转塔冲床数控系统设计说明书

济南大学毕业设计- 1 -目录目录 .11 前言 .21.1 设计的目的和意义 .21.2 国内外现状 .21.3 设计的内容 .21.3.1 设计的要求 .32 总体方案设计 .42.1 功能与性能要求分析 .42.2 设计方案比较、分析与确定 .42.2.1 转塔冲床的分类 .42.2.2 转塔冲床数控系统控制的分类 .43 控制系统硬件设计 .63.1 控制系统功能和要求分析 .63.2 控制系统的组成 .63.2.1 控制面板的设计 .63.2.2 控制电路的设计 .73.3 各组成部分的设计 .83.3.1 选型理由 .83.3.2 设计结果 .93.4 总体硬件电路 .103.4.1 总体电源设计 .103.4.2 总体运动控制电路设计 .114 控制系统软件设计 .124.1 软件实现的功能 .124.2 主要功能模块设计的流程图（源代码） .124.2.1 控制面板功能设计： .124.2.2 系统主界面设计： .134.2.2 各功能模块的设计： .155 结 论 .1济南大学毕业设计- 2 -1 前言1.1 设计的目的和意义设计的目的是根据转塔冲床工作的需要，完成其数控系统的开发，包括数控系统的电气系统的设计、控制软件的开发等。控制系统完成后，通过现场的调试和实验，能达到正确控制机床动作的目的，并能满足转塔冲床加工速度及精度的要求。设计的意义是虽然国内有许多公司生产冲床，但其价格昂贵，且其数控系统基本上依赖与进口。同时，国内外成熟的基于 PC 的数控冲床系统并不多见，人交互面板不是专用的，所以功能较差，且多数系统精度达不到要求，为了设计出人性化的控制面板、降低生产成本、达到生产精度的要求，因此，开发符合生产需求的数控转塔冲床具有重要的现实意义和广阔的应用前景。1.2 国内外现状随着机床业的不断发展，冲床也经历了一个发展历程，从 1933 年的第一台常规电控的简易型冲模回转头到 1955 年的第一台 NC 数控转塔冲床，转塔冲床开始了一个新纪元，随着 1970 年第一台 CNC 数控转塔冲床的问世，转塔冲床进入了一个高速发展的时期，随着对加工零件精度的要求越来越苛刻，数控冲床的功能也逐渐增强，性能也不断提高，以满足发展需求。当前，随着数控技术和汽车行业的不断发展，数控转塔冲床也越来越广泛的被使用，随着柔性系统的提出与快速应用于机床行业，数控冲床也向着多功能、稳定可靠、具有更大的柔性、适应于多品种小批量生产发展。伺服系统的研究与应用，使数控转塔冲床的性能得到了很大的提高。目前，国外对数控转塔冲床研究及取得丰盛成果的有：日本的 AMADA、德国的TRUMPF、美国的 STRIPPIT 等；在我国，机械行业起步相对较晚，转塔冲床的研究也相对较晚，但是制造业和汽车行业的蓬勃发展，这对转塔冲床提出了更高的要求，所以在严峻的要求下，我国钣金行业的发展和高端技术的引进，涌现出了一批对数控冲床研究的科研人员，他们对数控冲床的研究和开发，设计出了应用于实际的产品而投入市场。目前，国内有能力提供四轴及以上的数控冲床的企业有：济南的捷迈、江都的亚威、扬州的杨力等。虽然国内数控冲床有了很大发展，但是和国外比起来还有很大差距，很多关键技术，如数控系统、伺服电机等还不能自己提供，必须依赖进口，这是当前我们必须有待解决的问题之一。1.3 设计的内容冲裁成型加工以其效率高、成本低和易实现批量生产等优点，在五金行业中得济南大学毕业设计- 3 -到了广泛发展。集柔性制造单元理念的转塔冲床作为当今冲裁成型加工的先进制造技术手段之一，更得到了迅速发展。但是转塔冲床的核心技术-数控系统，目前仍然主要依靠国外进口，因此开展转塔冲床的数控系统的研究具有十分重要的意义。论文根据开放式数控系统技术理念，运动控制器为核心，通过对转塔冲床冲裁薄板工件过程和加工特性分析，设计转塔冲床的数控系统。1.3.1 设计的要求（1）设计的内容及要求：a. 转塔冲床数控系统硬件构成方案、系统连接；b. 转塔冲床数控系统人机交互设备设计，包括显示器、专用键盘、操作面板设计。c. 转塔冲床数控系统软件设计，包括自动加工、手动操作、回原点、夹钳控制、换刀及倒库管理等。d. 软件开发采用 VB6.0 高级编程语言。（2）工作量要求：a. 设计计算说明书的字数不少于 1.2 万字，正文部分 12-20 页（含插图折合字数）b. 转塔冲床数控系统硬件接线图；c. 转塔冲床数控系统显示器、专用键盘、操作面板设计；d. 转塔冲床数控系统主要功能软件流程图和程序源代码；e. 外文文献翻译 1 份，译成中文文字数不少于 2000 字；f. 方案论证报告 1 份。济南大学毕业设计- 4 -2 总体方案设计2.1 功能与性能要求分析转塔冲床数控系统的功能分析：通过在软件和硬件控制下，对输入的加工程序进行处理并发出相应的控制指令，控制冲床的运动，采用伺服电机带动正弦机构，使滑块上、下往复运动，冲击上转盘上所选定的上模而对板材进行冲裁加工，正弦机构可以有效地扩大伺服电机带动冲头的冲击力。上、下转盘由伺服电机经皮带轮同步带动。板料的移动可由滑动夹钳来完成，X、 Y轴方向的运动是由伺服电机、滚珠丝杠副等驱动而实现转塔冲床数控系统的性能要求分析：1、冲压能力 20 吨；2、最大加工板厚6.35mm 3、加工板材 1250mm x 2500mm 4、标准的刀库布置 32 工位 2 旋转工位 5、冲压速度 0.5mm 间隔 1.4mm 冲程 900HPM 6、加工精度 +/-0.1mm 。2.2 设计方案比较、分析与确定数控转塔冲床设计方案可分为转塔冲床的分类和转塔冲床数控系统控制的分类。2.2.1 转塔冲床的分类（1）机械驱动数控转塔冲床：这类数控转塔冲床是通过一个主电机带动飞轮旋转，由离合器进行冲压控制。它的优点是结构简单，产品价格低。但同时，这类机床也存在效率较低、不适宜成型冲压、耗电量较大、冲压噪音大等缺点。（2）液压驱动数控转塔冲床：这类机床通过液压缸驱动击打头，由电液伺服阀进行冲压控制。主要优点表现在加工效率高、冲压噪音小等优点；但同时也存在多种不足，如对环境要求较高、耗电量大、维护困难、占地面积大等缺点。（3）伺服电机驱动数控转塔冲床：随着大功率交流伺服电机技术的进步，伺服电机己可以完全满足打击头和其运动机构对打击力，转矩和功率等参数的要求。这类机床通过伺服电机带动打击头进行冲压控制。相对液压式机床而言，其主要优点表现在机床结构紧凑、耗电量少、没有更换液压用油的烦恼，而且非常环保、噪音小、对环境要求低等。 【1】通过上面对三种转塔冲床的优缺点分析及结合功能和要求的分析可以确定用伺服电机驱动数控转塔冲床。2.2.2 转塔冲床数控系统控制的分类（1）PLC 控制系统：功能可以用程序来实现，所以灵活性比较大 缺点 成本高 需要 PLC 专业知识。济南大学毕业设计- 5 -（2）继电气控制：优点 成本低 只要懂电工基础即可 缺点 接线比较复杂 功能单一 。（3）PC 机+运动控制卡：设计只是把运动控制部件当作系统的一个部分 ,如果要完成一个机械设备的完整控制,还需要辅助有其他的数字量 /模拟量控制设备。这样在提高了系统成本的同时,也降低了系统的可靠性。通过对控制系统和精度要求的分析，我们采用 PC+运动控制卡，由于固高科技开发的 GUC 控制器将 PC+运动控制卡结合起来，方便我们的应用，所以我们控制系统采用 GUC 控制器。济南大学毕业设计- 6 -3 控制系统硬件设计3.1 控制系统功能和要求分析转塔冲床控制系统功能：通过控制面板电路控制主轴伺服电机的转动带动主轴的运动，主轴带动连杆机构使冲头上下往复运动冲压工件，控制转盘电机带动同步带使转盘转动，通过双向定位销定位，选择合适的模具进行冲压。控制 X.Y 轴电机对冲压钢板进行运动，再通过传感器对钢板进行准确定位，已达到准确冲压的目的。所以在选择电机时，我们考虑精度及廉价要求对主轴和转盘选择交流伺服电机，对X、Y 轴选择步进电机。3.2 控制系统的组成转塔冲床的控制系统主要由控制面板和控制电路组成，其中控制面板由显示频、专用键盘、控制面板组成；而控制电路由 GUC 控制器+端子板+电机驱动器+伺服电机组成。3.2.1 控制面板的设计（1）显示屏：LCD 液晶型显示屏；图 3.1 显示屏（2）专用键盘：通过对普通键盘和转塔冲床功能的分析，设计出专用于转塔冲床的键盘。（3）控制面板：对转塔冲床的基本加工控制的面板，可以实现冲床的运动加工。济南大学毕业设计- 7 -图 3.2 控制面板3.2.2 控制电路的设计（1）GUC 控制器：GUC 控制器拥有 PC+运动控制卡的功能，有 GE 和 GT 两个系列我们选择 GE 控制器，所以我们选择 GE-400-SG-PCI-G 的控制器.图 3.3 运动控制卡原理图（2）伺服电机驱动器和伺服电机：由于转塔控制精度的要求，我们选择交流伺服电机，驱动器型号为 MADDT1205，电机为 MSMD012P1*;而主轴、X、Y 轴选用步进电机，驱动器型号为 MADBT1205，电机型号为：MSMB012P1*.济南大学毕业设计- 8 -图 3.4 伺服驱动器3.3 各组成部分的设计工控机 运动控制卡 端子板伺服驱动器其它输出伺服电机编码器输入信号图 3.5 开放式数控系统控制原理图3.3.1 选型理由（1）GUC 控制器：由于 PC+运动控制卡的功能和 GUC 功能相同，其控制四轴（主轴、转盘、X、Y 轴）和 PCI 总线连接。（2）伺服驱动器和伺服电机：由于主轴机械运动是通过连杆机构实现的，所以济南大学毕业设计- 9 -使用步进电机就可实现，而转盘控制要求精度较高，所以使用交流伺服电机，对于X、Y 轴的控制使用步进电机就可达到要求，为了节省成本所以使用步进电机。3.3.2 设计结果（1）GUC 控制器：选择 GE-400-SG-PCI-G 的控制器.图 3.6 GUC 控制器（2）伺服驱动器和伺服电机：转塔使用驱动器型号为 MADDT1205，电机为MSMD012P1*;主轴、X 、Y 轴使用驱动器型号为 MADBT1205，电机型号为：MSMB012P1*.图 3.7 伺服驱动器济南大学毕业设计- 10 -图 3.8 伺服电机3.4 总体硬件电路3.4.1 总体电源设计1 2 3 4ABCD4321DCBA Title Number RevisionSizeA4Date: 28-May-201 Shet of File: C:Documents and SetingsAdministrator业业业业业业MyDesign5.dbDrawn By:LNE34 56610A1LNEGND24V+71A1KA0A2 HL2 HL1812+24V 0GNDAC20V业业业业L1N1PE 业业业QF0L2N2业业KM0KA0L5PEGS0业业业业ESC业业SB1业业业业SB2业业业业业 业TextKA0 KM019图 3.9 总电源济南大学毕业设计- 11 -3.4.2 总体运动控制电路设计1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 12ABCD12110987654321DCBATitle Number RevisonSizeA1Date: 30-May-201 Shet of File: C:Documents and SetingsAdministrator业业业MyDesign5.dbDrawn By:+24V0GNDUSBLCD HM1业CN1CN212345678R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2SSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PB SSW-PBSSW-PB SSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PB SSW-PBSSW-PB SSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBSSW-PBRRES2 RRES2 RRES2RRES2RRES2RRES2RRES2RRES2RRES2RRES2RRES2GND业业+24V-24VPGND+24V0GNDPEHM1+24VGNDGNDSGPEPOWERXT1GUC制制 CN1CN2123456810141517181912792312792312792371415212232429313637414849A+A-B+B-ACBC+V-VA+A-B+B-ACBC+V-VA+A-B+B-ACBC+V-V业业+PUDR业业+PUDR业业+PUDRUVWEE1业2业3业4业业1256 6业5业4业3业2业121212A+业A-业B+业B-业AC业BC业A+业A-业B+业B-业AC业BC业A+业A-业B+业B-业AC业BC业XT3I/O制制12561213141512345678910112191712345123451121314151212121234511213141512211212345112131415121212L1L3L1CL3C12314254351234512345CN5CN6CN7CN8CN1业HOME0业HOME1业HOME2业HOME3业LIM0+业LIM0-业LIM1+业LIM1-业LIM2+业LIM2-业LIM3+业LIM3-业0GND业0VCOGNDALM1ENABLE1A1-B1-C1-DAC1GNDOVCREST1A1+B1+C1+0GND+5V业DIR0+业PUL0+业0GND+5V业DIR1+业PUL1+业0GND+5V业DIR2+业PUL2+业业业业业业业业业业业业业业业OVC业DAC1业GND业A1+业A1-业C1+业C1-业ENABLE1业REST1业OGND 业ALM1业OGND业B1+业 B1-业+5V业PUL0+业DIR0+业+5V业PUL1+业DIR1+业+5V业PUL2+业DIR2+L4N4L4N4 制制制X1X5X2X6X制制STD1Y制制STD2制制制STD3业业U1业V1业W1业E制M2E5V1业E0V1业PS1业/PS1业FG业业业FG业业E5V0业E0V业PS1业/PS1业FG业业E5V0业E0V业PS1业/PS1业PS1业/PS1业E5V0业E0V业FG业业业业业HOME业LIM1+业LIM1-业0GNDHOME1业LIM1+业LIM1-业0GND业业LIM1+业0GND业HOME1业0GND业LIM1-业0GND1业0VC SQ4SQ5SQ6业业业A+业A-业B+业B-业AC业BC业X制M3+24V业0GND业A+业A-业B+业B-业AC业BC业Y制M4+24V业0GND业+24V业0GND业A+业A-业B+业B-业AC业BC业制制M5业OVC业HOME0业LIM0+业LIM0-业0GNDOVC业HOME0业LIM0+业LIM0-业0GND业业0VC业HOME0业LIM0+业LIM0-业0GNDHOME0业LIM0+业LIM0-业0GND业业LIM0+业0GND业HOME0业0GND业LIM0-业0GNDSQ7SQ8SQ9业业业X制业OVC业HOME1业LIM1+业LIM1-业0GNDOVC业HOME1业LIM1+业LIM1-业0GND业业0VC业HOME业LIM1+业LIM1-业0GNDHOME1业LIM1+业LIM1-业0GND业业LIM1+业0GND业HOME业0GND业LIM1-业0GNDSQ10SQ1SQ12业业业业OVC业HOME业LIM2+业LIM2-业0GNDOVC业HOME2业LIM2+业LIM2-业0GND业业0VC业HOME2业LIM2+业LIM2-业0GNDHOME2业LIM2+业LIM2-业0GND业业LIM2+业0GND业HOME2业0GND业LIM2-业0GNDSQ13SQ14SQ15业业业业OVC业HOME1业LIM1+业LIM1-业0GNDOVC业HOME1业LIM1+业LIM1-业0GND业CON07CON03 CON02CON07 CON06CON1 CON10CON06CON04业业业CON08业业业CON12业业业HM2CON08业业业L4 N4图 3.10 控制电路济南大学毕业设计- 12 -4 控制系统软件设计4.1 软件实现的功能数控系统软件设计实现的功能是通过加工程序的运行实现机床对冲裁的冲压，以完成对简单零件的加工，其中包括两个方面：第一方面为管理，主要目的是对加工状态的检测和管理简单的机械操作，其中参数设置、刀库管理、模具库管理、编辑、编译、显示加工程序等；另一部分为用户操作系统，目的是通过用户的编译程序实现零件的加工成型运动，其中包括初始化设计、插补运算、程序代码的自动运行。软件设计的主要目的是实现基本的加工功能，其中包括自动加工、手动加工、回原点、夹钳控制、换刀、刀库管理、模具库管理、打开程序、退出等。4.2 主要功能模块设计的流程图（源代码）数控系统程序界面即为用户界面。用户界面的功能即为把系统的各种功能信息和运动模式以不同的信息反映给用户，以及把用户的选择和输入变成数据传送给系统的执行层，用户系统决定了人机交互模式，也决定了外层响应事件，好的用户界面应该界面友好、亲和力强、易于操作、功能明确和易于实现等，让操作者更清晰的了解加工的过程和结果。4.2.1 控制面板功能设计：图 4.1 控制面板功能济南大学毕业设计- 13 -图 4.2 专用键盘4.2.2 系统主界面设计：（1）功能控制按钮：包括打开程序、参数设置、手动操作、自动运行、回原点、夹钳控制、换刀、刀库管理、模具库和退出按钮，以方便快速操作与运行。（2）代码框：显示当前所要运行的程序代码。（3）图形显示区：模拟当前代码程序运行加工所形成的加工零件图。（4）状态显示栏：显示加工过程中各参数变化的过程。（5）提示框：当加工中出现错误时，提示你何时出现什么样的错误。济南大学毕业设计- 14 -YESNONOOOYESNOYES开始调用库函数初始化初始化成功？显示软件界面读取输入发生异常？异常退出？释放库函数报错异常处理发送运动命令编译代码输入代码报错退出图 4.3 系统软件流程图济南大学毕业设计- 15 -4.2.2 各功能模块的设计：（1）打开程序界面的设计：打开程序界面包括导入程序（通过 USB 接口） 、保存程序、读取程序（读取到主界面代码框） 、取消（对读取程序进行取消） 。图 4.4 程序编程界面编码：（1）打开：Private Sub dakai_Click()cdl.Action = 1If cdl.FileName = ThenMsgBox 文件名为空，请请重新输入Exit SubEnd IfOpen cdl For Output As #1Print #1, Text1.TextClose #1End Sub （2）保存：Private Sub baocun_Click()cdl.Action = 2If cdl.FileName = ThenMsgBox 文件名为空，请请重新输入Exit SubEnd IfOpen cdl For Output As #1Print #1, Text1.TextClose #1济南大学毕业设计- 16 -End Sub（3）另存为：Private Sub lingcunwei_Click()cdl.Action = 2If cdl.FileName = ThenMsgBox 文件名为空，请请重新输入Exit SubEnd IfOpen cdl For Output As #1Print #1, Text1.TextClose #1End Sub退出：Private Sub quxiao_Click()EndEnd Sub（2）参数设置：其中包括 X、Y、T 轴的初速度、最高速度、加速度（减速度） 、电机每转的脉冲数、参数点定位、X 和 Y 轴的丝杠螺距、冲头和转塔的延时时间、定位、压紧和普通延时、X、Y、T 的普通速度和矢量速度。图 4.5 参数设计界面（3）手动操作：包括手动定位、手动压紧、手动转盘（换模） 、手动上下模、手动冲压、X、Y、T 三轴定位及停止、三轴的回参、 X、Y 轴的移动、X 、Y、T 三轴的当前坐标、X、Y 坐标移动和移动速度。济南大学毕业设计- 17 -YES选定轴及轴向+X -X +Y -Y +T -T终点运动读取轴的运动触发限位？按钮触发？停止运动退出急停报错并输出 开始程序运动读取程序按钮触发运动选刀 选模选加工材料开始图 4.6 手动操作流程图济南大学毕业设计- 18 -图 4.7 手动操作界面编程：（1）定位：Private Sub dingwei_Click()If Shape_dingwei.FillColor = &HC000& Thenoutport_bit 1, 1, 0Shape_dingwei.FillColor = &HFF00&Elseoutport_bit 1, 1, 1Shape_dingwei.FillColor = &HC000&End IfEnd Sub（2）压紧：Private Sub yajin_Click()If Shape_yajin.FillColor = &HC000& Thenoutport_bit 1, 2, 0Shape_yajin.FillColor = &HFF00&Elseoutport_bit 1, 2, 1Shape_yajin.FillColor = &HC000&End IfEnd Sub（3）冲头：济南大学毕业设计- 19 -Private Sub chongtou_Click()If Shape_chongtou.FillColor = &HC000& Thenoutport_bit 1, 3, 0Shape_chongtou.FillColor = &HFF00&Elseoutport_bit 1, 3, 1Shape_chongtou.FillColor = &HC000&End IfEnd Sub（4）自动运行：包括程序读取、图像显示及放大比例和清除图像、X 、Y 、T三轴的当前位置、所选型材、型材厂家、加工工件数、一共循环次数、当前环数。图 4.8 自动运行界面编程：伺服启动：Private Sub Command9_Click()If Shape15.FillColor = &H0080FF80& Thenoutport_bit 1, 8, 0Shape15.FillColor = &HFF00&Command9.Capt