数控立车论文.doc

沈阳广播电视大学综合实训报告第一章 绪论1.1 数控机床的发展趋势为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。 1、开放式 为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。 2、基于PC的第六代方向 基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。 3、高速化、高效化 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。 根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。 4、高精度化 精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（更贴切的叫法是 逆变3变频器的选用变频器的选用,应按照被控对象的类型、调速范围、静态速度精度、启动转矩等来考虑,使之在满足工艺和生产要求的同时,既好用,又经济.4.变频器容量的确定(1)电机实际功率确定法。首先测定电机的实际功率,以此来选用变频器的容量。 (2)公式法。设安全系数取1.05,则变频器的容量pb为: pb=1.05pm/hmcos,kW式中pm电机负载,kWhm电机功率,kw计算出pb后,按变频器产品目录选具体规格。 电机额定电流法。变频器容量选定过程,实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程,最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率,但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少,通常都是设备所选能力偏大,而实际需要的能力小,因此按电机的实际功率选择变频器是合理的,避免选用的变频器过大,使投资增大。对于轻负载类,变频器电流一般应按1.1In(In为电动机额定电流)来选择,或按厂家在产品中标明的与变频器的输出功率额定值相配套的最大电机功率根据机床主轴电机的需要我选择的是三相400V级的变频调速器。最大适用30KW的电机。输出容量为46KW。5电机的选择 根据机床主轴负载的需要我选择的是功率为22KW电流为47.6A的电机。此电机最高转速为4000r/min,基本转速为750r/min,电机基本频率20HZ，额定转矩为280NM。2.1.3其他电气装置的选用 根据数控机床的功能的需要还需一些其他电气装置。如照明灯，报警灯，空调。润滑装置，直流稳压电源，变压器，接触器，空气断路器，继电器，液压马达。排屑器电机。冷却电机，主轴编码器，等。 照明灯：AV24V 报警灯：DC24V 润滑装置：主回路为AC220V，控制回路为DC24V。 空调：AC24V. 直流稳压电源：IN:AC220V,OUT:DC24V ,6A 接触器：三相主触点为AC380V,线圈电压为AC110V（根据实际应用选型） 空气断路器：DZ473P,2P,1P.（根据实际应用选型。） 继电器：（根据实际应用选型，） 液压马达,排屑器电机，冷却电机：AV380V 2A. 主轴编码器：光电编码器。 变压器；1控制变压器，IN：AC380V，OUT :AC24V,AC28V,AC110V,AC220V, 2伺服电源变压器 IN:三相AC380V,OUT:三相：AC200V, .2.2电气原理图的设计 （图2 ） 图（2）内容为液压站电机，排屑器电机，冷却电机，主电机风扇的主回路。QS为机床总电源开关，过载电流值为100A.液压站电机：QF1为液压站电机空开，因液压电机电流值为3.6A所以选择空开电流值为4-6.3A，KM1为该电机的接触器，控制线圈电压值AC110V。排屑器电机：QF2为排屑器电机空开.该电机电流值为2.3A。所选用的空开电流值为3A，KM10和KM11分别是排屑器的正传和排屑器的反转。控制线圈电压值为AC110V.冷却电机: QF3为冷却电机空开，该电机电流值为1.6A所以选择空开电流值为3A，KM2为该电机的接触器，控制线圈电压值AC110V。主电机风扇: QF4为该电机空开，该电机电流值为0.6A所以选择空开电流值为3A，该电机不用接触器，机床上电后该电机就开始工作。 （图3）图（3）为变压器部分伺服电源变压器：QF5 50A为伺服电源变压器的空开。伺服控制变压器是根据伺服驱动器的要求（三相AC220V）而设计的。此路为伺服驱动器的主回路。控制变压器：控制变压器是根据数控机床控制回路所需要的电压而设计的，此变压器为输入为AC380V，输出为AC24V,AC28V,AC220,AC110V.QF7 10A:此空开是控制AC220V，是控制空调，和QF8 3A:此空开是控制AC110V。是专为接触器控制线圈而设计的。QF9 10A:此空开是控制AV28V。是专为电磁阀提供电源而设计。QF10 3A: 此空开是控制AC24V。是照明灯的主回路。 图（4）图（4）为数控机床的直流电源部分PD25电源：为NC数控系统自带电源。是专为数控系统NC上电。以及控制其他直流电源。和伺服驱动上电。PD25的输入为AC220V，由QF11控制。ON和OFF的触电接在机床上电和下电的按钮上。直流稳压电源：为数控机床用DC24V,它由PD254控制。（直流稳压电源的工作原理；变压-整流-稳压-滤波。） 电磁阀用整流桥:QF13为控制整流桥的输出。 图（5）交流接触器线圈控制部分 图（6）直流控制部分 图（7）基本I/O的输入 ，输出。CF31 CF32为数控系统基本I/O的输入，是根据数控机床的功能而设计的。CF33 CF34为数控系统基本I/O的输出，是根据数控机床的功能而设计的。 图（8）主轴电机，变频器部分。此部分是根据数控机床所需要的功能。并参照数控系统连接手册。和安川变频器连接手册而设计的。 图（9）图（9）为数控系统伺服驱动的主回路，是参照数控系统连接手册而设计的。 图（10）为数控系统的模块连接图2.3控制面板的设计第三章 控制系统的设计3.1 PLC的基本概念3.1.1 PLC的发展历程 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。 个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可*性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。3.1.2 PLC的主要特点 可编程控制器之所以得到迅速的发展和越来越广泛的应用，是因为它具有如下一些独特的良好特点：1、功能完善PLC的输入/输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出。在PLC内部具备许多控制功能，诸如时序、计数器、主控继电器以及移位寄存器、中间继电器等。由于采用了微处理器，它能够很方便地实现延时、比较、跳转和强制I/O等诸多功能，它不仅具有逻辑运算、算术运算、数制转换以及顺序控制功能，而且还具备模拟运算、显示、监控、打印及报表生存等功能。此外，它还可以和其它微型计算机系统、控制设备共同组成分布式或分散式控制系统，还能够实现成组数据传送、矩阵运算、闭环控制、排序与查表、函数运算及快速终端等功能。因此PLC具有极强的适应性，能够很好地满足过程控制的需要。2、模块化结构，硬、软件开发方便PLC的硬件结构全部采用模块化结构，可以适应大小规模不同、功能复杂程度及现场环境各异的各种控制要求。硬件系统安装方便，接线简单，连接可*，为控制系统的硬件设计提供了方便、快捷的途径，可以大大缩短硬件系统的开发周期。软件编程支持梯形图逻辑语言直观、方便，只要有了通常的继电器梯形图、逻辑图或逻辑方程，就等于有了PLC系统用户程序，大大减轻了系统软件开发的工作量。另外，这一特点对于PLC系统取代原继电器控制系统，进行老设备改造是十分有利的。总之，使用PLC可以大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资。3、操作方便，维护、改造容易 PLC的输入/输出系统能够直观地反映现场信号的变化状态，PLC还能够通过各种方式直观地反映控制系统的运行状态，如内部工作状态、通讯状态、I/O点、异常状态、电源状态等均有醒目的指示，非常有利于运行、维护人员监视系统的工作状态。PLC采用梯形图逻辑编程，有利于电气操作人员对PLC编程，使得操作人员可以方便地调整系统的编程或组态。另外，PLC的模块化结构，可以允许维护人员很方便地更换故障模件或在生产工艺流程改变时更改系统的结构和配置。4、性能稳定，可靠性高PLC产品都有其严格的技术标准，这些标准保证了PLC在恶劣的工业环境下的正常运行。它在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经念，主要模件均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路，在机械结构上对耐热、防潮、防尘、抗振等都有精心考虑，所有这些使得PLC具有较好的性能和较高的可靠性。一般平均无故障时间可达几万小时以上。另外，PLC还具有较完善的自诊断、自测试功能。 5、具有较高的性能/价格比3.1.3 三菱PLC应用中应注意的问题PLC是专门为工业生产服务的控制装置，通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。但是，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，都不能保证PLC的正常运行，因此在使用中应注意以下问题。1 温度PLC要求环境温度在055，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大，基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔；开关柜上、下部应有通风的百叶窗，防止太阳光直接照射；如果周围环境超过55，要安装电风扇强迫通风。2 湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。3 震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为1055Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。4 空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中，并安装空气净化装置。为了确保整个系统能在安全状态下可*工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。（1） 急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，使得PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可切断。（2） 保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。（3） 可编程控制器有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出，因此，对于能使用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。（4） 电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响，若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。（5） 重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。PLC的接地良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2 ，接地电阻小于100；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。艘种萍釉诘缭醇笆淙攵恕涑龆说母扇牛鳳LC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。3.1.4 PLC的I/O滞后现象 由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段即使输入发生了变化，输入状态映像寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。暂存在输出映像寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输送给输出锁存器。由此可以看出，全部输入输出状态的改变需要一个扫描周期。换言之，输入输出的状态保持一个扫描周期。扫描周期越长，滞后现象越严重。一般扫描周期只有十几毫秒到几十毫秒，因此对一般工业控制设备或者对输入信号变化较慢的系统来说，这种滞后现象是完全允许的。若要输出对输入作出快速响应的场合，则可采取相应的措施如选用高速CPU提高扫描速度，采用快速响应模块、高速计数模块以及不同的中断处理等措施来尽量减少滞后时间。影响I/0滞后的主要原因有:输入滤波器对信号的延迟;输出继电器的动作延迟;程序设计不当的附加影响等。3.2 PLC部分设计内容（1） PLC空制器的选型，正确配置系统硬件。（2）写出I/O地址，并生成符号地址表。（3）用梯形图方式正确编程。（4）正确连接PLC与模拟实验板，检查无误后运行并调试程序。（5）写出完整的课题设计报告。3.3 数控车床的PLC设计 PLC控制系统的输入表操作数注释操作数 注释XD手轮增量倍率AX23 机床锁住X1手轮增量倍率FX24 空运行X2手轮X轴X25 选择跳读X3手轮Z轴X26 单程序段X4进给倍率AX27 辅助功能锁住X5进给倍率FX2A 排屑器正传X6进给倍率BX2B 排屑器反转X7进给倍率EX2C 排屑器停止XC方式选择AX2F 主轴零速信号XD方式选择FX30 20位（A）XE方式选择BX31 21位（B）X10-XX32 22位（C）X11+XX33 23位（D）X12-ZX34 选通（S）X13+ZX35 刀架锁紧/送开X14快移X39 导轨润滑液检测开关X15主轴正传X3A 主轴速度到达X16主轴反转X3C 循环启动X17主轴停止X3D 进给保持X1A冷却X3E 卡盘X1B主轴倍率+10%X3F 程序保护X1C主轴倍率-10%X1D润滑X1E换刀启动X1F超程释放X21压力继电器X22选择停止PLC控制系统的输出表操作数注释操作数 注释YO润滑油低灯Y20 机床准备Y4X轴手轮选择灯Y21 冷却通断Y5Z轴手轮选择灯Y22 液压马达正传Y6排屑器正传灯Y23 液压马达反转Y7排屑器反转灯Y24 卡盘卡紧/松开Y8单程序段灯Y25 液压刀架卡紧Y9辅助功能锁住灯Y26 润滑导轨通断YA空运行灯Y27 刀架松开YB机床锁住灯Y28 主轴正传YC选择跳读灯Y29 主轴反转YD选择停止灯Y2A Z轴制动器Y10循环启动灯Y2B 排屑器正传Y11进给保持灯Y2C 排屑器反转Y12X轴回零灯Y2D 故障报警灯红色Y13Z轴回零灯Y2E 运行指示灯绿色Y14冷却灯 Y15润滑灯 Y16快移灯 Y17机床准备号灯 Y18主轴正传灯 Y19主轴反转灯 Y1A主轴停止灯Y1B换刀启动灯Y1C机床报警灯Y1D超程释放灯Y1E卡盘卡紧灯根据以上I/O 点，编写梯形图。注：（由于数控机床的功能较多编写的程序较长。所以PLC程序单独打印）第四章 数控机床电器部分调试 数控机床电器部分调试包括；NC的参数调整、PLC的程序调整、变频调速器的参数调整。4.1 NC参数的调整： NC参数的调整：NC参数分为基本规格参数、NC轴参数、NC伺服参数、主轴参数、机械误差补偿、PLC参数、位置开关参数、加工参数。根据机床的实际情况设定以上参数。 设定机床的软限位：根据数控机床机械设计行程的要求设定机床的X轴参考点Z轴的参考点、X轴负方向的超程和Z轴负方向的超程（由参数2013设定），X轴的正方向的超程和Z轴正方向的超程（由参数2014设定）。4.2 PLC程序的调整 PLC程序的调整是指把编好的PLC程序传送到数控机床的NC内，然后