顺序控制即是以机械设备的 运行状态和时间为依据 使其按预先规定好的动作次序顺序进行工作的一种控制 方式 数控机床所用的顺序控制装置 或系统 主要有两种 一种是传统的继电器逻 辑电路 Relay Logic Circuit 简称RLC 另一种是可编程逻辑控制器即PLC RLC 是将继电器 接触器 按钮 开关等机电式控制器件用导线连接而成的 南华大学电气工程学院毕业设计 第 25 页 共 58 页 以实现规定的顺序控制功能的电路 在实际应用中 RLC 存在一些难以克服的缺 点 如只能解决开关量的简单逻辑运算 以及定时 计数等有限的几种功能控制 难以实现复杂的逻辑运算 算术运算 数据处理 以及数控机床所需要的许多特 殊控制功能 修改控制逻辑需要增减控制元器件和重新布线 安装和调整周期长 工作量大 继电器 接触器等器件体积较大 每个器件工作触点有限 当机床受 控对象较多 或控制动作顺序较复杂时 需要采用大量的器件 因而整个RLC 体 积庞大 功耗高 可靠性差等 由于RLC 存在上述缺点 因此只能用于一般的工 业设备和数控车床 数控钻床 数控镗床等控制逻辑较为简单的数控机床 与 RLC 比较 PLC 是一种工作原理完全不同的顺序控制装置 基基本功能 如下 1 PLC是由计算机简化而来的 为适应顺序控制的要求 PLC省去了计算机 的一些数字运算功能 而强化了逻辑运算控制功能 是一种功能介于继电