CW6163系列普床改数控机床的PLC编程.doc

CW6163系列普床改数控机床的PLC编程/) Bk r/ 目录 Fg$;p F|3Te?_ 引 言 4 e/JbRbZX 第一章 概述 5 dl:;a- 1.1 数控系统的简介 5 F8mS5oB| 1.1.1数控系统发展简史及趋势 5 p A7& 1.1.2数控（NC）阶段 5 PNYLqj 1.2.3计算机数控（CNC）阶段 5 &SuWmtq 1.2 PLC简介 6 ,Z*&QR 1.2.1 PLC定义 6 .Qk T-12 1.2.2PLC的结构与组成 6 DCr&%)Ll 1.2.3PLC的工作原理 6 oS3q 1.3 PLC和NC的关系 6 Gy 0 m 第二章 CK6163数控机床的整体设计 7 B!vSBq 2.1 CK6163的总体结构介绍 7 RlW0U-%u 2.2数控机床的整体设计 7 % #Dwo 第三章 数控系统选用 8 #oy1rN 3.1开环步进伺服系统： 8 -u+5K;Y 3.2闭环数控系统： 8 , S 3.3半闭环数控系统： 9 mvPbZ0,= 4.5 . 刀台电机 15 bmNDC 第五章 数控机床的逻辑控制 16 mVl&K= 5.1 启动时PLC程序设计： 16 lwSZ pS 5.2、主轴的逻辑控制 17 GVONluyU 5.2.1、主轴变速过程如下： 17 60TsFobT 5.2.2主轴速度控制S功能 17 g)Tr# 5.2.3.主轴正转、反转、停止功能 17 Cg8s9qE? 5.3变频器的逻辑控制 18 fzdWM:g 5.4刀台控制 20 gf ?_tB0C 5.5润滑系统的PLC 22 $xU)t&Df 5.5.1润滑系统的控制顺序简介 22 Q m 5.5.2滑系统的故障监控 22 5iWBa 5.5.3 润滑系统的PLC控制梯形图 23 drQIsPp 结论 24 29HyeLB 致谢 25 $L4h(s 参考文献 26 sN+VS 附件 27 JKzfgOd$ :wGa8tZ 5xK&wR* K=Z.f /E-s g, k +af)4 W)t7q+ VfFbZds8f pC2#_ CW6163系列普床改数控机床的PLC编程 DB+oCE6 ) =ymyIFKwFwT4D Abstract This paper mainly is that the traditional CW6163 lathe electricity control system is reformed the numerical control the open-loop control system. After the reform system is take the monolithic integrated circuit system as the control module, Take step-by-steps the electrical machinery as the actuation functional element. Realizes the X axis and the Z axis two coordinates linkage are as well as to the cutting tool automatic selection. At the same time can carry on the straight line and the circular arc inserts makes up. After installs the work piece, completed the processing procedure. Through the preparation of different procedures to complete all the more complicated parts of the processing KnK A new numerical control lathe should reach in the design: There is high quiet dynamic rigidity; the coefficient of friction between the vice sport is little, the transmission has no interval; the power is large; Easy to operate and maintenance. Lathe numerical control should try ones best and reach and require while being above-mentioned when the transformation. Cant think and link numerical control device and ordinary lathe together and reach numerical control request of lathe, Also should carry on to main part corresponding transformation enable theirs reaching certain designing requirement, Purpose of transforming that could be expected. :wN !E0j This paper introduced a CW6163 alteration method of numerical control lathe. This alteration leads the machining precision sharply improved. This positioning is precise and reliable , and the manipulation is convenient, finally the price is much cheaper. This method is worthy to popularize for reference. The transformation of the main response to the lathe spindle system, cutting tool system, the feed system and the feedback link, electrical control cabinet and the NC system is revamped; the method is simple, transforming operational steps to facilitate their implementation. Moreover has grasped some charting software the and so on CAM, CAD application and the paper composes the form，This paper for me four years of university study in a comprehensive summation. 0OQ*Vf Key Words CNC machine tools converter CNC PLC numerical control system T:Ovh.$ hu1ZckIw? 引 言 x). +jK-k_ 由于市场竞争日趋激烈，产品更新极为迅速。随着重工业业以及轻工消费品生产的高速增长，中小批量零件的生产及复杂零件越来越多，精度要求也越来越高，这就要求加工设备具有很高的效率和加工精度。而传统的普通机床已远远不能满足现代生产的需要。 ?3 k_YN 随着现代计算机技术和自动控制的飞速发展，信息处理功能不断提高，而价格不断降低。这使得计算机在机械制造行业得以广泛的应用。以数控技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术有机地结合在一起，构成高度信息化、高柔性、高度自动化的制造系统。微机控制的数控机床以其高精度、高柔性及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争的需要。计算机数控系统，简称CNC，可根据不同的指令进行不同方式的信息处理。由于计算机可完全由软件来确定数字信息的处理过程，从而使机床具有真正的柔性，并可以处理硬件逻辑电路难以处理的复杂信息，使机床控制系统的性能和可靠性大大提高。 2P)O 0j/ 以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平反映了一个国家的机械与电子水平。它的推广应用对于提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况起着极为重要的作用。 f0j!g 本文主要是将传统的CW6163车床的电气控制系统改造成为数字控制的开环控制系统。改造后的系统是以单片机系统为控制模块，以步进电机为驱动执行元件。实现X轴和Z轴的两坐标联动以及对刀具的自动选取。同时能够进行直线和圆弧的插补；工件在一次安装后，完成多道工序的加工，通过编写不同的程序完成各种较为复杂零件的加工。 A)V*faD 数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙、功率大、便于操作和维修，机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的。 Goc?HR K!.ts.t 6 Bdxdx*zt Rw%?X3m J-&Ib 第一章 概述 -4sKBb 5hLWA B 1.1 数控系统的简介 IsE3-X| 1.1.1数控系统发展简史及趋势 VQ| Q 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。 GT)7VFrL 1.1.2数控（NC）阶段（19521970年） +:-xV 早期计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路搭成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（Hard-wired NC），简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代-电子管；1959年的第二代-晶体管；1965年的第三代-小规模集成电路。 p&/m 1.2.3计算机数控（CNC）阶段（1970年现在） W h9L!5 到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的通用两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（Microprocessor），又可称为中央处理单元（简称CPU）。 Ucj_6&Tqs 到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。 JJ ? (1)每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信号进行刷新。 XdCP!iq*8 (2)输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 5uQ+*xN% (3)一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 XH(=/_ (4)元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 . k 6Q (5)扫描周期的长短由三条决定。 CPU执行指令的速度 指令本身占有的时间 指令条数 LrZ1wV6 1.3 PLC和NC的关系 O)vGIp?ft PLC用于通用设备的自动控制，称为可编程控制器。PLC用于数控机床的外围辅助电气的控制，称为可编程序机床控制器。因此，在很多数控系统中将其称之为PMC（programmable machine tool controller）。数控系统有两大部分，一是NC、二是PLC，这两者在数控机床所起的作用范围是不相同的。可以这样来划分NC和PLC的作用范围： F*2) (1)实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制。这个任务是由NC来完成； Q&r. wV| (2)机床辅助设备的控制是由PLC来完成。它是在数控机床运行过程中，根据CNC内 axgn 部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。 7gjq0 在数控机床中这两种控制任务，是密不可分的，它们按照上面的原则进行了分工，同时也按照一定的方式进行连接。NC和PLC的接口方式遵循国际标准“ISSO 4336-1981(E)机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型： 8tF.QjR| (1)与驱动命令有关的连接电路； jdJTOT (2)数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路； 9!X3Cv|+L (3)电源及保护电路； U$gR8e (4)通断信号及代码信号连接电路； u9 ?O44 )TiM 第二章 CK6163数控机床的整体设计 * rlV E tlp,HxlP 2.1 CK6163的总体结构介绍 kHhp; 本机床包括床身、主轴箱、床鞍、Z向进给、尾座等几大部分；底座为分体式结构，刚性足工艺性好；机床纵向和横向导轨滑动副采用TSF贴塑对淬硬磨削导轨配合，摩擦系数小，动、静摩擦系数之差不大，使之具有良好的耐磨性及可靠的伺服性；滑动面及滚珠丝杠副采用集中自动润滑系统，确保了各重要部件都能工作在良好的润滑状态之下；自动刀架为立式四工位，免抬起，换刀快速方便；卡盘为手动也可选用电动卡盘或液压卡盘；尾座为液压尾座；采用半防护装置，装卸工件方便，操作面板可根据需要很方便地调整位置。 .8s-)I 2.2数控机床的整体设计 -)(=|,Pq/ a、采用单片微机为主控CPU，具有直线和圆弧插补、代码编程、刀具补偿和间隙补偿功能、数码管二坐标同时显示、自动转位刀架控制、螺纹加工等控制功能。 wBlQmW7J b、配有步进电机驱动系统，脉冲当量或控制精度一般为：Z为0.01mm，X向为0.005mm（要与相应导程的丝杠相配套）。 V4jMx c、加工程序从面板按键输入，代码编制，电自动保护存储器存储；可以对程序进行现场编辑修改和试运行操作。 %:v.AG d、具有单步或连续执行程序、循环执行程序、机械极限位置自动限位、超程的报警，以及进给速度程序自动终止等各类数控基本功能 F+AA 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。（1）数控系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统、连续控制系统。由于CW6163要求车床加工复杂轮廓零件，所以本微机数控系统采用两轴联动连续控制系统。 （2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （3）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能,有了硬件，软件才能有效地运行。 7mYcO35 _KzF 第三章 数控系统选用 w*XM*yJHU Ia1H 市场上系统厂家很多，性能大同小异。按控制环路分有开环、闭环和半闭环系统。 bgBvzV&8 3.1开环步进伺服系统： dQqA(m 此类数控系统以其价格低廉、维修相对简单的优点在市场上得到广泛的应用。由于其存在驱动力矩小、无位置反馈、精度低等原因而退出数控系统的主流地位。在我国，经济型数控机床一般采用此类系统。系统分辨率0.01。系统结构如图3.1下： *B!OxCI.L dGH i :wxm3f wQ:x&Z /_QldL_ 图3.1 开环步进伺服系统 %!Eh9C * 3.2闭环数控系统： %TN$ 此类数控系统装有位置反馈元件，插补指令值与反馈值进行比较，根据其差值进行误差修正。闭环系统可以消除机械传动部分的误差给加工精度带来的影响，可以达到很高的精度。但是由于机械误差的非线性很容易造成系统的不稳定，使系统的设计调整相对困难。其主要应用于精度要求很高的超精机床。控制结构示意图如图3.2下： 0(+uo6p1 -Sercar b X38=.up TO Xkt j 图3.2闭环数控系统 .CEC g*f Jh.+k|_ 3.3半闭环数控系统： K3:z5j.X 半闭环控制方式其闭环环路短，位置反馈元件安装在伺服电机轴端或丝杠端部，用于精确控制电机的角度和速度，然后通过精密滚珠丝杠等机械传动结构实现直线位移。因此可获得稳定的控制特性，达到较高的位置增益而不产生振荡。传动链上有规律的误差可以达到补偿，如螺距及间隙误差等。因此半闭环控制得到广泛的应用。系统分辨率0.001。控制结构示意图如图3.3下： K #$W Na oOgZ? *.w6 = W 当按SB2时，接触器KM1的线圈获得电动作，同时KM1的常开触点闭合，KM3和KT得电，KM1和 KM3主触点闭合时电机M1星形正转降压启动，当KT延时约3-5S时，KT延时常闭触点断开使KM3失电，其星形接法主触点断开；KT延时常开触点闭合使KM2得电，其主触点闭合，电机M1从星形转换为三角形运行。同理，按SB1时，电机M1反转（星形三角形启动）。 G $*=9 根据以上机床主电路继电控制要求分析，系统共需开关量输入点5个，开关量输出点4个，考虑系统的经济性和技术指标，拟选用三菱公司的微型机FX2n16MR机型，该机基本单元有8点输入，8点输 出，完全能满足控制要求。输入/输出信号地址分配如表4.1表4.2。 9BOn8p;yz 表4.1 输入信号地址分配表表 表4.2 输出信号地址分配表 u$nmndg 名称 外接器件 地址 (Y;U(n 正转（ 启动） SB2 X000 8$JJI( bH 反转 SB1 X001 b&ri:AC 过载保护 FR1 X002 Tl_o+jj 过程保护 FR2 X003 Vd.XZ*r* 停止 SB X004 |U5u_ 名称 外接器件 地址 &% (1?u 继电器 KM1 Y000 =Oxy 继电器 KM2 Y001 01aw+o 继电器 KM3 Y002 VN sz 继电器 KM4 Y003 b5|l8+ 0 0 1 2 vRIV? 0 1 0 3 znJ 0 1 1 4 l|XPv 1 0 0 5 UX8,8O 1 0 1 6 RJI*ZNb A 1 1 0 7 /waZ9 1 1 1 8 0#K B.2AP 第3加速度 第2加速度 加减速时间编号 w0jq U6 0 0 1 6.+y1yS) 0 1 2 .el_pg 1 0 3 62LQUl=f 选择三菱公司的PLC，图4.5所示为润滑控制系统的PLC控制电路图，各图形符号的说明如下： .Dlv_kp M1、M2、M18、M2、CNC装置信号电缆插座 ，括号内的数字为插脚编号。 )2 k6 0X-2).n u &;skB. D6oby*_w 图4.5 润滑控制系统的PLC控制电路 Mf1D&A *! /#39 4.3.3润滑系统控制顺序方框图（见图4.6） /#=J*m_ 图4.6控制顺序方框图 3 4.4、 冷却电机控制 _? hN8. 三相电源经断路器QF4、KM3接入冷却电机。通过机床操作面板冷却启停开关和M08、M09指令可对冷却电机的启停进行控制。 =eoxT 4.5 . 刀台电机 FxX3Pq8h 三相电源经断路器QF5、KM4、KM5接入刀台电机。KM4控制刀台电机正转，KM5控制刀台电机反转。 IR8&4qOs 具体电路及接线图详见附图： g0OS B/hHkOoo 第五章 数控机床的逻辑控制 :*?Ac ? EvT7u 5.1 启动时PLC程序设计： *m wIn 当按SB1时， X000的常开触点闭合，Y000、Y003和T0得电，接触器KM1的线圈获得电动作，同时KM1和 KM4主触点闭合时电机M1星形正转降压启动，当T0延时约35S时，T0延时常闭触点断开使KM4失电，其星形接法主触点断开；T0延时常开触点闭合使KM3得电，其主触点闭合，电机M1从星形转换为三角形运行。同理，按SB1时，X001的常开触点闭合, 接触器KM2的线圈获得电动作,电机M1反转（星形三角形启动）。根据以上要求编制PLC控制梯形图（图5.1）及由梯形图写出PLC控制指令程序。 SvPJQr4 P LD X000 DjzBG*f/ OR Y000 $SEkYdt ANI Y001 OMq;|7m AND X002 LA V qJ AND X003 5JNXo,H AND X004 c_bVF Bz OUT Y000 L#8+OJ.L LD X001 T|s0qQi OR Y001 k#- 6evT ANI Y000 _| AND X002 x|NG,GznGKu MPS y|ET7 ANI Y002 图5.1 电动机启动PLC梯形 .i+* #djx OUT TO D!RE-w92X K30 .S&M/$ MRO l7OB L LD TO MPP Be/2jU% OR Y002 ANI TO *t.q m5h ANB ANI Y002 |M0,AS ANI Y003 OUT Y003 ,!I?)hwOC OUT Y002 END |R_-U Vd%v_Ek $Ns,ts(ng 5.2、主轴的逻辑控制 5iQmZ 本机床采用四段无级变速，利用M接口实现主轴机械分段换档，利用S接口实现速度控制。根据ISO M功能代码的表述，用M41、M42、M43、M44分别代表105-35 268-89.3 592.5-197.5 1500-500四个机械档位。则其控制流程如下： !/j,hO4Z4 5.2.1、主轴变速过程如下： +N76BX 输入M41(M42、M43、M44),主轴在变频电机的带动下低速正反摆动,此时对应的换档油缸得电推动变速齿轮进行换档。当变速油缸上方的接近开关给出齿轮到位信号后，换档结束。输入M03、S100主轴即以100r/min的速度正转，输入M04、S150主轴即以150r/min的速度反转，输入M05主轴停。 &aAg 5.2.2主轴速度控制S功能 74dW. 通过数控系统的模拟量接口来完成。其输出与主轴速度相对应的10V 到10V或10V连续可调模拟量，与变频器结合实现主轴速度的控制。 J7BFk ?= 5.2.3.主轴正转、反转、停止功能 MAmh 使用M功能的M03、M04、M05代码来实现。执行M03、M04、M05指令时，CNC通知PLC来完成M代码的译码工作，相应的输出口动作通 图5.2主轴控制 知变频器控制电机实现正转、反转、停止。 MpO RGd M03指令 PLC译码 正转继电器吸合 变频器正转使能接通 返回M03指令结束信号，如上图5.2。 ZFS7 : 5.3变频器的逻辑控制 n /QfdAg 设定加/减基准频率为50Hz设定1、2、4号加减速时间分别为20s、10s、5s,加减速梯度分别为2.5Hz/s、5 Hz/s、z/s。02s时间设第1加速时间，24s设第4加速时间，48设第2加速时间，2023s设第4加速时间，2324s为第4减速时间。 qib 7Zj 用变频器JOG、2速、3速三个输入控制8挡频率，设定其中2、3、5、7号转速的频率分别为10 Hz/s、15 Hz/s、25 Hz/s、35 Hz/s。根据控制设计梯形图（图5.3） U6 ? V-*NT8 图5.3变频器的PLC控制 *jjMyn 变频器的PLC编程 N3V5cab LD M8002 SET Y0 sU4B LD X3 SET Y4 mN;+TN? SET S20 LD T0 tFv STL S22 fX9HUCz OUT T2 VfSj E.| K40 /7DMF LD T2 Y- )x Tn SET S23 NNyXh$ STL S23 IXpc,l OUT T3 xE|p K40 I9?Ec6a_ RST Y3 ,yc0 2 LD T3 cA)XpQ:+W SET S24 ) ;FS7R STL S24 SI Jpkv OUT Y3 +s+7C RST Y5 aNxAZMg LD X5 AfbJ9oH=S6 SET S26 T*g:# 4 STL S26 d?wc*N3 OUT Y1 jhu07HX_ OUT Y2 AMAa SET S27 Hso|e?Z LD X5 7xRl9 OUT T4 *Kdda J+ STL S27 8YC_3Yi% K10 hxQq