机电一体化毕业论文

毕业设计（论文）说明书作者：学号：系部：机械工程系专业：机电一体化题目：基于FANUC-OI-MATE系统的CA6140普通车床数控化改造（电气图部分）指导者：评阅者：毕业设计（论文）中文摘要在我国目前拥有大量技术陈旧的机床急需更新的情况下，由于企业中传统普遍车床现有的加工技术已很难适应现代制造业的需求，对机床进行数控化改造是一条节约资金和快速上马的有效途径。普通机床的数控化改造已成为企业提高自身自动化程度的一种重要化手段。本文通过利用FANUC-OI-MATE系统对CA6140普通车床进行了数控化改造设计。数控系统内部控制逻辑是由通用或内装式可编程控制器（PMC）来实现的。本设计分析了可编程控制器（PMC）在数控机床中的应用方式及其特点，采用FANUC系统的内置PMCSA1系列对CA6140车床进行数控化控制，控制对象主要包括：机床控制面板上各种信号的设置方式与触发条件；刀架的换刀过程；限位开关，压力继电器和光电开光等机床外侧输入信号以及继电器或接触器、指示灯等输出信号。针对上述内容的PMC信号地址设计过程并结合外围电气控制线路的设计，在文章中作了详细论述。其主要内容有：1、对机床电气部分设计。2、对机床PMC信号地址的设计。关键词：数控系统电气改造电气图PMC信号地址目录1绪论………………21.1课题研究的背景………………21.2普通机床数控化改造的特点…………………31.3普通机床数控化改造的内容…………………41.4普通机床数控化改造的必要性………………51.5本课题研究的主要内容及设计方案…………62CA6140普通车床的介绍…………72.1CA6140机床的组成……………72.2CA6140机床的主要技术参数…………………83机床的机械部分设计……………93.1纵向进给系统的设计…………93.2横向进给系统的设计………103.3自动刀架的设计……………104机床的电气部分设计…………114.1原机床电气控制……………114.2主轴的电气设计……………124.3改造后的机床电气原理图…………………134.4改造后机床控制系统的结构及功能………155PMC信号地址的设计…………175.1PMC的概述…………………175.2PMC型号的选择……………185.3PMC的基本结构及工作原理………………195.4PMC的地址分配……………205.5机床外侧输入信号的设计…………………255.6机床外侧输出信号的控制电路设计与工作过程…………266改造后的机床调试……………276.1机床调试的工作过程………276.2调试结果……………………29结论………………31致谢………………32参考文献……………331绪论1.1课题研究的背景我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营商、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。数控机床作为机电一体化的典型产品，是机械制造业中使用量最大、覆盖面最广的一种数控机床，主要用于加工各种轴类、盘类等回转体零件。其可以很好地解决现代制造中的复杂形状回转类零件的加工问题，能稳定加工质量，提高劳动生产率。但其价格较昂贵、一次性投资大，往往使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，数控化的道路漫长，对普通车床进行数控化改造是一条节约资金、快速有效的途径。普通车床的数控化改造具有针对性强、大大节约原材料和资金以及扩大机床应用范围等优点，因此，走改造之路不失为上策。1、可行性普通车床改造成数控车床是指对普通车床某些部位机械结构做一定的改造，加上数控装置，从而使普通车床具有数控加工能力。从提高资本效率出发，改造闲置设备，能发挥车床的原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。数控改造费用仅为新购一台数控数控车床费用的15%-25%，同购置新车床相比，一般可以节省75%-85%的费用；增强了功能，如圆弧加工、锥度加工，这是传统加工方法难以实现的；交货期短，可满足生产急需。2、市场效益机床数控化改造的市场在我国还有很大的发展空间，现在我国机床数控比率不到3%。用普通车床加工的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长。社会拥有大量的普通车床，把这种车床改造为数控车床，会收到良好的经济效益。还有许多学校的实习工厂，如果把普通车床改造为数控机床，在降低成本的同时，又方便了教学和培训的各环节。1.2普通机床数控化改造的特点数控改造技术在机械加工行业中得应用越来越广泛，这主要是由于数控改造有以下几方面突出特点和优点：1、投资少、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省75%-85%的费用，改造费用低，特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只是新机床购置费用的1/3，交货期短。2、机械性能稳定可靠，所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用好多年。3、熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否满足其加工要求。改造则不然，可以精确地计算出机床地加工能力。另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。4、可采用最新的控制技术，根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备地自动化水平和效率，提高设备的档次，将旧设备改成当今水平的机床。5、充分利用现有的条件，可以充分利用现有地基，不必像购置新设备时那样需要重新构筑地基。因此可节约费用，降低改造成本，同时也可缩短生产设备周期。6、提高产品质量和工效可以解决复杂零件的加工精度控制，加工的产品尺寸一致性好、合格率高、废品率低、生产效率高。如经济型数控机床，一般可提高工效的3-7倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效越明显。7、减轻工人的劳动强度，提高工人素质促进科技成果的普及和应用，为“体力型”向“智能”转变创造条件。1.3普通车床数控化改造的内容车床的数控化改造主要内容包括以下几点：一是技术更新或技术创新。为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造；二是恢复车床十八项精度，对存在的故障部分进行诊断并恢复；三是翻新。为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度，对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；四是NC化，在普通车床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC、CNC机床。具体内容包括：总体设计方案的确定、对机床导轨进行改造设计和自动回转刀架的选型和安装等。1.4普通车床数控化改造的必要性1.4.1微观看改造的必要性从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。2、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高3~7倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化”。3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。由于以上五条派生的优点：1、降低了人工的劳动强度；2、节省了劳动力（一个人可以看管多台机床）；3、减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产周期；4、可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。1.4.2宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在70年代末、80年代初已开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS外，还包括在产品开发中推行CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行MIS（管理信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等得含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后20年。如我国机床拥有量中，数控机床的比重（数控比率）到1995年只有1.9%，而日本在1994年已达20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。1.5本课题研究的主要内容及设计方案1、对CA6140普通车床的简单介绍及列出其主要技术参数。2、对普通车床的机械部分的设计具体有以下三个方面；（1）纵向进给的设计（2）横向进给的设计（3）自动刀架的设计3、通过如下三个方面的分析，对车床电气部分的设计：（1）原机床电气控制的分析（2）改造后机床的控制电路分析（3）改造后机床控制系统的结构及功能的分析1）操作面板2）刀架3）机床外部信号4）伺服机构5）控制单元4、PMC信号地址的设计有如下三个方面（1）PMC的地址分配（2）机床外侧输入信号设计（3）机床外侧输出信号的控制电路设计与工作过程2CA6140普通车床的介绍2.1CA6140车床的组成CA6140车床的主要组成部件由：1、主轴箱主轴箱是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。2、刀架四方刀架装在小滑板上，而小滑板在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、镗内孔等。而中滑板相对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。3、尾座尾座可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。4、进给箱进给箱内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类导程。5、床身及床腿床身是机床的支承件，它安装在左床腿和右床腿上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。6、溜板箱溜板箱与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。2.2CA6140车床的主要技术参数CA6140车床的主要技术参数如（表2-1）表2-1CA6140车床的主要技术参数床身上最大工件回转直径400mm刀架上最大工件回转直径210mm最大工件长度750、1000、1500mm主轴中心至床身平面导轨距离205mm最大车削长度600、900、1400mm主轴孔径48mm主轴转速正转（24级）10~1400r/min反转（12级）14~1580r/min刀架纵向及横向进给量各64种纵向一般给进量0.08~1.59mm小进给量0.028~0.054mm加大进给量1.71~6.33mm横向一般给进量0.04~0.79mm小进给量0.014~0.027mm加大进给量0.86~3.16mm刀架纵向快速移动速度4m/min车削螺纹范围米制螺纹（44种）1~192mm英制螺纹（20种）2~24牙/in模数螺纹（39种）0.25~48mm经节螺纹（37种）1~96牙/in主电动机功率7.5kw转速1450r/min快速电动机功率250kw转速2800r/min3机床的机械部分设计3.1纵向进给系统的设计纵向进给系统主要分为切削力的计算、滚珠丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。大体操作步骤为：1、拆除原CA6140车床的传动机构（进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠、操作丝杠）；2、利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔，安装步进电机减速箱体；3、滚蛛丝杠仍安装在原丝杠的位置，两端仍采用原固定方式（一端固定、一端浮动）；4、由于滚蛛丝杠的摩擦系数小于原丝杠，所以纵向进给机构整体刚性优于从前，所以采用一级齿轮减速装置。3.2横向进给系统的设计横向进给系统主要分为切削力的计算、滚蛛丝杠副的选择、减速齿轮的设计、步进电机的确定等。大体改造步骤为：1、保留原手动机构，用于微机进给和机床刀具对空操作；2、保留原有的支承机构；3、步进电机、齿轮箱体安装在机床后侧，为了便于安装滚蛛丝杠；4、副丝杠轴采用分移式，然后用套筒刚联接；5、采用双片齿轮错齿法消除齿轮副间隙，并在溜板箱上安装了纵横向进给按钮和急停按钮，以适应机床调整时的操作和意外事故的紧急处理。3.3自动刀架的设计从自动转位刀架的工作原理可知，这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起、回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作，下面是数改CA6140车床自动刀架的工作过程：1、当数控装置发出换刀指令后，步进电机启动正转，通过平键套筒联轴器使蜗杆轴转动，从而带动蜗轮转动。蜗轮与轴连接在一起，因此一起转动，刀架体的内孔加工有螺纹，与转轴连接在一起的丝杠套外圈有螺纹。当蜗轮开始转动时，由于刀架底座和刀架体上的端面齿处在啮啮合状态，且丝杠套轴向固定，因此这时刀架体抬起。2、当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开，转位套用销钉与丝杠套联接，随转轴一同转动，当端面齿完全脱开时，转位套正好转过60度，球头销在弹簧力的作用下进入转位套的槽中，带动刀架体转位。3、刀架体转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销在弹簧的作用下进入刀体底座的粗定位盘的槽中进行粗定位，同时霍尔开关发出电机反转的指令，使电机反转。由于粗定位销的限制，刀架体不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体和刀架底座上的端面啮合实现精确定位。4、电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴自身转动，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机停止转动，实现了夹紧。4机床的电气部分设计4.1原机床电气控制原机床电气控制线路图其中M1为主电机；M2为控制冷却液的冷却泵；M3为控制溜板衡、纵向移动的快速电机。1、主电路分析三相交流电源通过转换开关QS1引入，主轴电动机M1由接触器KM1控制起动，热继电器FR1为主轴电动机M1的过载保护。冷却泵电机M2由接触器KM2控制起动，热继电器FR2为冷却泵电机M2的过载保护。接触器KM3为控制刀架快速移动电机M3起动用，因快速移动电机M3是短期工作，故可不设过载保护。2、控制电路分析控制变压器TC二次侧输出110V电压，作为控制回路的电源。（1）主轴电动机M1的控制。按下起动按钮开关SB2，接触器KM1的线圈得电吸合，KM1主触头闭合，主轴电动机M1起动。按下蘑菇形停止按钮开关SB1，电动机停转。（2）冷却泵电动机M2的控制。只能在接触器KM1得电吸合，主轴电动机M1起动后，合上开关SA，使接触器KM2线圈得电吸合，冷却泵电动机M2才能起动。（3）刀架快速移动电动机的控制。刀架快速移动电动机M3的起动，是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮开关SB3来控制，它与交流接触器KM3组成电动控制环节。将操作手柄扳到所需的方向，压下按钮开关SB2，接触器KM3得电吸合，电动机M3获电起动，刀架就向指定方向快速移动。3、照明、信号灯电路分析控制变压器二次侧分别输出24V和6V电压，作为机床照明灯和信号灯的电源。EL为机床的低照明灯，由开关QS2控制，HL为电源信号灯。4.2主轴的电气设计在对CA6140主轴的改进过程中，主轴系统基本保留。配备相应的电气控制设备。可以实现主轴的正反转，主轴点动，主轴电机的热保护功能。正转或反转命令通过面板操作写在程序中，由PLC输出端口控制正转继电器（KAZ）或反转继电器（KAF），使接触器KM1和KM2动作，完成主轴的正反转切换，为减小主轴电机的起动电源，使用了KM3、KM4、KM5三个接触器来完成电机的Y-△切换。为适应螺纹加工要求，主轴上安装了编码器，通过端口X472输入611UE反馈到PLC单元。热继电器（FR）的一组常开触点接入X111输入点I0.7，当电机过热时，热继电器（FR）动作，使I0.7有效，PLC单元产生报警，并切断主轴电机的电源。4.3改造后的机床电气原理图机床电气的改造时将原机床电气电路改为与数控系统连接，并受数控系统控制的电路，以实现机床原有的纵向、横向等各坐标轴的驱动，主轴的正反转、冷却泵的开关等功能；并增加了紧急停机、机床远点的设置、各坐标的限位等功能。4.3.1机床的强电原理图由于普通机床的电气控制功能要求与数控机床不一样，对于旧机床改造来讲，一些电气元器件也已老化，所以对原机床的电气控制部分只能报废，重新设计制作。数控改造时，强电控制部分的电气线路设计，主要根据数控系统输入输出接口的功能和控制要求来进行，当控制功能较复杂时，为简化强电控制部分的电气线路，需配备PMC可编程控制器。数控机床的强电控制部分设计与一般机床电气基本类同，设计中所要特别注意的是，首先要弄清各类信号的特点和形式，例如是低电平有效还是高电平有效，信号是突跳的脉冲形式还是持续的电平形式，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。有些功能如能通过更改数控系统软件等方式能由系统直接实现的，应尽量设法由弱电控制来完成，也就是说通过弱电控制能完成的功能，尽量不用强电控制来实现，这是因为强电控制线路的增加，不仅增加了所需元器件和强电控制柜的体积，更主要的也增加了外部联的接点数，从而也就增加了可能产生故障的概率。另外在强电控制系统的元器件选择时，一定要注意器件本身的可靠性和产品质量、强电控制柜的制作时，每一接点的连接一定要可靠。强电原理图：1、三相380V电源经空气开关QF2到变压器TC1变压为三相AC200V为伺服系统提供动力电源，两相380V电源经空气开关QF01到TC0变压为两相220V（110）为开关电源提供控制电源。2、变频器的供电：三相380V电源经空气开关QF4直接给变频器供电。U、V、W三相给主轴电机供电。主轴的正反转和转速都是由系统给变频器相应的信号来实现的。4.3.2机床的控制电路原理图对机床电气进行改造，必须拆除原机床工作台进给电动机及相应强电线路。为实现机床主轴起停和正反转、冷却泵的开关、紧急停机、机床原点的设置、各坐标轴的限位等功能，CA6140车床数控系统用了KA1~KA5这五个继电器和接线端子排构成的附件板，通过电缆与系统控制箱相连，接受系统的控制。系统计算机的输入和输出信号。改造时，将附件板安装在原机床的强电柜内，将控制部分分别接到机床电气的受控点，其控制的原理：1、各坐标轴的驱动：用随机电缆分别将各轴伺服电机与系统驱动柜相应的插座相连，实现了坐标轴的控制。它们的控制电源由KM1接触器来控制，所以必须在满足系统的要求后，KA1才能工作从而控制KM1接通，伺服控制源能够正常的工作。2、主轴的起停和正反转由ai系列主轴放大器，型号为SPM26i来控制的，在电机绕组上产生幅值、频率可变的正弦波形，控制电机的旋转。3、冷却泵的开关：由KM2接触器的一组常开触点来控制冷却泵的强电回路的接通，只有当继电器KA5获得系统信号工作时，KM2工作冷却泵的强电回路接通，机床的冷却泵开始工作。4、紧急停机：是当数控系统运行出现紧急情况时，而采用的停机措施。在系统的急停回路上增加一个急停开关SB3，并与系统信号线接上。5、坐标轴的限位：这是为保护数控系统的运动安全而设置的。在机床横坐标的左右极限、纵坐标的前后限位，各附设一行程开关和机械撞块。将系统的信号线接到四个行程开关SQ1~SQ4上，即可实现对各坐标轴的运动限位。6、刀架的控制：刀架的换位和刀架的锁紧都是由继电器和接触器互锁来控制的，当刀架换位时，继电器KA3经过KA4的常闭触点，然后进入KM3的控制线圈，从而控制KM3吸合，实现刀架换位；当刀架到位锁紧时，KM3断电，KA4经过KM3的常闭触点，然后进去KM4的控制线圈，从而控制KM4吸合，实现刀架到位锁紧。4.4改造后机床控制系统的结构及功能改造后的机床控制系统主要由以下几部分组成：控制面板、显示器、控制单元（CNC和PMC）、主轴驱动器、进给轴驱动器、编码器、机床外部信号、刀架、手摇脉冲等。1、操作面板操作面板主要设置有输入信号键，控制按钮，选择开关等输入信号；由指示灯显示的输出信号和报警信号，操作面板利用电缆经基本I/0单元与控制单元相连，利用控制面板，操作者可方便地控制机床的各种动作，设置实现机床的各项功能，通过控制面板显示机床的工作状态。2、刀架刀架选用四工位转塔刀架，刀架的转换是由电气控制，换刀时利用刀架电机的正反转来控制刀架的换位和锁紧。3、机床外部信号机床外部的输入信号包括机床上的限位开关，继电器，过热保护器各类传感器；输出信号则用于控制继电器或接触器线圈的通断，指示灯的明灭等信号。4、伺服机构伺服机构根据加工程序的要求，对主轴和进给轴进行控制，以保证各轴的控制精度。主轴驱动装置采用主轴变频器，对主轴进行控制。进给轴及主轴的连接方式为：将由基本I/0单元提供的伺服控制信号SV连接至X轴放大器，再通过串行总线电缆从X轴至Z轴至主轴依次连接。驱动装置都是全数字型的，电机和与电机有关的控制参数都存储在驱动装置内，通过编码器等测量装置对电机运行过程中的数据实行采集、整理，通过对这些信号和其它来自控制单元的信号的运算，完成电机运行过程的控制以及故障报警等。5、控制单元控制单元由CNC与内置PMC完成，是数控机床的核心部分，通过与伺服装置、操作板、机床外部信号、刀架等的连接实现信号的传递，利用PMC的输入模块、各种限位开关、脉冲编码器等对加工过程及设备运行状态进行实时数据采集、整理，然后传送到控制单元进行数值运算，控制单元根据操作面板和显示器的操作指令和前面的计算结果来完成各种加工过程以及加工过程的数据处理和显示。PMC与CNC单元通过双向通讯实现对机床的现场监视、控制，实现控制单元内部信号的传递，完成加工过程中的信号处理和显示。图4-5控制系统框图5PMC信号地址的设计5.1PMC的概述数控机床用PMC主要有两类：内装型和独立型。内装型PMC是CNC装置的一个组成部分，与CNC共用计算机硬件资源。PMC与CNC之间的信号传送在计算机内部即可实现。“内装型”PMC除了具有结构紧凑、可靠性好、操作方便等优点外，与“通用型”PMC相比，它在性能、价格方面也具有明显的优势。独立型PMC是CNC外部的专用设备，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定的控制任务，以满足数控机床或其它顺序控制领域的要求，属于“通用型”PMC。PMC的输入、输出端口是数控机床和CNC交换信息的接口，（图5-1）所示为内装型PMC与CNC侧的信息交换。图5-1内装型PMC机床侧CNC5.2PMC型号的选择PMC-MODELSA1/SB7系列的选定：根据改造后的数控车床结构简单，控制稳定可靠，要求选用的PMC操作简捷、方便，以下是SA1与SB7系列的比较，如（表5-1）所示。表5-1PMC-MODELSA1/SB7部分规格PMCPMC-SA1PMC-SB7编程方法梯形图梯形图程序级数23第一级程序扫描周期8ms8ms基本指令执行时间5.0μs/步0.033μs/步基本指令1214功能指令4869I/OLink输入最大1024点最大2048点输出最大1024点最大2048点从表中可以看出，SB7系列比SB1系列的功能更加全面和强大。为了避免资源浪费，我们选择的是PMC-SA1，它能完全满足改造后的数控机床的控制。5.3PMC的基本结构及工作原理PMC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU、RAM、AOM和输入、输出接口电路等，其内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。如果把PMC看作一个系统，该系统由输入变量→PMC→暑促变量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作PMC的输入变量，它们经PMC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PMC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子，他们是PMC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制，这里可将PMC看作一个中间处理器或变换器，以输入变量变换为输出变量。5.3.1PMC控制系统组成1、输入部分：如按钮开关、限位开关等，直接与PMC输入端子相连接，用以生产输入控制信号，这些信号来自操作台上的人工指令。2、控制部分反复执行根据被控制对象的实际控制要求所编制的用户程序，并产生各种输出控制信号。3、输出部分如接触器、电磁阀等，它们直接与PMC输出端子相连接，用以控制被控制对象的动作。5.3.2PMC工作过程分三段进行1、输入处理：PMC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序钱首先按地址编码顺序将所有输入端子的通断状态（输入信号）读入输入映象寄存器中，然后开始执行用户程序，在执行过程中，即使输入信号发生变化，输入映像寄存器的内容页不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段才重新读取输入状态。2、程序控制：在程序执行阶段，PMC顺序扫描用户程序，每执行一条程序所需要的信息都从输入映像寄存器和其他内部寄存器中读出并参与计算，然后将执行结果写入有关处映像寄存器中。5.1PMC的地址分配地址用来区分信号。不同的地址分别对应机床侧的输入、输出信号、CNC侧的输出、输入信号、内部继电器、计数器、保持型继电器（PMC参数）和数据表。每个地址由地址号（对应8个信号）和位号（0到7）组成。表明信号名称和地址关系的信号表在编制顺序程序时可用KRT/MDI上的键或用计算键盘上的键输入到PMC中。在编制PMC顺序是所需的四种类型的地址如（图5-2）所示图5-2与PMC相关的地址1、图中由实线表示的与PMC相关的输入/输出信号由FO板的接收电路和驱动电路传送。2、图中由虚线表示的与PMC相关的输入/输出信号仅有存储器例如RAM中传送，所有这些信号的状态均可显示在CRT上。PMC-SAI中适用的PMC地址如（表5-3）所示。表5-3PMC地址表地址信号类型PMC-SAIX从机床侧到PMC的输入信号(MT→PMC)XO→X127Y从PMC到机床侧的输出信号(PM→CMT)YO→Y127F从NC到PMC的输入信号(NC→PMC)FO→F255G从PMC到NC的输出信号(PMC→NC)G0→G255R内部继电器R0→R999R9000→R9099A信息显示请求A0→A24C计数器C0→C79K保持型继电器K0→K19T可变定时器T0→T79D数据表D0→D18595.4.1控制面板输入信号的设置表5-4控制面板输入信号表操作面板→PMC元件信号名称元件信号名称元件信号名称X8.4急停X21.5机床锁住X23.6手动+Z方向进给X20.0手摇Z轴X21.6MDI方式X23.7手动-X方向进给X20.1返回参考点方式X21.7快速/手摇倍率25%X24.0手动+X方向进给X20.3选择停X22.0F1X24.1快速进给X20.4手摇方式X22.1F2X24.2手动-Z方向进给X20.6快速/手摇倍率100%X22.2循环启动X24.3超程解除X20.5手摇X轴X22.3进给保持X24.5手动主轴升速X20.7单程序段方式X23.0快速/手摇倍率F0X24.6手动主动降速X21.0跳步方式X23.1编辑方式X25.2主轴停X21.1JOGX23.2手动/进给倍率*X25.4冷却X21.2自动方式X23.3手动/进给倍率*X21.3快速/手摇倍率50%X23.4手动/进给倍率*X21.4空运行方式X23.5手动/进给倍率*1、+Z、-Z、+X、-X的控制设计输入信号+Z（Z轴正向运动）键设置在点动模式和返参模式下工作，在点动模式下输入信号X23.6（+Z）键接通时，从PMC到NC的命令G100.1（进给轴选择+Z轴）信号接通，Z轴向正向运动，输入信号X24.2（-Z）键接通时，从PMC到NC的命令信号G102.1（进给轴选择-Z轴）信号接通；在返参模式下G0043.7有信号输出，控制Z轴正向运动的G100.1的信号接通，Z轴以返参模式向正向运动。输入信号+X（X轴正向运动），-X（X轴负向运动）键功能设置方式与以上所说的一样。2、机床锁住、单程序段、跳段有效、选择停止、空运行的控制设计将输入信号X21.5（机床锁住）、X20.7（单程序段方式）、X21.0（跳步方式）、X21.4（空运行）、X20.3（选择停止）首先存入中间继电器，然后由继电器传送到CNC执行动作；由X21.5输入信号发出一个机床锁住脉冲R0024.0，并且发出一个机床锁住信号R0024.1，接着使用梯形图的互锁，将机床锁住脉冲记忆下来存在有中间继电器R0024.2中，再由中间继电器将信号发送到CNC的中，发出一个机床锁住的信号G0044.1和Y003.4。其他的指令信号编辑方法都是如此。3、手动主轴升速、手动主轴降速的控制设计输入信号X24.5（手动主轴升速）接通，发出一个手动主轴升速脉冲R300.0，其中R0030.0是手动状态的中间继电器，满足了这个条件，才能进行升速控制，用R0300.1中间继电器进行连续升速，并用可变定时器TMR来控制主轴连续升速的时间。主轴降速的控制原理也是一样。4、超程解除控制的设计G114.0、G114.1、G116.0、G116.1分别是X轴的正向超程、负向超程和Z轴的正向超程、负向超程的信号，当发生极限超程时，按下X0024.3（超程解除）键，可使PMC急停解除，恢复正常的工作。5、手动冷却的控制设计当按下X0025.4（冷却开关）时，发出冷却脉冲信号R0370.0，同时也发出一个冷却信号R0370.1，利用互锁功能一直保持冷却信号的导通，使中间继电器R370.2有信号输出；从而发出一个信号Y0000.7控制冷却电机启动冷却，Y0006.6是冷却灯的开关的信号；R0060.0是自动冷却M08，R0060.1是停止冷却。6、快速/手摇倍率的控制设计X0021.7（快速/手摇倍率25%）为常开，其余的X0023.0、X0021.3、X0020.6为常闭，用相互限制的关系来控制倍率开关的选择，当X0021.7接通，中间继电器R0011.1有信号，用来R0013.0控制快速/手摇倍率25%工作，并保持该信号，Y003.3是快速/手摇倍率25%的工作指示灯，其他的倍率开关设计是用同一种方法。7、循环启动和进给保持控制的设计控制按钮X0022.2（循环启动）接通，把防护罩的门关上，R0025.3也接通，向CNC输入的G0007.2有信号，机床启动。F0000.5是CNC给PMC循环启动工作灯的导通信号；控制按钮X0022.3（进给保持）接通，使机床停止，F0000.4是CNC给PMC控制进给保持灯的信号。5.4.2控制面板输出信号的控制设计表5-5控制面板输出信号PMC→操作面板元件信号名称元件信号名称元件信号名称Y0.0使能Y3.6M01程序选择灯Y5.1空运方式Y0.3主轴正转Y3.7X轴返零灯Y5.2自动方式灯Y0.4主轴反转Y4.0手摇Z轴灯Y5.3快速/手摇倍率25%Y0.7冷却Y4.1返零灯Y5.4MDI方式灯Y1.1刀架正转Y4.2进给保持灯Y5.5跳步方式灯Y1.2刀架反转Y4.3循环启动灯Y5.6编辑方式灯Y3.1机床灯1Y4.4手摇灯Y5.7快速/手摇倍率F0灯Y3.2机床灯2Y4.5手摇X轴灯Y6.6冷却灯Y3.3快速/手摇倍率25%Y4.6JOG灯Y7.2主轴正转灯Y3.4机床锁住灯Y4.7快速/手摇倍率100Y7.4主轴反转灯Y3.5Z轴返零灯Y5.0单程序段灯1、主轴正转、反转的控制设计中间继电器R0544.4的信号控制主轴的正转和主轴正转灯的通断；中间继电器R0544.4的信号控制主轴的反转和主轴反转灯的通断。2、刀架的正转和反转控制的设计梯形图中由多个中间继电器来控制刀架的正转和反转，其中RI39.0是反转到位的信号。5.5机床外侧输入信号的设计表5-6机床外侧输入信号机床外部→PMC元件信号名称元件信号名称元件信号名称X4.1门开关1X2.4刀架锁紧X1.3Z负向超程X4.2门开关2X2.5低速档X2.0刀号T1X2.6高速档X2.1刀号T2X1.0X正向超程X2.2刀号T3X1.1X负向超程X2.3刀号T4X1.2Z正向超程机床外侧输入信号功能的控制设计：1、X极限和Z极限控制的设计X轴正向移动碰到行程开关时，输入信号X0001.0断开，G0114.0控制报警信号使PMC处于紧急停止，X轴停止移动。同时面板上出现闪烁报警信号。输入信号X0001.1、X0001.2、X0001.3功能设置与X0001.0相似。2、刀架的到位信号、锁紧信号程序控制的设计R0119.0是刀架功能选通信号，X0002.0接通，使用功能指令常数定义指令将T1存入D302中，在进行以下程序的比较和换刀。R0130.0得到刀号位置一致时，输出信号控制R0139.0刀架反转到位信号的接通来进行刀架到位锁紧。5.6机床外侧输出信号的控制电路设计与工作过程5.6.1冷却泵的启动（Y0.7）该信号用于控制冷却泵电机的启动与停止，控制电路工作过程：输出信号经过中间继电器KA5来控制，PMC产生冷却泵启动（Y0.7）输出信号时，首先中间继电器KA5的线圈通电，使中间继电器KA5的常开触点闭合，而中间继电器KA5的常开触点与交流接触器KM2的线圈串接，使得交流接触器KM2的线圈通电，从而使交流接触器KM2的常开触点闭合，于是冷却泵电机的供电线路接通，电机启动；当冷却泵启动（Y0.7）信号断开时，电机停止。5.6.2刀架正反转（Y1.1、Y1.2）这两个输出信号控制刀架的旋转方向，控制电路工作过程：输出信号经过中间继电器KA4、KA3来控制刀架正、反转。当PMC产生刀架正转（Y1.1）输出信号时，中间继电器KA4的线圈通电，中间继电器KA4的常开触点闭合，而中间继电器KA4的常开触点与交流接触器KM4的线圈串接，使得交流接触器KM4的线圈通电，电机正向启动；刀架正转（Y1.1）信号断开时，电机停止。当PMC产生刀架反转（Y1.2）输出信号时，经过类似的控制过程，交流接触器KM4的常开触点闭合，使刀架电机的供电线路换相接通，电机正向启动。5.6.3伺服启动（Y0.0）该信号用来控制主轴驱动器及X、Z轴驱动器的启动，控制电路工作过程：输出信号经过中间继电器KA1的线圈通电，中间继电器KA1的常开触点闭合，使交流接触器KM1开始工作，从而主轴驱动器及X、Z轴驱动器的供电线接通，给伺服系统上电。6改造后机床调试6.1机床调试的工作过程6.1.1调试准备和通电试车根据有关的技术资料完成现场主回路和控制回路的连接；检查数控控制柜及现场接线，确保无误；按照设备技术资料要求的上电顺序，数控控制柜逐步上电；将所有伺服电动机及辅助部件安装到机床，实施成套设备联机调试。要按照技术要求给机床加润滑油，加满润滑油箱，在润滑点灌注规定的油液。在通电的同时，为了安全应做好按压急停按钮的准备，随时切断电源。在线路检查等准备工作完成后，进行上电试车，通电后首先观察有无报警，然后用手动方式陆续启动各部件，试试各导轨的运行是否正常，主轴的运转是否正常，各种安全装置是否起作用，系统各部件的运行噪声是否正常等等。就可以进行下一步的试车工作。6.1.2梯形图程序调试通过RS-232通讯接口将事先编制的PMC梯形图送入控制系统，利用FANUC系统PMC梯形图开发软件“FAPTLADDER-III”的编辑，监视功能对PMC梯形图程序进行调试。1、机床输入输出动作测试，检查机床各超程限位开关是否有效，在开关量输入信号中人为接入限位信号，检验该信号能否使系统产生急停，零点是否有效。控制系统上电后，输出信号润滑泵启动、伺服打开接通，继电器工作，润滑泵电机启动，伺服驱动器上电。2、控制面板信号调试根据梯形图指令语句逐个检查操作面板上的各个按钮、薄膜开关输入信号、系统动作、外部逻辑电路的动作以及操作面板输出状态信号是否有效，各种逻辑关系是否正确，报警显示是否正确；检查操作面板上选择开关的设置是否有效，分别对操作方式、进给速率、主轴转速率设定的工作模式、速率的有效性进行测试。3、刀架换刀过程调试利用MDI模式下刀命令对刀架转位过程进行调试，首先对刀架转位功能、缩紧到位状态信号