数控车床仿真模拟控制毕业设计

潇湘职业学院学生毕业设计（论文）题 目： 数控车床仿真模拟控制 系 部： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 学 号： 2008102020151 姓 名： 黄超 指导老师： 唐志英 开题时间： 2010.10.16 完成时间： 2010.12.20 潇湘职业学院教务处制前言数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computerized Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。PLC = Programmable logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。是工业控制的核心部分目录摘要.4关键词.4第一章 数控机床基础和控制系统.41.1 数控机床的组成及分类.41.2 数控机床的工作原理.51.3 直流伺服驱动系统.61.4 交流伺服驱动系统.81.5 CJK6130数控车床系统操作面板及功能.11第二章 可编程序控制器概述.132.1 PLC的产生和定义.132.2 PLC的发展史.142.3 PLC的应用领域.142.4 PLC的特点和分类.152.5 PLC的工作原理.18第三章 数控车床模拟PLC控制.20 3.1 PLC的基本结构图.20 3.2 PLC扫描过程的中心内容.20 3.3 数控车床模拟PLC控制过程及梯形图. 21第四章 结束语.33感谢词. . 34参考文献.35数控车床仿真模拟控制 班级：大08机电1班 学生：黄超指导老师：唐志英 摘 要：随着科学技术和社会经济的发展，数控车床已成为现代机械生产的重要工具。数控车床作为现代机械生产的重要工具，随着人们对数控车床的运行安全性、高效性、精度性、自动控制等要求的不断提高，数控车床得到快速发展。其编程技术已经发展到了自动编程技术，其逻辑控制也由PLC代替原来的手动控制。数控车床采购用了PLC控制,用软件实现对数控车床运行的自动控制,可靠性大大提高。变频器调速以其优异的高速性能、高效率、高功效因素。本设计考虑到数控车床的实际操作功能，又兼顾数控车床控制中具有递推功能，所设计的控制系统针对的是数控车床的刀架和刀具。代替传统的手动换刀，由变频器实现对车床的自动控制，使PLC与自动控制装置相结合,构成PLC自动控制系统，实现了车床的各种控制功能，提高了车床运行可靠性，降低了故障频率。 关键词：数控、PLC、梯形图第一章 数控机床基础和控制系统第二章 可编程序控制器概述2.1 PLC的产生和定义：上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电接触器组成控制系统。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用 “面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”2.2 PLC发展史： 第一代：1969年1972年，代表产品有 美国DEC公司的PDP-14/L 日本立石电机公司的SCY-022 日本北辰电机公司的HOSC-20 第二代：1973年1975年，代表产品有 美国GE公司的LOGISTROT 德国SIEMENS公司的SIMATIC S3、S4系列 日本富士电机公司的SC系列 第三代：19761983年，代表产品有 美国GOULD公司的M84、484、584、684、884 德国SIEMENS公司的SIMATIC S5系列 日本三菱公司的MELPLAC-50、550 第四代：1983年现在，代表产品有 美国GOULD公司的A5900 德国西门子公司的S7系列 产品规模向两极分化 处理模拟量 追求高可靠性 通讯接口和智能模块 系统操作站配高分辨率的监视器 追求软、硬件标准化 2.3 PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（一）、开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（二）、模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。（三）、运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（四）、过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。（五）、数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（六）、通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。2.5 PLC的工作原理 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。第三章 数控车床模拟PLC控制（一）PLC的基本结构图（二）PLC扫描过程的中心内容（三）数控车床模拟PLC控制过程及梯形图1.设计说明T1、T2为钻头，用其实现钻功能；T3、T4为铣刀，用其实现铣刀功能。X轴、Y轴、Z轴模拟加工中心三坐标的六个方向上的运动。围绕T1-T4刀具，分别运用X轴的左右运动；Y轴的前后运动；Z轴的上下运动实现整个加工过程的演示。在X、Y、Z轴运动中，用DECX、DECY、DECZ按钮模拟伺服电机的反馈控制。用X左、X右拨动开关模拟X轴的左、右方向限位；用Y前、Y后模拟Y轴的前、后限用Z上、Z下模拟刀具的退刀和进刀过程中的限位现象。2.实验面板图：3.设计步骤（1）自动演示过程的接线I0.0Q0.7Q0.0Q0.3Q0.1Q0.2Q0.4Q0.5Q0.6（2）现场工作过程的接线 输入运行控制DECXDECYDECZX左X右Y前Y后Z上Z下I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1输出运行指示T1T2T3T4X灯Y灯Z灯Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.74 工作过程分析(1) 自动演示循环工作过程分析（2）现场模拟工作过程分析 1) 拨动“运行控制”开关，启动系统。“X轴运行指示灯”亮，模拟工件正沿X轴向左运行。 2）触动“DECX”按钮三次，模拟工件沿X轴向左运行三步，拨动“X左”限位开关，模拟工件已到指定位置。此时T2钻头沿Z轴向下运动（Z灯、T2灯亮）。 3）触动“DECZ”按钮三次，模拟T2转头向下运行三步，对工件进行钻孔。拨动“Z下”限位开关置ON，模拟钻头已对工件加工完毕；继续触动“DECZ”按钮三次，模拟T2钻头返回刀库，使“Z上”限位开关置ON，将取铣刀T4，准备对工件进行铣加工。 4）同上，触动“DECZ”按钮三次，使 “Z下”限位开关为ON，“Y轴运行指示灯”亮，模拟对工件的铣加工。 5）触动“DECY”按钮4次后，拨动“Y前”限位开关置ON，模拟铣刀已对工件加工完毕，系统进入退刀状态（Z轴运行指示灯亮）。 6）再次触动“DECZ”按钮三次，置位“Z上”限位开关，模拟铣刀T4已回刀库，“X灯”亮，进入下一轮加工循环。注：除“运行控制”开关之外，各钮子开关动作之后都须复位。5.梯形图参考程序 1）自动演示程序 2）现场模拟第四章 结束语随着人们对车床运行安全性、高效性、高质量、高精度等要求的不断提高，数控车床得到快速发展。其拖动技术已经发展到了调频、调压、调速，其逻辑控制也由PLC代替原来的继电器控制。本论文利用PLC来设计数控车床控制系统，可编程控制器（PLC）在数控车床中的应用非常广泛，而且具备相当多的优点。在课程设计的过程中，数控车床控制系统总体设计方案、设计过程， 列出了具体数控车床的梯形图。提出了PLC的编程方法，设计了一套数控车床控制系统方案。采用PLC实现数控车床控制，能够解决继电器接触器触点多，故障率高、可靠性差、安装调试周期长、维修工作量大、接线复杂等缺点。使数控车床运行更加安全性、高效性、高质量、高精度等。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种系统的适用条件，各种设备的选用标准，各种元件的安装方式，我都是随着设计的不段深入而不段熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从技术创新的角度对设计有了新的认识也对自己有了新的要求，提高是有限的但提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。感谢词在这次毕业设计的过程中难免会出现这样那样的问题，如：在选择计算标准件的时候可能会出现误差，在查表和计算上精度不够准确；其次：确定的设计方案可能不是最佳的；再次，在轴的校核设计方面也比较薄弱，轴的受力分析等方面都遇到了困难，对于我来说，收获最大的是设计思路、设计方法和能力的提高，特别是CAD绘图水平有了空前的提高、计算机基础知识的应用能力也大大提高。本次的毕业设计，让我了解了设计的整个流程，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和理论联系实际，应用生产实际知识解决工程实际问题的能力；在设计过程中发现了自己的不足和不少的漏洞，然后不断地改进，解决了一个又一个摆在我面前的难题，大大的增强了自信心。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。最后我想对指导我设计的唐老师说一句：“老师，您辛苦了！”参考文献1 常晓玲.电气控制系统与可编控制器.北京：机械工业出版社，20042 王永华.现代电气控制及PLC应用技术.北京：北京航天大学出版社，20083 周宏甫.机械制造技术基础.北京：高等教育出版社，20044 熊军.数控机床原理与结构.北京：人民邮电出版社，20075 刘力健.数控加工编程及操作.北京：清华大学出版社.20076 赵先仲.机电一体化系统.北京：高等教育出版社.2004