数控车床XZ轴的控制系统设计.doc

电 子 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文）论文题目： 数控车床X，Z轴的控制系统设计 教学中心： 电子科技大学网络教育重庆学习中心 指导老师： 魏良庆 职 称： 讲师 学生姓名： 刘彬 学 号: V09642742141 专 业： 机械电子工程 电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年5月15日电 子 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书题目： 数控车床X，Z轴的控制系统设计 任务与要求：紧密围绕数控车床的设备、工艺、编程与操作等核心内容，全面介绍数控技术的基础知识、数控车床的数控系统与机械结构、车削加工的工艺分析和编程技术、数控车床的操作，重点对于数控车床XZ轴的控制进行设计分析。 时间： 2010 年 3月2 日 至 2010年 5 月 20 日 共 12 周 办学单位： 电子科技大学网络教育重庆学习中心 学生姓名： 刘彬 学 号： V09642742141 专业： 机械电子工程指导单位或教研室： 重庆科创职业学院指导教师： 魏良庆 职 称： 讲师电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年3月10日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字2月25日至2月28日选题3月1日至3月15日论文提纲写作3月16日至3月31日初稿写作4月1日至 4月20日二稿写作4月21日至5月15日定稿并上交论文的电子文档5月16日至5月25日做好论文答辩准备教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。电子科技大学毕业论文（设计） 数控车床X，Z轴的控制系统设计电子科技大学毕业设计(论文)中期检查记录表学生填写毕业设计(论文)题目: 数控车床X，Z轴的控制系统设计学生姓名: 刘彬 学号：V09642742141专业：机械电子工程 层次: 专升本教学中心名称: 电子科技大学网络教育重庆学习中心指导教师姓名及职称: 魏良庆 讲师教师指导毕业设计(论文)时间及地点:电子科技大学网络教育重庆学习中心检查教师填写毕业设计(论文)题目工作量饱满一般不够毕业设计(论文)题目难度大适中不够毕业设计(论文)题目涉及知识点丰富比较丰富较少毕业设计(论文)题目价值很有价值一般价值不大学生是否按计划进度独立完成工作任务学生毕业设计(论文)工作进度填写情况学生出勤情况及出勤的考核办法学生与指导教师见面接受指导次数5次学生工作态度认真一般较差教师毕业设计(论文)指导日志是否齐全其他检查内容：存在问题及采取措施:检查教师签字: 年 月 日教学中心意见:学院审核意见(加盖公章):年 月 日 年 月 日摘 要数控车床是一种典型的机电一体化产品，它综合了电子计算机、自动控制、自动检测、液压与气动及精密机械等方面的技术，该系统能逻辑的处理具有使用数字号码或者其它符号编码指令规定的程序，可以自动完成信息的输入、译码、运算，从而控制车床的运动和加工过程。数控车床是数控机床中的一种，它与普通车床一样主要用来加工轴类或盘类转体零件，如车削圆柱、圆锥、圆弧和各种螺纹等。与普通车床相比，数控车床的加工精度高、加工质量稳定、效率高、适应性强、操作劳动强度低，是目前使用较为广泛的一种数控机床。本文介绍了在两轴联动数控车床控制中的系统结构框图、CNC软件设计思想及流程图，步进电机的选型和驱动放大电路。CNC数控系统由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器件（PLC）、主驱动装置和进给驱动装置等组成。数控系统的核心是CNC装置，CNC装置由软件和硬件组成，CNC装置以存储器方式工作，它的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。本文还包括了步进电机的选择，驱动电路的设计，系统软件设计。伺服系统故障分析和检测器件的常见故障及维修。关键词：数控车床 伺服系统 设计AbstractCNC lathe is a kind of typical electromechanical products, combining the electronic computer, automatic control, automatic detection, hydraulic and pneumatic and precision machinery and other aspects of the technology, the system can handle using digital logic with the number or other symbols, the procedures prescribed by the coded instructions can be done automatically information input, decoding, operations, thus control lathe sports and process. CNC lathe is one of the numerical control machine, and it is mainly used to process as ordinary lathe axial or plate, such as turning of axisymmetrical parts of cylindrical, tapered, arc and various thread etc. Compared with ordinary lathe, numerical control lathe machining precision, and processing quality stability, high efficiency, good adaptability, operation low Labour intensity, is currently use a wide range of a numerical control machine. This paper introduces two axis linkage in CNC lathe control of system structure diagram, CNC software design ideas and flow chart, stepping motor selection and drive amplifying circuit. CNC system consists of procedures, input/output devices, CNC equipment, programmable control devices (PLC), the Lord drives and feed drive equipment etc. Nc system that is the core of CNC device, CNC apparatus composed by software and hardware, CNC equipment to memory, its the job of the way in hardware, under the support of the whole process of implement software. This paper also includes the stepping motor, power circuit of the choice of design, system software design. Servo system failure analysis and detection device of common failures and maintenance. KEY WORDS: CNC lathe ;Servo system; Design 目 录第一章 绪言1第二章 X/Z轴3第三章 系统硬件设计5第一节 计算机数控（CNC）的组成及作用5第二节 系统硬件结构及框图6第三节 步进电机的选择6第四节 驱动电路的设计7第四章 系统软件设计9第一节 系统软件的选择9第二节 系统的总体软件结构及流程图9结束语12谢 辞13参考文献141电子科技大学毕业论文（设计）智能门监控系统设计第一章 绪言1952年，自从第一台数控车床问世以后，数控系统已经先后经历了两个阶段和六代的发展，六代是指电子管、晶体管、集成电路、微处理器和基于工控PC机的通用CNC系统。其中前三代为第一阶段，称作为硬件连接数控，简称NC系统：后三代为第二阶段，乘坐计算机软件数控，简称CNC系统。数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网络化的基础，是现代车床装备的灵魂和核心，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。数控系统是数控车床的核心，数控机床对零件的加工过程是严格按照加工程序所规定的参数及动作执行的。它是一种高效能自动或半自动机床，具有多轴控制功能、主轴功能、进给功能、刀具补偿功能、自诊断报警功能以及图形显示等功能，可以最大限度地避免故障的发生，提高工作效率。数控系统的功能主要取决于数控系统硬件和软件的配置。一般说来，数控系统的主要功能有以下几点。（1）多轴控制功能。控制系统可以控制坐标轴的数目，其中包括平动轴和回转轴。基本平动轴是X、Y、Z轴，基本回转轴是A、B、C轴。联动轴是指数控系统按照加工的要求可以控制同时运动的坐标轴的数目，例如某型号的数控机床具有X、X、Z三个坐标轴运动方向，而数控系统只能同时控制两个坐标（XY、YZ或XZ）方向的运动，则该机床的控制轴数为3轴（称为三轴控制），而联动轴数为2轴（称为两联动）。（2）主轴功能。可实现恒转速、恒线速度、定向停车及倍率开关等功能。（3）进给功能。包括快速进给（空行程移动）、切削进给、手动连续进给、点动、进给量调整和自动加减速功能等性能。（4）刀具功能。指在数控机床上可以实现刀具的自动选择和自动换刀。（5）刀具补偿功能。包括刀具位置补偿、半径补偿和长度补偿功能。（6）插补功能。指数控机床能够实现的运动轨迹，如直线、圆弧、螺旋线、抛物线等。一般情况下，数控机床的插补功能越强，即加工的轮廓种类就越多。（7）辅助编程功能。包括固定循环、镜像、图形缩放、子程序、宏程序、坐标轴旋转和极坐标等功能，使用辅助编程功能可以减少手工编程的工作量和难度。（8）操作功能。数控机床通常有单程序段运行、跳段执行、连续运行、试运行、图形模拟、机械锁住、暂停和急停等功能。（9）自诊断报警功能。指数控系统对其软件、硬件故障的自我诊断能力。该项功能可以用于监视整个机床和整个加工过程是否正常，并在发生异常时及时报警。（10）程序管理功能。指对加工程序的检索、编制、插入、删除、更名、锁住、在线编辑（即执行自动加工的同时进行编辑）以及程序的存储通信等。（11）图形显示功能。使用该项功能在显示器上进行二维或三维、单色或彩色的图形显示，还可以进行刀具轨迹动态显示。（12）通信功能。现代数控系统中一般都配有RS232接口或DNC接口，可以与上级计算机进行信号的高速传输。另外，高档数控系统还可以与MPA或Internet相连，以适应FMS、CIMS的要求。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大。目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面：一、高速度的发展趋势尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。二、开放式与网络化成为数控系统发展的趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。第二章 X/Z轴为简化编程和保证程序的通用性，对数控机床的坐标轴和方 向命名制订了统一的标准，规定直线进给坐标轴用 X，Y，Z 表示， 常称基本坐标轴。X，Y，Z 坐标轴的相互关系用右手定则决定，如下图1所示，图中大姆指的指向为 X 轴的正方向，食指指向为 Y轴的正方向，中指指向为 Z 轴的正方向。图2-1 X/Z轴定义围绕 X，Y，Z 轴旋转的圆周进给坐标轴分别用 A，B，C 表示，根据右手螺旋定则，如图1所示，以大姆指指向+X，+Y，+Z 方向， 则食指、中指等的指向是圆周进给运动的+A，+B，+C 方向。数控机床的进给运动，有的由主轴带动刀具运动来实现，有的由工作台带着工件运动来实现。2上述坐标轴正方向，是假定工件不动，刀具相对于工件做进给运动的方向。如果是工件移动则 用加“”的字母表示，按相对运动的关系，工件运动的正方向 恰好与刀具运动的正方向相反，即有：+X =-X, +Y =-Y, +Z =-Z，+A =-A, +B =-B, +C =-C 同样两者运动的负方向也彼此相反。 机床坐标轴的方向取决于机床的类型和各组成部分的布局，对车床而言：Z 轴与主轴轴线重合，沿着 Z 轴正方向移动将增大零件和 刀具间的距离；X 轴垂直于 Z 轴，对应于转塔刀架的径向移动，沿着 X轴正方向移动将增大零件和刀具间的距离；第三章 系统硬件设计第一节 计算机数控（CNC）的组成及作用1数控（CNC）系统的组成CNC数控系统由程序、输入输出设备、CNC装置、可编程控制器件（PLC）、主驱动装置和进给驱动装置等组成。系统的框图如下：图1.1CNC系统框图2CNC装置的结构数控系统的核心是CNC装置，CNC装置由软件和硬件组成，它们的主要功能是：（1）正确识别和解释数控加工程序；（2）对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种输入输出任务。CNC装置的软件部分包括管理软件和控制软件，管理软件由零件程序的输入输出程序、显示程序和诊断程序等组成；控制程序由译码程序、刀具补偿计算程序、速度控制程序、插补运算程序和位置控制程序等组成。硬件部分包括中央处理器、存储器、输入输出接口部分，如图所示：图1.2CNC装置硬件组成3CNC装置的工作过程CNC装置以存储器方式工作，它的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。在CNC机床上，加工过程中的操作均由数控系统完成。其工作过程如下：首先要将加工零件上的几何信息和工艺信息数字化，即将刀具与工件的相对运动轨迹用代码按规定的规则和格式编程加工程序，数控系统则按照程序的要求，进行相应的运算、处理，然后发出控制命令，使各坐标轴、主轴以及辅助动作相互协调运动，实现刀具与工件的相对运动，自动完成零件的加工。第二节 系统硬件结构及框图图1-1 系统原理框图 系统硬件主要是基于步进电机的控制，通过对步进电机每相线圈中的电流相序的切换使步进电机做步进式回转，因此利用80C51单片机的软件来实现其线圈脉冲的分配，主要是通过硬件扩展并行接口芯片8155的PB口来控制X轴和Z轴，步进电机通过键盘输入数控车床的零件加工程序，并做出相应的显示，然后经过系统程序的编译并调用直线圆弧插补程序发出脉冲信号，经光电隔离放大驱动步进电机，从而使步进电机带动工作台、刀架完成零件的加工。第三节 步进电机的选择步进电机的种类很多，按工作原理分：磁阻式（反应式）步进电机VR型，永磁式步进电机PM型、混合式步进电机HB型。改变定子绕组的通电顺序就可以控制其转向；定子绕组通电顺序的改变与否，就很容易地控制它的起动与停止。VR型步进电机具有以下优点：（1）对步进电机的控制十分方便。指令脉冲数决定步进电机的转动步数，指令脉冲的频率决；（2）步矩角小；（3）励磁电流较大，要求驱动电源频率较大，而效率较低；（4）电阻的内部阻尼较小，当相数较少时，单步运行振动时间长；（5）带惯性负载能力较好，尤其是在高速时不容易失步；（6）断电后无定位转矩。结合设计的要求和性能，选择磁阻式步进电机VR型。步进电机的最高工作频率：fmax=1000Vmax/60=1000*1.5/60*0.005=5000HZ根据计算综合考虑，查表选用110BF003型三相六拍步进电机。技术参数如下：步矩角0 .75/1.5；电压80V；电流6A；启动频率1500HZ；运行频率7000HZ.下图是110BF003的启动转频特性：由上面的启动转频特性可看出，当启动频率在250350HZ左右时转矩有个“低谷”（转矩为零），在编程时启动频率控制在300HZ以上。第四节 驱动电路的设计驱动放大电路采用高低压驱动放大电路高低压驱动电路不论电动机频率如何，在导通相的前沿用高电压供电，来提高电流的前沿上升率，而在前沿过后用低电压来维持绕组的电流。主回路由高压管TH、电动机绕组、低压管TL串联而成，UH加高电压，UL加低电压。电路如下图所示：图1-2系统高低压电路设计当TLTH，因为绕组的电流平均值仍在额定值附近，所以低压的电压选择式为：UL=INR+UDL+UCE当电机运行频率上升时，电动机反电势逐渐升高，TH期间的电流上冲量有所减少，在TH过后只有低压供电时，受反电势的作用，绕组电流下降较快，但此时，TL已经接近TH，电流上冲时的磁场的储能，在电流下降的过程中能维持一段时间，待到完全由低压决定时，已经接近TL的后沿时间，所以绕组电流的平均值仍能保持所需要的数值。当运行频率继续升高时，若TL=TH时，在绕组导通时间内已全部由高压供电，低压已不能起作用。当频率继续升高时，TLTH，此时应在前级的信号处理中使TH跟踪TL的宽度，使电路一直处于高电压供电状态。在TL时间过后，绕组电流进入续流状态，电流经DL、电动机绕组、DH泄放，磁场的能量将回馈给高电压。综上所述，高低压驱动可保证在很宽的频段内使相绕组有较大的平均电流，在截止时又能迅速的泄放。因此能产生较大的、目标稳定的电磁转矩，使得驱动系统得到较高的响应。第四章 系统软件设计第一节 系统软件的选择在数控车床中，被加工的轮廓千差万别，特别是较复杂的轮廓若直接生成，难以实现，一般是利用插补来实现对各坐标进行脉冲分配，完成整个线段的轨迹运行。常见的插补有三种，分为硬件插补、软件插补和软硬件结合。根据设计要求，本系统采用软硬件结合法中的数字积分法。软硬件结合是利用软件来实现粗插补，利用硬件来实现精插补，其特点是插补速度快、精度高，适用于精度高的加工中心。数字积分法又称DDA法，其特点是脉冲分配均匀，易于实现坐标扩展。第二节 系统的总体软件结构及流程图系统采用前后台型软件结构，这种软件结构把系统软件分为前台程序和后台程序。前台程序是指实施中断程序，例如插补程序、伺服控制、机床逻辑控制和监控等功能，它们和机床的运动直接相关，并且时实性要求高。后台程序是指实现输入译码，数据处理及管理功能的程序，又称背景程序。后台程序为前台程序的实施提供条件和进行管理。图（1）是正常加工状态下后台程序的调度管理框图。开机后先运行初始化程序。如果启动按扭按下，执行输入、译码和数据处理程序。经过数据处理后，就完成了轨迹计算及速度计算。循环停处理程序是处理各种停止状态的。例如在单段执行时，每执行完一个数据段时就设置循环停状态，数控机床处于等待状态，当操作员重新按下循环启动按钮后，执行下一个数据段的程序；操作员因故按下循环按扭，则立即停止插补运行，只有重新按下循环启动按钮，程序才能继续运行。如果系统处于连续自动加工状态，则跳过循环停处理程序。以后加工程序段的数据处理由数据执行段程序完成。正常情况下，后台程序在1234中循环，直到工件加工结束。前台程序如框图。图中第一框伺服程序是控制伺服系统的速度和位置，按上一周期的插补结果实现进给。第二框图扫描用于在控制面板上设置工作状态标志，处理控制面板输入的信息。第三框图辅助功能处理可调用机床逻辑功能子程序执行M、S、T辅助功能及机床逻辑状态控制。第四框图插补程序可算出位置的偏差值，作为下一周期实现伺服控制的依据。后扫描可修改控制面板的状态标志，为操作员指明当前的状态，然后返回后台程序。前台程序是一个定时中断处理程序，这种中断处理程序按一定时间（例如10ms）中断一次，CPU执行一次前台程序。其过程是：程序启动，经过初始化就近入后台程序，同时开放定时中断，每10ms定时中断发生一次，执行一次中断服务程