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基于 840 曲轴 数控系统 设计 应用

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湖北汽车工业学院毕业设计（开题报告）电气工程系毕业设计开题报告课题名称：基于840D的曲轴内铣数控系统设计及应用姓 名： XX班 级： XX学 号： XX指导老师： XX2008年3月15日课题开题报告1课题来源FKP20系奥地利GFM公司生产的最具代表性的曲轴固定式内铣机床，曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。东风康明斯发动机有限公司拥有2 台FKP20 曲轴内铣机床,1 台用于主轴颈加工,1 台用于连杆颈加工,曲轴经内铣加工后即进入磨床磨削工序。此2 台机床经10 余年的使用后,系统不同程度地出现老化、控制系统故障增多等问题。本课题将针对FKP20曲轴内铣数控改造的需要，选用西门子840D数控系统构建新型曲轴内铣控制系统。2国内外现状一、SINUMERIK 840D 数控系统性能SINUMERIK 840D 是西门子公司20 世纪90 年代推出的高性能数控系统。它保持西门子前两代系统SINUMERIK 880 和840C 的三CPU 结构：人机通信C P U（M M C - C P U）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上，NC-CPU 和PLCCP U 合为一体， 合成在N C U（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互独立。S I N U M E R I K840D 主要技术特性如表1 所示。相对于前几代系统，SINUMERIK840D 具有以下几个特点：（1）数字化驱动在SINUMERIK 840D 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。（2）轴控规模大最多可以配31 个轴，其中可配10个主轴。（3）可以实现五轴联动SINUMERIK 840D 可以实现X 、Y、Z、A、B 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。（4）操作系统视窗化SINUMERIK 840D 采用Windows95 作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。（5）软件内容丰富功能强大SINUMERIK 840D 可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start-up）等几大软件功能。（6）具有远程诊断功能如现场用PC 适配器、MODEM 卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D 与异域PC 机通信，完成修改PLC 程序和监控机床状态等远程诊断功能。（7）保护功能健全 SINUMERIK 840D 系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。（8）硬件高度集成化 SINUMERIK 840D 数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。（9）模块化设计 SINUMERIK 840D 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线( F M C 、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP 及MTS 等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。3.方案论证1 价值分析通过对已有的设备进行现代化改造可以在保持原有设备经济价值的基础上迎合当前生产了的需要，提高效率，提高工艺水平图1 四缸曲轴图1 机床基本情况FKP20 系奥地利GFM 公司生产的曲轴内铣专用机床,曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。机床加工精度较高,尺寸稳定,且效率非常高。机床结构示意图如图1 所示。机床有2 个卡盘。1 个是固定卡盘,另1 个是移动卡盘。移动卡盘的设置使该机床可以加工不同长度的曲轴。机床有2 个刀盘(刀盘1 和刀盘2) 。加工时,2 个刀盘同步切入,同步结束。机床还配有1 个中心架。中心架的纵向移动靠与门架1 藕合,借助Z1 坐标轴而移动。机床共有6个坐标轴。Z1 和Z2 分别用于门架1 和门架2 的纵向移动,实现轴向定位。X1 、Y1 和X2 、Y2 分别用于刀盘1 和刀盘2 的铣削进给。2 控制方案控制方案为采用西门子840D系统的双通道（多通道）功能同时对刀盘1和刀盘2进行控制3 系统硬件构成系统的硬件配置如图2 所示。机床840D 系统采用NCU572. 2 ,配MMC100. 2。驱动采用SIEMENS611D 驱动,电机采用SIEMENS 1FT6 型电机,保留原有系统硬件配置图的HEIDENHAN LS704 测量系统。机械手保留原有的Itramat 驱动器、电机及测量系统,以FMNC 控制。FMNC 通过PROFIBUS 总线与840D 系统连接,并进行通讯。通过PLC 程序处理,机械手的操作与机床同步,轴的控制在机床操作面板进行。4 系统软设计系统软件设计包括PLC 程序设计和NC 程序设计两部分。4. 1 PLC 程序设计PLC 程序设计采用模块化编程,将机床启动条件、PLC 使能信号处理、轴控制、辅助功能、FMNC 与840D 的通讯处理、报警信息等系统及机床功能编制成不同的模块。程序结构合理、层次清晰,方便阅读查找。图2 系统硬件配置图4进程计划 2008年3月4日到3月14日 作毕业设计准备工作，了解课题写开题报告 2008年3月14日到4月5日 做毕业设计的初步工作 2008年4月6日到5月1日 根据设计要求对课题内容进行电气化设计 2008年5月2日到6月1日 基本上完成所以设计任务，准备毕业论文 2008年6月1日到10日 总结毕业设计，写毕业论文 2008年6月15日到20日 论文答辩 5参考文献 1 李诚人. 数控化改造M . 北京:清华大学出版社, 2006. 2 任建平. 现代数控机床故障诊断及维修M . 北京:国防工业出版社, 2005. 3 杨斌. 西门子SINUMER IK 840D数控系统介绍 J .CAD /CAM与制造业信息化, 2004, (6). 4 罗敏 采用双0M 系统控制曲轴内铣 5 石青辉! 王洋! 原泉! 朱永刚 西门子SINUMER IK 840D数控系统在内铣机床改造中的应用 6 孙军1 ,葛新建2 SIEMENS 840D 系统在曲轴内铣机床控制上的应用 7 胡国清 SIEMENS 840D 系统 在多轴多通道数控机床中常用功能的开发应用 8 许石 SINUMER IK 840D数控系统软件及数据结构浅析 9 胡国清 安波 雷尼绍MP10-OMP60 测头系统在西门子840D 中的应用10 李兰春 西门子840D 数控系统双通道、双方式组的应用11 陈袆!王永春!魏明锐 用西门子840D数控系统实现曲轴止推面的磨削加工指导教师意见：签名：日期4湖北汽车工业学院毕业设计（进度报告） 毕 业 设 计（进度报告）题 目：基于840D的曲轴内铣数控系统设计及应用系 别：电气工程系专 业：自动化班 级：XX学生姓名：XX学 号：XX指导教师：XX6一月份进度报告在这个月里，从老师那接到了毕业设计课题。这个课题来自生产的第一线，刚开始有些抽象。在老师的耐心指导下基本了解了本课题的课题要求，开始收集相关资料。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年1月28日二月份进度报告在这个月里，继续收集有关数控机床、数控改造的资料，并认真阅读了相关资料和文献，通过对相关资料和文献的研究，对本课题的背景、来源、内容有了新的认识。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年2月28日三月份进度报告在这个月里，通过对本课题的背景、来源、内容的认识和对相关资料、文献的研究，对系统的方案进行了论证，写出了开题报告。了解了西门子数控系统的功能和特点，进行了数控系统的硬件配置，完成了各部件之间的电气连接。在这个过程中我也遇到了一些问题，很多问题都是以前没有遇到过的。例如资料中的一些参数，需要把它的原理和连接弄清楚，但由于资料中有很多专业词汇以前没有接触过，所以用时不是很明白。指导老师罗老师在这个时候给了我很大的帮助，使得这些问题得以顺利解决。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年3月28日四月份进度报告在这个月里，首先对双通道控制功能进行了解，查阅相关资料对双通道的相关参数进行设置，其次是理解学习带距离编码光栅尺的原理并运用于本课题。在这个设计过程中罗老师给了我很多帮助和建议。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年4月28日五月份进度报告在这个月里，主要学习了STEP7软件进行PLC编程。STEP7软件是一个功能非常全的软件同时里面各个块之间的联系和一些参数的设置又非常烦琐和复杂。同时，在这期间完成了论文的初稿。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年5月28日六月份进度报告这个月主要是对论文初稿的内容进行调整，以使论文在结构上更清晰，根据学校要求的论文格式，进行论文整体上的修改。并且做了答辩用的演示稿。在此期间还查阅资料，写了英文翻译。经过这几个月的学习，自己各方面的能力已经有了很大提高。在设计的过程中也有了很多新的认识，并且个人的能力也有了较大的提高。使我对自己的自学能力有了更深的认识。认识到实践的重要性。 汇报人：T423-4-52 张强 日 期：2008年6月17日 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）题 目：基于 840D 的曲轴内铣数控系统设计及应用系 别： xx专 业： xx班 级：XX学生姓名：XX学 号：XX指导教师：XX学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 20 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 20 年 月 日 导师签名： 20 年 月 日 摘要针对 FKP20 曲轴内铣机床双通道六坐标轴特点，提出了利用 SINUMERIK 840D 双通道系统控制方案。各坐标轴均配置带距离编码光栅尺进行精确定位。通过对双通道功能的相关参数设置，达到同时控制两个刀盘的动作。通过学习STEP7300 的 PLC 编程功能完成 PLC 编程实现坐标轴自动回零操作。经实践证明机床的数控改造取得了成功。关键词：关键词：改造、双通道、光栅尺、STEP7AbstractThis issue focus on the feature which is the dual channel six coordinate axis of the crankshaft milling machine ,presents use the SINUMERIK 840D dual channel system control programme. Each axis configured the coding gratingwith a precise positioning device.Through setting the relevant parameters of the dual channel function ,toachieve simultaneously control the two tool action.Through studing the PLC programming function of the STEP7-300,completed the operation which PLC programming realized coordinate axis automatically returnde to zero。Practice has proved that the transformation of CNC machine tools have been successful.Key words: Retrofit ,Double channel, Diffraction grating ruler, STEP7目录第一章第一章 概论概论.11.1 引言.11.2 课题来源.11.3 课题任务.11.4 国内现状.2第二章第二章 数控系统控制方案及硬件连接数控系统控制方案及硬件连接.42.1 机床概述.42.2 西门子 840D 系统简介.42.2.2SINUMERIK 840D 数控系统硬件结构.62.4 硬件连接及电气原理图.72.5NC 电气连接图.92.8 面板连接图.112.9PLC 配置图.12第三章第三章 双通道控制功能的设计及参数设置双通道控制功能的设计及参数设置.133.1 设计要求.133.2 双通道参数设置.13第四章第四章 坐标轴回中心程序设计坐标轴回中心程序设计.164.1 总体设计思想.164.2 回零顺序.164.3 回零方式.1844 带距离编码光栅尺.184.4.1 原理.184.4.2 应用.194.4.3 控制.204.5 回坐标轴中心时序图.214.5 X1 回零程序设计.21第五章第五章 PLC 程序设计程序设计.255.1 STEP 7 介绍.255.2 PLC 程序结构.265.2.1 组织块和程序结构.285.2.2 循环程序处理.285.2.3 事件驱动的程序处理.295.2.4 用户程序中调用的分层结构.305.3 若干重要信号.32第七章第七章 结论结论.34致谢致谢.36参考文献参考文献.37毕业设计（论文）1第一章 概论1.1 引言数字控制机床（Numerically Controlled Machine Tool）简称数控机床，它是一种以数控技术（Numerical control，简称 NC）为基础的新技术对传统机械制造业渗透而成的一种机电一体化产品。随着科技的迅猛发展，传统手工机床加工已不能满足人们对产品质量的要求，数控机床加工势在必行15。我国现有机床大多数是手工操作，但要淘汰旧机床，全部更新为数控机床，难度较大，因此，对原有机床进行数控化改造就显得尤为重要1.2 课题来源FKP20 系奥地利 GFM 公司生产的最具代表性的曲轴固定式内铣机床，曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。东风康明斯发动机有限公司拥有 2 台 FKP20 曲轴内铣机床,1 台用于主轴颈加工,1 台用于连杆颈加工,曲轴经内铣加工后即进入磨床磨削工序。此 2 台机床经 10 余年的使用后,系统不同程度地出现老化、控制系统故障增多等问题。本课题将针对 FKP20 曲轴内铣数控改造的需要，选用西门子 840D 数控系统构建新型曲轴内铣控制系统。1.3 课题任务1控制方案设计及硬件连接2双通道控制功能的系统组态3带距离编码光栅尺的应用设计4PLC 程序设计毕业设计（论文）21.4 国内现状一、SINUMERIK 840D 数控系统性能SINUMERIK 840D 是西门子公司20 世纪90 年代推出的高性能数控系统。它保持西门子前两代系统SINUMERIK 880 和840C 的三CPU 结构：人机通信C P U（M M C - C P U）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上，NC-CPU 和PLCCP U 合为一体， 合成在N C U（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互独立。S I N U M E R I K840D 主要技术特性如表1 所示。相对于前几代系统，SINUMERIK840D 具有以下几个特点：（1）数字化驱动在SINUMERIK 840D 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。（2）轴控规模大最多可以配31 个轴，其中可配10个主轴。（3）可以实现五轴联动SINUMERIK 840D 可以实现X 、Y、Z、A、B 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。（4）操作系统视窗化SINUMERIK 840D 采用Windows95 作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。（5）软件内容丰富功能强大SINUMERIK 840D 可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start-up）等几大软件功能。（6）具有远程诊断功能如现场用PC 适配器、MODEM 卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D 与异域PC 机通信，完成修改PLC 程序和监控机床状态等远程诊断功能。（7）保护功能健全 SINUMERIK 840D 系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。（8）硬件高度集成化 SINUMERIK 840D 数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。（9）模块化设计 SINUMERIK 840D 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模的诊断及维修等。网络化数控装备是近年来机床发展的一个热点。数控装备的网络化将毕业设计（论文）3极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式，如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点(数控单机、加工中心和数控复合加工机床) 、线( F M C 、FMS、FTL、FML)向面(工段车间独立制造岛、FA)、体(CIMS、分布式网络集成制造系统)的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标，注重加强单元技术的开拓和完善。CNC 单机向高精度、高速度和高柔性方向发展。数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP 及MTS 等联结，向信息集成方向发展。网络系统向开放、集成和智能化方向发展。毕业设计（论文）4第二章 数控系统控制方案及硬件连接2.1 机床概述FKP20 系奥地利GFM 公司生产的曲轴内铣专用机床,曲轴一次装卡可以完成主轴颈或连杆颈的初加工。机床加工精度较高,尺寸稳定,且效率非常高。图2.1机床结构图机床结构示意图如图 2.1 所示。机床有 2 个卡盘。1 个是固定卡盘,另 1 个是移动卡盘。移动卡盘的设置使该机床可以加工不同长度的曲轴。机床有 2 个刀盘(刀盘 1 和刀盘 2) 。加工时,2 个刀盘同步切入,同步结束。机床还配有 1 个中心架。中心架的纵向移动靠与门架 1 藕合,借助Z1 坐标轴而移动。机床共有 6 个坐标轴。Z1 和Z2 分别用于门架 1 和门架 2 的纵向移动,实现轴向定位。X1 、Y1 和X2 、Y2 分别用于刀盘 1 和刀盘 2 的铣削进给。2.2 西门子 840D 系统简介2.2.1 SINUMERIK 840D 数控系统性能SINUMERIK 840D 是西门子公司20 世纪90 年代推出的高性能数控系统。它保持西门子前两代系统SINUMERIK 880 和840C 的三CPU 结构：人机通信C P U（M M C - C P U）、数字控制CPU（NC-CPU）和可编程逻辑控制器CPU（PLC-CPU）。毕业设计（论文）5三部分在功能上既相互分工，又互为支持。在物理结构上，NC-CPU 和PLCCP U 合为一体， 合成在N C U（Numerical Control Unit）中，但在逻辑功能上相互独立。相对于前几代系统，SINUMERIK840D 具有以下几个特点：（1）数字化驱动在SINUMERIK 840D 中，数控和驱动的接口信号是数字量，通过驱动总线接口，挂接各轴驱动模块。（2）轴控规模大最多可以配31 个轴，其中可配10个主轴。（3）可以实现五轴联动SINUMERIK 840D 可以实现X 、Y、Z、A、B 五轴的联动加工，任何三维空间曲面都能加工。（4）操作系统视窗化SINUMERIK 840D 采用Windows95 作为操作平台，使操作简单、灵活，易掌握。（5）软件内容丰富功能强大SINUMERIK 840D 可以实现加工（Machine）、参数设置（Parameter）、服务（Services）、诊断（Diagnosis）及安装启动（Start-up）等几大软件功能。（6）具有远程诊断功能如现场用PC 适配器、MODEM 卡，通过电话线实现SINUMERIK 840D 与异域PC 机通信，完成修改PLC 程序和监控机床状态等远程诊断功能。（7）保护功能健全SINUMERIK 840D 系统软件分为西门子服务级、机床制造厂家级、最终用户级等7个软件保护等级，使系统更加安全可靠。（8）硬件高度集成化SINUMERIK 840D 数控系统采用了大量超大规模集成电路，提高了硬件系统的可靠性。（9）模块化设计SINUMERIK 840D 的软硬件系统根据功能和作用划分为不同的功能模的诊断及维修等。毕业设计（论文）6（10）内装大容量的PLC 系统SINUMERIK 840D 数控系统内装PLC 最大可以配2048 输入和2048 输出，而且采用了Profibus 现场总线和MPI多点接口通信协议，大大减少了现场布线。（11）PC 化SINUMERIK 840D 数控系统是一个基于PC 的数控系统。2.2.2SINUMERIK 840D 数控系统硬件结构1. 数字控制单元NCUNCU（Numerical Control Unit）是SINUMERIK 840D 数控系统的控制中心和信息处理中心，数控系统的直线插补、圆弧插补等轨迹运算和控制、PLC 系统的算术运算和逻辑运算都是由NCU 完成的。在SINUMERIK 840D中，NC-CPU 和PLC-CPU 采用硬件一体化结构，合成在NCU 中。2. 人机通信中央处理单元MMC-CPUM M C - C P U 的主要作用是完成机床与外界及与PLC-CPU、NC-CPU 之间的通信，内带硬盘，用以存储系统程序、参数等。3. 操作员面板OP031操作员面板OP 的作用是：显示数据及图形，提供人机显示界面；编辑、修改程序及参数；实现软功能操作。在S I N U M E R I K 8 4 0 D 中有OP031、OP032、OP032S、OP030 以及P H G 等5 种操作员面板。其中，OP031 是常使用的操作员面板。4. 机床操作面板MCPMCP 的主要作用是完成数控机床的各类硬功能键的操作。主要有以下列6 个硬功能键操作。（1）操作模式键区可选择的操作模式有J O G 、M D 、TEACH IN 和AUTO 等4 种操作模式。（2）轴选择键区实现轴选择，完成轴的点动进给、回参考点和增量进给。（3）自定义键区供用户使用，通过PLC 的数据块实现与系统的联系，完成机床生产厂所要求的毕业设计（论文）7特殊功能。（4）主轴操作区主轴倍率开关，实现主轴转速0150% 倍率修调。主轴起停按钮实现主轴驱动系统的起停，一般控制主轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。（5）进给轴操作区进给轴倍率开关，实现主轴转速0200% 倍率修调。进给轴起停按钮实现进给轴驱动系统的起停，一般控制进给轴驱动系统的脉冲使能和驱动使能。（6）急停按钮实现机床的紧急停车，切断进给轴和主轴的脉冲使能和驱动使能。5. I/RF主电源模块主电源模块主要功能是实现整流和电压提升功能。2.4 硬件连接及电气原理图硬件配置框图见图 2.2。X1、Y1、Z1 由通道 1 控制。X2、Y2、Z2 由通道2 控制。6 个坐标轴配置 5 根海德汉 LS186C 型距离编码光栅尺，构成全闭环控制的伺服轴。其中 Z1 和 Z2 共用 1 根光栅尺，该尺为双读头分别供 Z1 和 Z2 检测位置用。LS186C 型光栅尺读头输出的信号为 1Vpp 正弦波信号，可以与驱动器直接连接，而勿需中间整形放大电路。电源模块NCUX1驱动器X1电机X1轴光栅栅Y1轴光电机Y1动器驱Y1栅Z1光轴电机Z1动器Z1驱模块监控栅栅X2轴光Y2光轴栅Z2轴光电机X2电机Y2动器驱X2动器Y2驱Z2机电Z2驱器动OP010CPLCHHU图 2.2 硬件配置框图毕业设计（论文）8X1/Y1 和 X2/Y2 轴传动系均配有 6/29 减速比的蜗轮蜗杆，电机选用50NM/3000rpm 电机，其中 Y1/Y2 轴电机带内置抱闸。Z1/Z2 伺服电机采用直联，无减速比，电机为 50NM/2000rpm。具体配置如下：1）操作显示单元：OP010C。2）PCU：566MHz，256M RAM。3）操作面板：MCP483C。4）NCU：400MHz，内置 PLC 314-2C-DP。5）输入模块：32 点输入模块（6ES7321-1BL00-0AA0）8 块。6）输出模块：32 点输出模块（6ES7322-1BL00-0AA0）6 块。7）X/Y 伺服电机：50NM，3000rpm 伺服电机 4 台。型号为1FT61058AF711AH1。8）Z 伺服电机：50NM，2000rpm 伺服电机 2 台。型号为1FT61058AC711AH1。9）电源模块：55KW。型号为 6SN11451BA010DA1。10）功率模块：56A 模块 4 个，型号为 6SN11231AA000EA1。28A 模块 2 个，型号为 6SN11231AA000DA1。11）控制模块：6 个，均为双轴模块，型号为 6SN11180DM330AA1。12）手持操作单元 B-MPI：6FX20071AC04。13）手持单元分配盒：6FX20061BC01。2.5NC 电气连接图连接总图如图2.3毕业设计（论文）9电箱照明刀盘电机刀盘电机12CNC功率表空调控制器件主开关开关电源连接总图 1连接总图 2毕业设计（论文）10连接总图 32.6 面板连接图OP010C和PCU50X20MPI cable to MCPX101 840DNCU572.4MPI cable to OPMCPPE0V 24VMPI/DP24V 0V PEPEM-P+HHU分线盒X30V24V X121X10123910X378.11SITOP开关电源20A6FC5203-0AF22-0AA0OP010C:6FC5203-0AF01-0AA0PCU50:6FC5210-0DF21-2AA06FC5357-0BB24-0AA06EP1436-3BA06FX2006-1BC01B-MPI型手持单元6FX2007-1AC04X5X4毕业设计（论文）11图 2.4 面板连接图NCU:840D 中央处理单元，MCP 为机床控制面板，OP010C 和 PCU50 是集合MMC 单元的显示操作单元。2.7PLC 配置图24VPCU50电源插头接至NCU572.4的X111插头0V0V24VPET2S2PEVWP+M-PEL+MIM361I36.0 toI39.7I32.0 to I35.7SM321SM321I44.0 toI47.7I40.0 toI43.7SM321SM321I48.0 toI51.7SM321SM321I52.0 toI55.7I56.0 toI59.7SM321SM321I60.0 toI63.7SM322MPEL+IM361Q64.0 to Q67.7Q68.0 toQ71.7SM322SM322Q72.0 toQ75.7Q76.0 toQ79.7SM322SM322Q80.0 toQ83.7R2UGX2X1X2开关电源20ASITOPIM361:6ES7361-3CA01-0AA0SM321:6ES7321-1BL00-0AA0SM322:6ES7322-1BL00-0AA0图 2.5 PLC 配置图电源模块（PS）：为 PLC 和 NC 提供电源的+24V 和+5V.接口模块（IM）：用于级之间的互连。信号模块（SM）：用于机床 PLC 输入/输出的模块毕业设计（论文）12第三章 双通道控制功能的设计及参数设置由于控制方式是单系统双通道控制，两个通道分别控制刀盘 1 和刀盘 2，这就涉及到对应两个刀盘的双通道设置。3.1 设计要求整台机床（FKP20 系曲轴固定式内铣机床）的坐标轴运动控制和各种动作的顺序控制由壹套西门子 840D 控制器实现。该控制器为双通道配置。通道1（CHAN1）负责左门架 SL1 坐标轴的控制，即 X1、Y1、Z1 坐标轴的控制。通道2（CHAN2）负责右门架 SL2 坐标轴的控制，即 X2、Y2、Z2 坐标轴的控制。左、右门架之 X 坐标轴（X1 和 X2） 、Y 坐标轴（Y1 和 Y2）均为堵转转矩 50NM，额定转速 3000rpm 且带抱闸的交流伺服电机驱动；Z 坐标轴（Z1 和 Z2）为 堵转转矩 50NM，额定转速 2000rpm 且带抱闸的交流伺服电机驱动。3.2 双通道参数设置FKP20 内铣共有 6 个直线轴，按双通道单方式组进行设定。N19100 $ON_NUM_AXES_N_SYSTEM=6；系统中总的轴数N19110 $ON_NUM_IPO_AXES=4；联动轴数N19200 $ON_NUM_CHANNELS=2；系统中的通道数N19220 $ON_NUM_MODE_GROUPS=1；系统中方式组数N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB0=“X1” ；系统中的轴名称N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB1=“Y1” ； N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB2=“Z1” ； N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB3=“X2” ； N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB4=“Y2” ； N10000 $MN_AXCONF_MACHAX_NAME_TAB5=“Z2” ； N10010 $MN_ASSIGN_CHAN_TO_MODE_GROUP0=1；为通道 1 指定方式组毕业设计（论文）13N10010 $MN_ASSIGN_CHAN_TO_MODE_GROUP1=1；为通道 2 指定方式组通道 1 机床数据的设定：N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB0=1；通道 1 中几何轴号N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB1=2； N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB2=3；N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB0=“X1” ；通道 1 中几何轴的名称N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB1=“Y1” ； N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB2=“Z1” ； N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED0=1；系统分配通道 1 的轴号N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED1=2；N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED2=3；N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB0=“X1” ；通道中轴的名称N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB1=“Y1” ；N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB2=“Z1” ；通道 2 机床数据的设定：N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB0=1；通道 2 中几何轴号N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB1=2； N20050 $MC_AXCONF_GEOAX_ASSIGN_TAB2=3；N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB0=“X2” ；通道 2 中几何轴的名称N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB1=“Y2” ； N20060 $MC_AXCONF_GEOAX_NAME_TAB2=“Z2” ； N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED0=4；系统分配通道 2 的轴号N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED1=5；N20070 $MC_AXCONF_MACHAX_USED2=6；N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB0=“X2” ；通道中轴的名称N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB1=“Y2” ；N20080 $MC_AXCONF_CHANAX_NAME_TAB2=“Z2” ；在每个通道中， 都有独立的加工程序。两个通道的程序可以同时启动，也可以分别启动。在程序页面下，选择分别要装载的程序，分别装载在不同的通毕业设计（论文）14道中。例如：通道 1 中装载 CHAN1，通道 2 中装载 CHAN2。在使用基本循环时,每个通道都可以同时或不同时调用相同或不同的基本循环。在每个通道中，有各自的 M 代码、S 代码和 T 代码。不同通道内的各部分动作可以有相同或不同的 M 代码，不同通道内主轴可以相同或不同的转速运转，不同通道内可以执行相同或不同的刀具补偿。在双通道机床中，由于加工工艺的要求，通道间 NC 程序的相互等待。例如：CHAN1N110 WA ITM (1, 1, 2) ;等待通道 1、2 中的第 1 个标志位N300 WA ITM (2, 1, 2) ;等待通道 1、2 中的第 2 个标志位M30CHAN2N200 WA ITM (1, 1, 2) ;等待通道 1、2 中的第 1 个标志位N250 WA ITM (2, 1, 2) ;等待通道 1、2 中的第 2 个标志位M30 通过以上设置就将 FKP20 曲轴内铣机床的 6 根轴：X1,X2,X3,Y1,Y2,Y3 设置在两个通道里，分别是:X1,Y1,Z1 在通道 1 内，X2,Y2,Z2 在通道 2 内。而且两个通道的方式组都为 1，这就保证了两个通道的同步（即两个通道同时处于手动状态或同时处于自动状态） 。与采用两套 FANUC-0MC 系统构建和开发了曲轴连杆颈内铣控制系统在此也就突显出 SINUMERIK 840D 数控系统双通道的优越性，很直接的解决了两个刀盘的同步问题。毕业设计（论文）15第四章 坐标轴回中心程序设计数控装置通电后通常要进行回零操作，这是因为机床断电后就失去了对各坐标位置的记忆。因此，机床开机通电后，必须让各坐标轴回到机床一固定点上，以建立机床坐标系。这一固定点就是机床坐标系的原点或零点，也称参考点。机床回到了参考点位置也就知道了该坐标轴的零点位置，找到所有坐标轴的参考点，CNC 就建立起了机床坐标系。回参考点操作是数控机床操作中最重要的功能环节之一，数控机床的各种刀具补偿、间隙补偿、轴向补偿以及其他精度补偿措施能否正确发挥作用将完全取决于数控机床能否回到正确的零点位置。4.1 总体设计思想本机床结构比较复杂，拥有 2 个刀盘，6 个坐标轴，且分别属于不同的系统。刀盘容易与卡盘、工件等发生碰撞，我们在设计坐标轴回零程序顺序时即要考虑操作方便性同时还得考虑安全性。回零过程中有许多干涉条件，如卡盘、中心架的状态等，若为手动回零太复杂，不易操作，因此设计 XYZ1 和 XYZ2 的回零为自动方式。NC1 和 NC2 各自单独进行回零操作，同时只允许一套系统回零。NC1 在 JOG 方式下，按一下“回零”按钮，XYZ1 三个坐标轴即按设计的顺序逐一回零，XYZ2 回零过程同XYZ1 一样。4.2 回零顺序XYZ1 前必须具备一定的条件，首先 XYZ1 与 XYZ2 回零起始位置均必须在其基本位置；其次回零过程中应没有安装曲轴安装在机床上，此时中心架处于张开并藕合状态、卡盘无轴闭合；此外还必须处于移动卡盘锁紧、机床移动允许、毕业设计（论文）16非换刀过程等状态下才能进行回零操作。其回零顺序流程图如下：开始Z1 正向移动至不与固定卡盘发生干涉区域中心架解耦并锁紧X1 回零点Y1 回零点中心架解耦判断 SL1 回零条件是否满足结束Z1 回零点判断 SL2 回零条件是否满足Z2 正向移动至不与固定卡盘发生干涉区域X2 回零点Y2 回零点Z2 回零点否是否是毕业设计（论文）17图 4.1 回零流程图4.3 回零方式回零的方式因数控系统类型和机床生产厂家而异。目前，数控机床的回零方式根据采用的检测装置和检测方法可分为两种：一种是使用磁感应开关的磁开关法，另一种是使用脉冲编码器或光栅尺的栅格法。磁开关法回零是在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关，当磁感应原点开关检测到原点信号后，伺服电机立即停止，该方法由于存在定位漂移现象，较少使用。现在广泛使用的是栅格法，根据检测元件的计量方式的不同又可分为绝对栅格法回零和增量栅格法零。采用绝对栅格法回零的数控机床，在有后备存储器电池支持下，只需在机床第一次开机调试时进行回零操作调整，以后每次开机均记录有零点位置信息因而不必再进行回零操作，而增量栅格法回零则每次开机均必须进行回零操作。在栅格法中，检测器随着电机一转信号同时产生一个栅点或一个零位脉冲，在机械本体上安装一个减速撞块及一个减速开关后，数控系统检测到的第一个栅点或零位信号即为原点。栅格法回零的特点是如果接近原点速度小于某一固定值，则伺服电机总是停止于同一点，也就是说，在进行回原点操作后，机床原点的保持性好。本机床采用的是增量栅格法回零。光栅尺选用 HEIDENHAIN 产品。Z1 轴、Z2 轴共用一根 1840mm 的光栅尺，双参考点，双读数头。X1、X2、Y1、Y2 轴各用一根 540mm 的光栅尺，单读数头。光栅尺带气动接口，增加三套 HEIDENHAIN制造的 DA300 气动回路。光栅面朝下，读数头朝上。更换五个光栅尺防护罩，密封口向下。当光栅尺污染后，应有报警提示。下面对带距离编码光栅尺进行简单介绍。4.4 带距离编码光栅尺4.4.1 原理带距离编码参考点标志的线性测量系统的原理是采用包括一个标准的线性栅毕业设计（论文）18格标志和与此平行的另一个带距离编码参考点标志通道，每组两个参考点标志的间距是相同的，但两组之间两个相邻参考点标志的距离是变化的，每一段的距离加上一个固定的值，因此数控轴可以根据距离来确定其所处的绝对位置，如图4.3图4.2 带距离编码光栅尺测量系统结构原理图例如从A点移动到C 点，中间经过B 点，系统检测到10.02mm 就知道轴现在是在哪一个参考点位置。同样从B点移动到D 点，中间经过C点，系统从C点到D 点的距离是10.04 就知道轴现在是在哪一个参考点位置。所以只要轴任意移动超过两个参考点距离（20mm），就能得到机床的绝对位置。4.4.2 应用SIEMENS/840D/FM-NC 数控系统已经为此功能准备了一些设定参数，下面对这些参数的设定作简单的介绍。4.4.2.1参数设定（1）34200ENC_REFP_MODE1：=3（Distance-code reference marks）光栅尺使用类型：选择了带距离编码参考点标志的直线光栅尺。（2）34300ENC_REFP_MARKER_DIST1=20mm(Reference mark distance for distance-code scales)直线光栅尺标准参考点标志栅格间距（20mm）。（3）34060 REFP_MAX_MARKER_DIST1=40mm(Max.distance to 2 rdferdnce marks for distance_coded measuring systems)返回参考点最大移动距离=2倍直线光栅尺标准参考点标志栅格间距。（4）34000 REFP_CAM_IS_ACTIVE=0(Axis with reference piont cam)毕业设计（论文）19不使用进给轴返回参考点凸轮，即不用返回参考点减速开关信号（DB31.DBX12.7）。（5）34090 REFP_MOVE_DIST_CORR1=X X X （Reference point offset/absolute distance_coded off_set）返回参考点偏移值，即数控轴的基准点偏移值。（6）34310 ENC_MARKER_ING1：=0.020(Iinterval betweem reference marks for disance_coded scales)光栅尺信号节距（20m）。4.4.3 控制首先选择手动返回参考点方式（RFE.）。(1)找到参考点标志 选择进给轴点动按钮，如+X/-X，这时PLC_NCK 接DB31.DBX4.6/DB31.DBX4.7=”1”。数控轴将以MD34040（ 参考点爬行速度）所设定的速度搜索参考点标志。如果机床移动了参数MD34060设定的距离而还没有找到参考点，轴将自动停止，系统将发出“20003测量系统错误”的报警。如果机床移动了参数MD34300 设定的距离，但数控系统没有找到两个变距离的参考点标志，轴将自动停止，并发出“20004 缺少参考点标志”的报警。（2）确认机床绝对位置 由于2 个参考点标志之间的距离是可变的，这样系统就可以准确地识别轴所处在的是哪一个参考点并计算出实际位置。但这个位置可能并不一定是你所需的机床基准点值，所以还必须有一个基准点偏移参数来参与计算。MD34090就可以完成这一步。实际上MD34090 中设定的值就是测量系统中的第一个参考点到机床基准点的距离。光栅尺与机床坐标系统一致，即线性测量系统的第一个参考点标志靠近机床的基准点，（ 由MD34320来设定方向）绝对偏移; 实际位置X 线性测量系统的实际位置。如果光栅尺与机床坐标系统不一致，即线性测量系统的最后一个参考点标志靠近机床的基准点，则绝对偏移=实际位置- 线性测量系统的实际位置。综上所述，从整个回零过程中光栅尺起到了很大的作用，对整个机床的性能也有了很毕业设计（论文）20大的提高，首先光栅尺在回零过程中起到了精确定位的作用，再者就是缩短了回零时间，因为带距离编码光栅尺在最长距离40mm内就可以检测出当前位置。4.5 回坐标轴中心时序图在回零过程中分两个步骤，第一步是由 XY 在带距离编码光栅尺的作用下找到参考坐标点，第二步是由参考坐标点返回中心。X1 回零点时序图如图 4.4Phase1Phase2DB31,.DBX60.4 and 60.5DB31,.DBX4.7 and 4.6VT线性测量系统图 4.3 X1 回零点时序图DB31，DBX4.7and4.6 为 X1 轴正向移动。DB31，DBX60.4and60.5 为 X1 轴负向移动。线性测量系统即为带距离编码光栅尺的测量。Y1，X2，Y2 轴回零的时序图跟 X1 轴类似。4.5 X1 回零程序设计顺序：1) Z1 正向移动，直至 XY1 不与固定卡盘发生干涉的区域。2) 解藕并锁紧中心架。毕业设计（论文）213) X1 回零点。4) Y1 回零点。5) 藕合中心架。6) Z1 负向回零。XYZ2 回零条件同 XYZ1 回零相似，它的回零条件有：XYZ1 在基本位置、中心架张开、中心架藕合、卡盘无轴闭合、XY2 基本位置、移动卡盘锁紧、机床移动允许、非换刀过程等。其回零顺序如下：1) Z2 负向移动，直至 XY2 不与移动卡盘发生干涉的区域。2) X2 回零点，即 X2 基本位置。3) Y2 回零点，即 Y2 基本位置。4) Z2 正向回零。X1 回零程序如图:毕业设计（论文）22预选无轴两卡盘闭合中心架张开中心架耦合允许启动回零换刀盘1换刀盘1结束换刀结束 卡盘锁紧刀盘回中心机床允许移动允许回零X1低速Y1低速使能回零轴回零XY1BP预选无轴SL1回零预选无轴毕业设计（论文）23毕业设计（论文）24X1回中心Y1BPX1+到BP ONX1回BP其中 T59 和 T127 计数器的相关参数都进行了重设，T59 改为 1S，T127 的设为800MS。毕业设计（论文）25第五章 PLC 程序设计由于在本次的数控系统改造中采用的是西门子 840D 系统，该系统在 PLC 程序设计时采用的是自带的 STEP7 进行编程（在上一章中坐标轴的自动回零程序中就是用 STEP7 进行编程） 。5.1 STEP 7 介绍西门子 STEP7 是用于 SIMATIC S7-300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。 PCD1 和 PCD2 Saia-PCD 控制设备也可以用 Siemens Step7 来编程。使用Step7 编程可以在 Saia PCD 上实现某些集成在 Step7 内的功能.不只是兼容 在常规功能之外还具备以下的特点:（1） DK 3964 R/RK 512 等标准协议已经集成到控制器内，不需要额外驱动。 （2） MPI 接口 （3） 集成 modem 支持: 内置 modem 功能，可进行远程编程、诊断或数据传输 。（4）编程不需 MPI 转换器，直接通过 PC 上的 RS232 口。 （5）现场总线通讯功能. 控制器功能中已集成了 Profibus DP Master / Slave, Profibus FMS 和 LONWorks. （6）利用 web server 进行监控. 储存 HTML 网页、图片、PDF 文件等到控制器里供通用浏览器查看。 （7）扩展操作系统功能 如保护技术秘密，防止被非法查看或复制。 用 Siemens 原装 Step7 编程 直接运行 Step7 程序，毋需转换 兼容普遍使用的编程环境，使用熟悉的编程测试功能 用 STL, LAD, FBD 编程 使用Siemens 工程工具，监视修改变量，程序状态等 相同指令集 (Siemens S7-300 和 S7-400 系列) 一些特殊功能，如 串口通讯、计数等可在系统功能 (SFCs)中毕业设计（论文）26编辑。5.2 PLC 程序结构SINUMERIK 840D的PLC为S7基本模块有64KB内存配置，并可扩展到96KB，PLC程序又可划分为基本程序和用户程序，其组成结构如图5.1毕业设计（论文）27OB 100再启动启动用户程序循环处理基本程序OB1NCK 方式组通道轴辅助 G 功能分配器，M译码器M，S，F 分配器用户程序刀具管理并行轴 ASUP等错误和操作信息机床操作面板刀具管理处理报警基本程序处理报警G 组分配器用户程序FB 1FC 2FC 6FC（15/16/9）FC 10FC 19/25FC 8/22OB 40FC 3图5.1组成结构图毕业设计（论文）28在 S7 用户程序中有几种不同类型的块可以使用见表 5.1 块：表 5.1 块块块功能的简要描述功能的简要描述参考参考组织块（OB）OB 决定用户程序的结构组织块和程序结构系统功能块（SFB）系统功能（SFC）SFB和SFC集成在S7 CPU中可以让你访问一些重要的系统功能系统功能块（SFB）和 系统功能（SFC）功能块（FB）FB是带有“存储区域”的块，你可以自己编程这个存储区域功能块（FB）功能（FC）FC 中包含经常使用的功能的例行程序功能（FC）背景数据块（背景DB）当一个FB/SFB被调用时，背景DB与该块相关联，它们可在编译过程中自动生成背景数据块数据块（DB）DB是用于存储用户数据的数据区域，除了指定给一个功能块的数据，还可以定义可以被任何块使用的共享数据共享数据块（DB）OB、FB、SFB、FC 和 SFC 都包含部分程序，因此也称作逻辑块，而背景DB 和 DB 则称为数据块。5.2.1 组织块和程序结构组织块（OB）是操作系统和用户程序之间的接口。它们由操作系统调用并控制循环和中断驱动的程序的执行以及可编程控制器如何启动。它们还处理对错误的响应。通过编程组织块，可以指定CPU的动作。5.2.2 循环程序处理循环程序处理是可编程控制器上程序执行的“普通”类型，这意味着操作系毕业设计（论文）29统在程序环（循环）中运行，并且在主程序的每一个环中调用一次组织块OB1。OB1中的用户程序因此也被循环执行如图。电源上电循环主程序操作系统用户程序图 5.2 循环程序处理5.2.3 事件驱动的程序处理循环程序处理可以被某些事件中断。如果一个事件出现，当前正在执行的块在语句边界被中断，并且另一个被分配给特定事件的组织块被调用。一旦该组织块执行结束，循环程序将从断点处继续执行如图5.3。毕业设计（论文）30电源上电循环主程序操作系统用户程序中断程序错误处理中断错误启动程序中断中断图5.3事件驱动的程序处理这意味着部分用户程序可以不必循环处理，只在需要时处理。用户程序可以分割为“子程序”，分布在不同的组织块中。如果用户程序是对一个重要信号的响应，这个信号出现的次数相对较少（例如，用于测量罐中液位的一个限位传感器报警达到了最大上限），当这个信号出现时，要处理的子程序就可以放在一个事件驱动处理的OB中。5.2.4 用户程序中调用的分层结构5.2.4.1 顺序和嵌套深度块调用的顺序和嵌套深度即是所谓的调用分层结构。可以嵌套调用的块的数量（嵌套深度）依据特定的CPU而定。下图所示为一个循环周期内块调用的顺序和嵌套深度。毕业设计（论文）31操作系统OB1FB1FC1FB2FB1SFC1FC1DB1嵌套深度嵌套深度循环开始背景 DB1背景 DB2背景 DB1图 5.4 嵌套深度创建块的一套顺序： 创建块应从上到下，所以应从最上行的块开始。 每个被调用的块应已经存在，即在块的一行中应按从右向左的顺序创建它们。 最后创建的块是 OB1。5.2.4.2 块调用下图所示是在一个用户程序中块调用的顺序。程序调用第二个块，这个块的指令则完全被执行。一旦第二个块或者说这个被调用的块执行结束，由于执行调用指令而被中断的块的执行，将从块调用指令后面继续。毕业设计（论文）32程序执行调用块（OB、FB、FC）被调用块（OB、FC、SFB、SFC）程序执行调用其它块指令块结束图 5.5 块调用5.3 若干重要信号急停： DB10.DBX56.1;DB10.DBX56.2;DB10.DBX106.1与急停有关的信号：DB10.DBX56.1 急停输入（PLCNC）DB10.DBX56.2 急停确认（PLCNC）DB10.DBX106.1 急停有效（PLCNC）它们之间的时序图如下：急停输