普通车床数控化改造

普通车床PLC改造第一章 绪 论 1.1本文选题的背景及意义1.1.1金属切削机床及其在国民经济中的地位金属切削机床是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，他是制造机器的机器，所以又被称为“工作母机”或“工具机”。机床的母机属性决定了它在国民经济中的地位。机床工业为各种类型的机械制造厂提供先进的制造技术与优质高效的机床设备，促进机械制造工业的生产能力和工艺水平的提高。机械制造工业肩负着为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，即为工业、农业、交通运输业、科研和国防等部门提供各种机器、仪器和工具。为适应现代化建设的需要，必须大力发展机械制造工业。可见，机械制造工业是国民经济各部门赖以发展的基础，而机床则是机械制造工业的基础。一个国际机床工业的技术水平在很大程度上标志着这个国家的工业生产能力和科学技术水平。1.1.2数控机床的优越性 数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.1.3数控机床在我国的发展现状我国是世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使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。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右,而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现,除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外,一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进,新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长,从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。具体地说,这个问题反映在下列五个方面:(1) 我国机床厂目前开发基型产品的周期约为1518个月,其中设计时间约为58个月,占总周期的40%左右。而国外一些先进机床厂同类基型产品的开发周期为69个月,其中设计约1.52个月,只占25%。因此无论是产品开发的总周期还是设计所占的时间比例均与国外先进水平有很大的差距。(2) 我国工厂由于缺乏设计的科学分析工具(如分析和评价软件、整机结构有限元分析方法以及机床性能测试装置等),自行开发的新产品大多基于直观经验和类比设计,使设计一次成功的把握性降低,往往需要反复试制才能定型,从而可能错过新产品推向市场的良机。(3) 用户根据使用需要,在订货时往往提出一些特殊要求,甚至在产品即将投产时有的用户临时提出一些要求,这就需要迅速变型设计和修改相应的图纸及技术文件。在国外,这项修改工作在计算机的辅助下一般仅需数天至一周,而在我国机床厂用手工操作就至少需12个月,且由于这些图纸和文件涉及多个部门,常会出现漏改和失误的现象,影响了产品的质量和交货期。(4) 现在我国工厂设计和工艺人员中青年占多数,他们的专业知识和实际经验不足, 又担负着开发的重任。(5)由于长期以来形成的设计、工艺和制造部门分立,缺乏有效的协同开发的模式,不能从制订方案开始就融入各方面的正确意见,容易造成产品的反复修改,延长了开发的周期。为解决这些问题,必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术,发展优化和仿真技术,提高产品结构性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境,使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面,使企业取得良好的经济效益。1.1.4机床数控化改造的必要性我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 经过大量实践证明普通机床数控化改造具有一定经济性、实用性和稳定性。所以很多企业纷纷将现有机床改造成经济型数控机床，这种做法具有投资少、见效快的特点。事实证明：用较少的资金，将普通机床改造升级为数控机床，可以为企业带来可观的经济效益。1.2机床数控技术的基本概念1.2.1概述数控技术，简称数控(NumericalControl)。它是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。数控系统包括：数控装置、可编程序控制器、主轴驱动及进给装置等部分。要实现对机床的控制，需要用几何信息描述刀具和工件间的相对运动以及用工艺信息来描述机床加工必须具备的一些工艺参数，如：进给速度、主轴转速、主轴正反转、换刀、冷却液的开关等。这些信息按一定的格式形成加工程序，通过数控系统的译码，从而使机床准确地动作和加工出优质的零件。1.2.2数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件加工程序。译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求的零件轮廓。插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。1.3数控机床的组成和分类1.3.1数控机床的组成数控机床一般由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，见图1-1：图1-1 数控机床的组成(1)输入输出设备输入输出设备主要实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印 。(2)数控装置数控装置是数控机床的核心。它接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。(3)伺服系统伺服系统是接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驭动部件。它包括伺服电路和伺服电机组成。一般来说，数控机床的伺服驱动要求有好的快速响应性能，能灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。(4)测量反馈装置该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。(5)机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削加工的机械部分。1.3.2数控机床的分类按伺服系统的控制原理可分为：开环控制的数控机床、半闭环控制的数控机床和闭环控制的数控机床。(1)开环控制的数控机床这类数控机床不带有位置检测装置，数控装置将零件程序处理后，输出数字信号给伺服系统.驱动机床运动。指令信号的流程是单向的。如图1-2所示。图1-2 开环控制的数控机床(2)闭环控制的数控机床这类机床带有检测装置。它随时接受在工作台端测得的实际位置反馈信号，将其与数控装置发来的指令位置信号相比较，由其差值控制进给轴运动，直到差值为零，进给轴停止运动。如图1-3。图1-3 闭环控制的数控机床闭环控制可以消除包括工作台传动链带在内的误差，从而定位精度高、速度调节快，但由于工作台惯量大，给系统的设计和调整带来很大的困难，主要是系统的稳定性受到不利影响。(3)半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床与闭环控制得到数控机床的区别在于检测反馈信号不是来自工作台。而是来自电动机端或丝杠端连接的测量元件。如图1-4。图1-4 半闭环控制的数控机床实际位置的反馈是通过间接测得的伺服电动机的角位移算出来的，因而控制精度没有闭环高，但机床工作的稳定性却由于大惯盆工作台被排除在控制环外，调试方便，因而广泛用于数控机床中。1.4数控机床的特点(1)加工零件的适应性强，灵活性好。(2)加工精度高，产品质皿稳定。(3)生产率高。(4)减少工人的劳动强度。(5)生产管理水平高。 1.5 CA6140车床数控改造技术参数 最大工件直径/mm 400 最大工件长度/mm 1500 溜板及刀架重力/N 纵向（z轴）800；横向（x轴）600 刀架快速移动速度/m/min 纵向2.4；横向1.2 最大进给速度/m/min 纵向0.6；横向0.3 定位精度/mm 0.015 主电动机功率/kw 7.5 启动加速时间/ms 30第二章 车床的总体改造和设计2.1 CA6140车床改造的总休方案图2-1 数控系统的总体框架总体框架说明:(1) PC机：可采用工控PC机，可满足该控制系统的控制要求。(2)运动控制卡：采用PCL运动控制卡，该卡是一种高速三轴步进电机运动控制卡，它有16位的数字输入、输出口，可实现三轴联动。因此，它可以满足车床X、Z轴联动，实现直线，圆弧插补。(3)光电耦合电路的作用是能够隔离外部干扰信号对运动控制卡的信号冲击，提高系统的稳定性。(4)机床本体是由CA6140改造而来，拆除原来的丝杆，溜板箱，变速箱等。(5)步进电机及其驱动器要能够达到0.005mm的加工精度要求。(6)各种限位开关：减速开关，回零开关均安装在机床本体上，限位开关起着硬件硬限位的作用，当车床加工工件超出加工范围时，车床自动停止加工。减速开关的作用是当车床刀架回零并走到车床零点附近时，减速开关被开启并通知车床减速走到零位置。2.2进给系统的设计考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本车床的X、Z两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机+刚性联轴器+滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副。2.3控制系统的软件部分该车床控制系统采用GSK980T系统。其功能主要有读取零件的加工G代码，编辑和编译G代码，仿真加工(包括加工前仿真和与加工同步仿真)，回参考点，手工对刀，加工中断，超程软限位等功能。它可处理进给速度，主轴速度及转速方向，刀具信息，M功能等多种加工信息。加工过程中，软件界面的状态栏还可以显示出刀具当前的坐标，加工状态，加工时间等信息。2.4改造后机床的特点(1)具有与原机床一致的刚度与强度.(2)具有与原机床一致的加工范围。(3)纵向进给直线度与原机床一样，其运动精度则有数控系统和纵向电机、滚珠丝杠的精度保证。(4)横向进给的直线度和运动精度全部有改造部分的制造和装配精度保证。(5)可充分利用机床床身部分的已加工表面作为改造部分的定位和测量基准。(6)改造后的机床外型将类似于国产经济型数控车床，整体较美观、大方。 第三章 机床的电气改造3.1 数控系统的选择机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了GSK980TD型数控系统。数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。常年的工作考脸证明GSK980TD系统是最可靠的数控系统之一，它能在一般车间环境下运行。其工作场地的室温为0-45，相对湿度75%短时可达95%,抗震为0.5g ，电网电压波动为10%-15%,经对使用中系统的实际统计，GSK980TD系统的故障率为0.008，比较好地满足了我国市场的要求。GSK980TD系统之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素：(1)可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺。(2)大规模及超大规模的专用集成电路芯片：GSK980TD系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。(3)全自动化工厂生产制造：多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统的组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界(人)的不稳定因素的干预。所以产品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制软件设计：GSK980TD系统经过在国内各地数年的运行，积累了丰富的数据，因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况，加入了许多保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检侧、过压、过流、反馈断线等报警，使得机床运行中出现故障时，系统能及时处理，从而进免了元部件的损坏。(5)数字式进给伺服和数字式主轴驱动：数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰。3.1.1 硬件结构采用CISC（超大规模集成电路）技术的GSP主板，主板上连接可插接(分离的)小模板。对于数控系统，由于其是弱电电路，如果采用十24VDC为电源输入，可以大大降低其热源和不稳定因素。用户可以把+24V稳压电源放在电气柜内，从而大大提高了整个数控系统的可命性能。GSK980TD系统的可靠性好，性能/价格比高，在全国各地己销售10余万台。随着大规棋集成电路芯片的发展，GSK980TD系统的破件结构已经改进过多次。目前销售的TA和TD，其硬件结构基本一样，只是控制轴数不同，所配置的进给轴驱动电机不同。GSK980TD系统的CNC单元为大板结构。基本配置有主板、存储器板、I/O板、伺服轴控制板和电源。各板插在主板上，与CPU的总线相连。(1)主板主CPU在该板上。主CPU用于系统主控，原来用80386，从1998年起改用80486/DX2。此外，显示的CRT控制也在该板上。(2)存储器板该板上有：系统的控制软件ROM(共5片)。GSK980TD系统可控制车床。不同类型的机床控制软件不同；伺服控制软件ROM I片；PMC-L的ROM芯片2片，用于存储机床的强电控制逻辑程序；RAM芯片，用于寄存CPU的中间运算数据，根据需安装；COMSRAM，用于存储系统和机床参数、零件加工程序，根据用户要求配置，最大可为128K字节。CMOSRAM与4.5V 电池相连，关机时保存信息。(3)I/O板该板是CNC单元与机床强电柜的接口，接收或输出24V直流信号，由PMC实施输入/输出控制，I/O点数可根据机床的复杂程度选择，标准配置为104个输入点，72个输出点。(4)进给伺服控制板GSK980TD系统全部用数字式交流伺服控制。其控制板装在CNC单元内，插在主板上，即CNC单元与进给伺服为一体化设计。伺服板上有2个CPU(TMS320)，用于伺服的数字控制。每个CPU控制2个轴，一块板可控制4个轴。该板接受主CPU分配的伺服控制指令，输出6个相位各差60的脉宽调制信号(每轴)，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。TD系统为4轴(最大配里)控制，2轴联动，只用一块伺服板。(5)电源主要有5V直流电，用于各板的供电。24V直流电，用于单元内各继电器控制。除上述这些板外，还有图形控制板、PMC-M板、远程缓冲器(REMOTE BUFFER)板，这些板用户可根据自身要求选订。(6)PLC功能的内部集成PLC功能的内部集成化，提高了PLC和CNC的内部通讯能力，增强了机床的逻辑控制，PLC的32输入和24输出模块，阳M的32输入和24输出模块，可以和外围的电路相连接，而这种模块，通过阳M提供的电缆和刚M数控系统连接。这就提高了整个机床的可靠性。同时又提高了数控系统的保护(如果有间题，只能损坏这种模块，不会对数控系统造成破坏)。光纤技术的通讯，可以扩展PLC输入输出点，通过光纤进行连接，简化和线路的连接。(7)轴转接模块GSK980TD提供了轴转接模块，机床的编码器和到伺服的线路可以直接联到此模块，通过它再和数控系统的轴板进行连接。提高了数控系统的可靠性，如果机床的轴有问题，可以直接把轴模块上的插头相对换，就能很快的查出问皿所在(系统内部或外部)。3.1.2 软件功能(1)CNC功能系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的G代码功能。M功能和PLC功能的调用子程序，E参数(用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值)。强大的通讯功能(RS232IRS4221RS485) ，边加工边传输功能。提高了计算机的CAD/CAM程序的加工能力。完善的丝杠螺距补偿。FANUC的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。并且没有固定的距离和补偿值的限制。(2)PLC功能梯形图的PLC程序，多任务的PLC程序的编程结构，提高了PLC程序的编写和可读性。梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的PLC和CNC交换信息量, PLC图形界面的管理。(3)强大的编程软件 GSKCC软件。Windows环境下并运行在PC计算机上，PLC程序的编写工具，方便的机床程序管理。简便的通讯能力(PCIONC间为主从关系，所有操作均在PC侧完成)，动态的PLC程序显示(PC侧)。 GSKCC软件Windows环境并运行在PC计算机。调整NC的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。3.1.3 显示GSK980TD系统的显示器320 240点阵，用单色液晶显示器(LCD),标准为5.7,也可配彩色显示器。GSK980TD系统有图形显示功能：对编制的加工程序进行加工前的图形模拟，模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形状:在加工过程中显示刀尖的轨迹，使操作员能够监视切削过程。图形可局部放大，以便观察细部。显示图形必须用图形控制板，该板为专用微机，CPU用80186。3.1.4 PMC控制PMC就是可编程序机床控制器，是专门用于控制机床的PLC。GSK980TD系统的PMC只有47条指令基本指令有12条，功能指令有35条)。基本指令为2进制位的逻辑运算，功能指令主要有数据定义、数据变换、译码和代数运算。GSK980TD系统用梯形图编制PMC顺序逻辑程序。由于有功能指令，使得PMC程序编制非常容易，简捷。梯形图可用下述两种方法编制：用专用的编辑卡利用LCD液晶显示画面在系统上现场编制。在计算机上装入专用软件用计算机编制，然后经RS-232C口将梯形图程序传送到数控系统。调试好的程序要用写入器写入EPROM。GSK980TD系统PMC控制有FMC-L和PMC-M2种。PMC-L的处理机与主机共用，其处理时间为6 /步，最大步数为5000步。PMC-M为专用处理机，徽处理器为80186，专用一块板，插在主板上，处理时间为2us步，最大步数为8000步。2种PMC的扫描周期均为I6ms。3.1.5 进给伺服驱动GSK980TD系统进给轴的驱动使用交流同步电动机，目前为a系列。根据其负载特性和快速性分为:a(标准型)、am(高加速特性)、ac(经济型)和aL(低惯量型)。最大力矩为400Nm。 0-C配a型;0-D配置ac型。am加速特性好，从0至最高转速的启动过程为24ms，故用于高速加工。电机轴上装有脉冲编码器，每转发出65536个脉冲(经电路倍频)，用做位置反馈和速度反馈。这种位置反馈，是间接测量工作台的直线位移，所以称为半闭环伺服系统。但是，只要设定相应的参数GSK980TD系统可以使用直线光栅尺，使系统接成全闭环。除此之外，还可接成双位置反馈，即同时具有上述2个闭环。这样，既可以提高系统的稳定性，还可以提高系统的快逮性和加工精度。进给伺服单元的控制用前述的轴控制板，该板输出控制指令信号到功率放大器。功率放大器为模块化结构，分为整流模块和逆变模块，使用IPM元件。LSI是专用位置控制大规模集成电路芯片。ROM中存储的控制程序主要有同步电机的快速响应矢量控制、IP调节器、速度和位里的反馈控制、前馈和提前前馈控制和状态观测器。此外，还有许多非线性补偿与控制，如单脉冲抑制、超调抑制、反向间隙加速补偿、机床的速度反馈等。还有运行过程的监测及保护。由于有这些控制，使GSK980TD系统运行可靠、快速、平稳、精度高。3.1.6 主轴驱动GSK980TD系统可以同时控制2个主轴电动机，可以是2个数字式控制的电机，也可以一个为数字式，另一个为模拟式控制电机。模拟控制指令是0-10V的直流电压。该系统的主轴电机为异步电机，目前为a系列。有以下品种;a:标准型，恒功率调速范围4:1; aP：恒功率宽调速范围型(8:1); aC经济型;aT：与主轴直连型。主轴电机的最大功率为37kW，最高转速可达15000r/min，用数字式矢量控制。主轴驱动有速度控制和位置控制2种工作方式，普通加工为速度控制。主轴电机轴上装有圆型的磁性传感器，用做速度反馈。位置控制用于主轴同步、主轴定向、刚性攻丝、Cs轴轮廓控制。因此需要控制主轴的转角或转位，轮廓控制时要与其它轴插补。此时需在机床的主轴上装位置编码器，位置编码器有光电式和磁性传感器。普通为每转发出1024个脉冲，高精度的发出360000个脉冲/转。主轴控制用单独的CPU控制，处理器为TMS-320。从CNC单元输出的控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元，数据为串行传送，因此可靠性比较高。3.1.7 RS-232C口及数据通讯GSK980TD系统有2个串口(RS-232C)，分4个通道，用于系统与外部设备的数据交换。交换的数据包括:系统及机床的设定参数、PMC参数、零件加工程序、刀具补偿值、设定的工件坐标系、丝杠的螺补值等。与计算机相连时，计算机内必须装有数据传送软件。最快的传送速率为9600bps。除上述的信息交换外，利用串行通讯还可实现下列方式的在线加工与机床的DNC管理:(1)纸带方式的加工:加工复杂零件时，加工程序非常长，CNC的内存容量不够用，可将程序存于外设，如计算机的软盘。用电缆将PC机与CNC经串口连接后，启动自动加工，CNC预读15个程序段，开始加工。此后加工一段读入一段，直至结束。(2)远程缓冲(REMOTEBUFFER):上述方式虽然解决了长程序的存储问题，但由于数据的边读入、边处理、边加工，所以加工速度慢。对于小程序段、快速加工，走刀有停顿现象，为此，开发了REMOTEBUFFER功能。该功能可实现数据块的传送，有2种工作方式:计算机存储的加工程序是通常的加工代码指令方式。缓冲器接受后变为2进制，然后送到CNC执行。计算机存储的加工程序是按2进制编制的。缓冲器收到后不经转换即送往CNC执行。这2种方式都比纸带方式的加工速度快，数据传送速率最快为77900bps.最诀加工速度为15m/s，电缆最长可达100m(无调制解调器时)。(3)DNC2:它可使8台CNC机床与主计算机远程相连，实现多台机床的加工监控与管理。连接方式为点点式，数据传输协议为LVS2，传送速率最高为19200bps。CNC与主计算机交换的信息除了系统和机床的参数、加工程序、加工的设定值外，还可传送机床的工作状态，如自动加工启动、停止、加工中暂停、报警等。DNC2共设计了60多条指令。主计算机必须根据这些指令格式编制相应的处理程序，编程语言用C。为方便用户，可提供宏指令库。3.1.8 调机、维护与故障诊断(1)伺服参数设定与调整:为了方便调机，系统的CRT有进给伺服参数设定画面和调整画面。在参数的设定画面上，只需设定初始化位、电机代码等参数即可设定好所用电机的标准参数，使电机稳定运行。其中的柔性变速比可设定电机与滚珠丝杠及位置反馈传感器(脉冲编码器)之间的齿轮传动比。该变比可以不为整数。在伺服调整画面上可以定量地读出机床工作台移动时各轴的伺服增益、伺服误差及其变动情况。据此，可判断系统运行是否稳定、有无爬行以及跟随精度等，根据情况进行适当的调整。有故降时该画面还显示伺服的报警。(2)主轴参数设定:输入主轴电机的代码及初始化位即可设定好主轴电机的标准参数，电机即可稳定运行。主轴运行有监视画面，在该画面上可读出主轴电机的转速、负载百分比及主轴的转速，从而可以省去通常的转速表和负载表。(3)加工程序错误显示:程序出错时，CRT上显示报警号。根据报警号可由说明书中查出错误原因，报警表是多年经验的积累，几乎所有的编程错误都可从该表中查出。(4)运行故障显示:CNC控制软件的运行、硬件的各主要元件、伺服控制、主轴控制等出现故障时，CRT上均显示相应的报警号。GSK980TD系统对这些故障有较好的保护。例如，伺服反馈断线形成大开环时，既不会撞车，也不会损坏元件。(5)I/O信号诊断。CRT可显示梯形图，在该图上可以检查机床强电信号的工作。CRT还有诊断画面，通过该画面，根据信号的地址检查0/1状态变化，可判断其是否正常工作。3.1.9 系统的功能GSK980TD系统为全功能型，下列一些功能增加了系统的应用范围和操作的方便:Cs轴轮廓控制:可以省掉Cf轴，用主轴的转动作为回转坐标与其它直线轴插补，加工轮廓曲线。刚性攻丝:Z轴进给与主轴转动同步，不用弹簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。PMC轴控制:用梯形图程序控制伺服进给轴，用于回转轴分度或定量位置进给。0-C系统PMC可控制2个进给轴。主轴双刀架。0.1um分辨率:系统分辨率标准设定为1urn。可用参数设定为其1/10.加工程序的后台编辑:自动切削过程中可以编辑新的程序。菜单编程。图形会话在线自动编程:有多种形式，最新的是符号指令形式，易学，易操作。有工艺参数语句。用户宏程序:一种参量编程软件包，用来编制加工程序(适合于成组工艺)或者用其接口变量编制PMC程序，控制CNC的运行状态。CNC是本系统的核心部分，用以完成人机对话与通讯，解释机械加工语言，分配加工任务，以及协调各功能模块的工作等。进给控制部分选用NUMDRIVE交流伺服系统，根据计算以及参考同类型机床，纵向(Z轴)选36N.m交流何服电机，横向(X轴)选用22N.m电机，实现位置、速度双闭环控制，以实现机床精确的进给运动。辅助控制部分包括机床的冷却系统、润滑系统与主轴运动等方面的控制。同时在主轴箱内安装编码器，以构成加工螺纹所需的主输系统(c轴)。选用IOO Opmr的编码器，由于主轴大齿轮为128齿(m=5)，故编码器前端齿轮选用20齿，其速比为6.4:1,则主轴每转一转，编码器将返回6400个脉冲，经四分频后，每转计数脉冲为25600，分辨率为50.625秒/脉冲，完全满足数控系统对C轴的反馈精度要求。3.2 数控系统电气控制线的连接原机床已有一个电控柜，里面放置了开关、继电器、接触器等。根据改造后的电气原理图，设计制作电控柜，淘汰了原有的电控柜。GSK980TD数控系统外围接口棋块如下:(1)RS-232通讯接口。(2)X轴,Z轴及主轴控制接口:用来控制X轴、Z轴伺服电机的运动及主轴的转速。(3)编码器反馈信号接口:用于与主轴电机的编码器的连接，编码器的作用是将转速信号转换为脉冲信号，从而实现了对主轴转速的检测，这在螺纹加工的时候是不可缺少的。(4)手摇脉冲发生器接口:实现手动、联动切削。(5)开关量输入输出接口:输入信号主要用于X、Z方向是否超程的检测，刀架的位置检测，坐标原点位置检测等。输出信号主要用于主轴的转速控制，主轴的正、反转或停止控制，主轴的冷却液的开、闭控制，刀架正、反控制等，另外，输入模块除接受一般的24VDC开关量外，还可以接三线式的接近传感器信号。这样对该机床的一些三线式接近开关，提供了方便可靠的连接。(6)机床操作面板接口，FANUC机床操作面板有多达39个自定义键。面板与系统采用光纤连接，结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床立板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。(7)模拟输入输出及外部中断接口.此接口为机床提供了一个灵活的模拟输出口，便于与其它模块相连。(8)密集型面板接口。可通过密集型面板进行参数设定。输入零件加工程序，实时跟踪加工情况。3.3 数控系统内部总线上数据信息的传输数控系统与功能模块间的数据交换可方便地利用总线进行，系统中总线上的数据信息传递是通过公共数据区进行的，如数控系统将数据写入进给控制模块的公共数据区，供模块内CPU随时读取，同样进给控制模块CPU发出数据信息也要写入公共数据区，供数控系统随时读取。为了保证系统的高效运行，要求所传输的每个数据信息都应选用最有效率的信息，即是必须传输的，意义准确完整的，和尽量选用使用频率高的信息，这有助于提高系统的可靠性，运行效率和减少信息传输费用。以下为机床数控系统内部总线上传输的各种信息。3.3.1数控系统与进给控制模块间信息传输数控系统发出:设定值。控制参数 :PID调节参数，行程极限，速度极限。控制字 : 进给控制运行(运行、停止等)。进给控制给定:位置进给量、速度进给量进给控制模块发出:运行状态: 正常运行，加工受阻，停止加工。运行参数: 实测位置，实测转速。3.3.2数控系统与输入输出模块间信息传输数控系统发出:主轴转速设定值。逻辑控制 :控制刀架，冷却泵，冷却阀等。输入输出模块发出:实测主轴转速值。运动逻辑状态:刀具到位识别，气动卡盘夹紧，主轴超速，机床原点，越位限制等。对上列数据信息，根据其表示方式与内容要求，在控制系统中为它们各自分配存储空间，设计传输通道。 第四章 可编程控制器PLC的控制及设计4.1 PLC的基本结构及工作原理PLC采用的是典型的计算机结构，主要包括CPU,RAM,ROM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PLC看作一个系统，该系统由输入变量-PLC-输出变量组成，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为PLC的输入变量:它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC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PLC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PLC看作一个中间处理器或变换器，以将输入变量变换为输出变量。4.1.1 PLC控制系统组成(1)输入部分:如按钮开关、限位开关等，直接与PLC输入端子相连接，用以产生输入控制信号，这些信号来自操作台上的人工指令。(2)控制部分Z反复执行根据被控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z如接触器、电磁阀等，它们直接与PLC输出端子相连接，用以控制被控对象的动作。4.1.2 PLC工作过程分三段进行(1)输入处理:PLC以重复扫描方式执行用户程序，在执行程序前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，输入映象寄存器的内容也不变，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，PLC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象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物出映象寄存器中。(3 )输出处理:当全部指令执行完毕后，将输出映象寄存器中的状态全部传送到输出锁存寄存器中，构成PLC的实际物出并有输出端子送出。4.2 PLC与CNC机床的联接方式CNC数控系统的控制信号有两类:一类是高速信号,主要用于各个坐标轴的插补运动;另一类是低速信号，主要用于控制主轴电机的正、反运转、接触器、电磁阀的通断等开关t，低速信号的控制对象主要一些商电压或大电流的强电设备，其控制采用可编程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特点，而且随粉可编程控制器本身性能价格比不断提高，在现代CNC, FMS系统中的应用有不断上升的趋势。目前，数控机床PLC的形式有两种:一种是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC, PLC在CPU外部，称为外装型PLC;第二种是采用数控氛统与PLC合用一个CPU的方法.PLC在CPU内部，称为内装型PLC. FANUC数控系统采用内装型PLC。可编程控制器与CNC机床的联接方式本质上是外电路联接方法，系统I/0口发出控制指令，使可编程控制器输入端无触点开关通断，通过CNC数控完成可编程控制器对机床强电的逻辑控制。CNC机床的被控对象有带动主轴旋转的主电机、大量开关量、伺服电机等，可编程控制器与CNC机床的强电、CNC数控装里1/0口的联接可归纳为三部分。4.2.1 PLC输入输出端与机床面板信号联接FANUC机床操作面板有多达39个自定义键。面板与系统采用光纤连接。结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床面板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。CNC数控机床操作面板上有按钮、旋钮开关、波段开关和指示灯等.按钮、旋钮开关和波段开关直接与可编程控制器的愉入端接线柱相连，指示灯接线直按与PLC输出端接线柱相连，指示灯的亮暗取决于相应的PLC输入端的开关状态及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。4.2.2 PLC输出端与机床强电信号联接PLC在CNC机床中的主要作用是控制强电部分.如:主控电源、伺服电源、刀架电机正反转、主轴风扇、润滑电机势。由于流过强电电路的电流很大，在PLC输出瑞都接有保护用继电器。在每一个交流缘圈两侧并联阻容电路以吸收由于线圈通断时产生的浪涌电流.为了提商电机运行的可非性，在接触移线翻电路中加有互锁保护触点。同理，每个电机的运行程序控制逻辑都固化在PCROM卡中，受机床操作面板开关和数控系统软件的控制。4.2.3 PLC输入端与CNC机床数控装盆I/O接口的联接可编程控制器物出端的通断是由其物入端通断状态及梯形图程序决定的，CNC机床数控装I与可编程控制器的联接是通过软开关直接控制PLC粕入端的通断.以决定PLC输出端的状态.从数控装置I/0口的信息流向分析，可以分为两种情况:一是数控装!从1/0口输出指令，控制PLC完成相应的动作;另一种是检测PLC输入口的开关状态，数控装里的I/0口是输入信号，数控装登根据输入信号的性质做出相应的控制。4.3 CNC加工代码在PLC上的实现方法目前，数控机床程序中，有关机床坐标系约定、准备功能、辅助功能、刀具功能及程序格式等方面已趋于统一，形成了统一的标准，即所谓的CNC机床ISO代码，在一个加工程序中包含许多程序段，每个段又由若干字组成，每I个字表示一种功能，归纳起来有4种:一种是准备功能，即所谓的O代码;第二种是辅助功能，即所谓的M代码:第三种是刀具功能，即所谓的T代码:第四种是转速功能即所谓的S代码。根据数控机床性能的不同能执行这4种功能多少的程度也不同。在数控机床内部4种功能中，O功能主要与联动坐标轴驱动有关，是通过CPU控制数控装置的I/0接口实现;M功能主要控制机床强电部分，包括主轴换向、冷却液开关等功能;T功能与刀具的选择和补偿有关。4.3.1 T功能代码的实现方法T功能代码包含两部分，一是刀具选择;二是刀具位里补偿.在PLC上实现的是第1部分功能:刀具选择。换刀过程如下:运行数控程序，发出某个刀具号的换刀指令，对应的数控装里I/0口变为商电平，使PLC输入端的软开关接通，换刀电机正转，当在刀架上的干赞管触点开关接通后换刀电机反转，使刀架下落压紧，当压紧力足够大时，徽动开关接通，换刀电机停止运转。4.3.2 M功能代码实现方法ISO数控加工代码标准中辅助功能很多，对于不同的数控机床，所能实现的辅助功能也不尽相同，但是各种数控机床都具有一些荃本的辅助功能，如M00程序停止)，M03(主轴正转)，M05(主轴停止)等，M功能的一部分是由数控系统本身的硬件和软件实现，还有一部分需要数控装2与PLC相结合来完成，如主轴的正转与停止功能，M功能的实现与T功能的实现方法类似，同样是数控装21/0接口发出指令，由PLC输入端状态和PLC内部ROM中的梯形图程序决定PLC愉出端的状态.进而完成M功能，4.4 P LC程序的模块化设计4.4.1模块的划分一个应用程序包括一套在PLCTOOL编程工具下产生的模块。把它装入NC去控制相应的系统，本次设计中，我们利用PLCTOOL软件，综合管子车床的特点，开发了该机床的PLC控制程序。将PLC程序划分为5个模块，即公共信号模块、荃本控制模块、刀架模块、主轴模块、报警模块。(1)公共信号模块:主要处理PLC与NC之间的接口信号。(2)荃本控制模块:主要用来处理紧急停止、润滑、冷却、方式选择、手动进给、程序启停等信号。(3)刀架模块:用于对转塔刀架的选刀、定位等过程进行逻辑控制。(4)主制模块:对主轴正反转、主轴定向、主轴变速等动作过程进行控制。模块中包括伺服主轴和变频主轴两种控制逻辑，可通过修改PLC参数进行切换。(5)报等模块:对机床故陈误操作等状态进行监测并触发相应的报誉文本信息同时产生各种安全互锁信号，防止对机床或人身造成伤害。以上5个模块的功能可通过1个主程序和12个子程序完成，主程序主要完成系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。程序结构如表4-1：表41程序结构如表 名称文件名任务模块主程序MAIN.XIA%TSO初始化INIT.XLA%INI子程序急停JITING.XLA%SP1冷却LENGQUE.XLA%SP2导轨润滑DGRUNHUA.XLA%SP4主轴SPINDLE.XLA%SP6伺服SERVO.XLA%SP8刀架DAOJIA.XLA%SP10手动J.XLA%SP14方式MODE.XLA%SP16M01功能M01.XLA%SP18跳步SKIP.XLA%SP20轴记忆ZJIYI.XLA%SP24报警ALARM.XLA%SP264.4.2模块的构成每个模块都分为输入部分、主体逻辑部分和输出部分，输入部分将输入信号的物理地址转化为PLC的中可逻辑地址，以保持主体逻辑部分相对于翰入地址的独立性，主体逻辑部分是模块的主要构成部分，完成控制过程的逻辑和算术运算。并将运算结果暂存于中间逻辑地址。输出部分有两个作用:一是将主体逻辑部分的运算结果传送给输出信号的物理地址，实现机床各功能部件的动作，并保持主体逻辑部分相对于输出地址的独立性;二是向其它模块提供接口信号，以实现各种顺序或连锁控制功能。4.5变量说明交换规则 :自动控制功能和NC功能之间的交换是通过一个双方功能指令都能存取的存储器空间作为数据交换区来实现的。数据的交换不需要经过输入输出卡，而是山自动控制功能直接进行的。这里所说的输入和输出是相对于自动控制功能定义的，输入是由自动控制功能读的一个变t，而输出是由自动控制功能写的一个变量。变量可分为:内部变量、端子板输入输出变量、配置和诊断变量、CNC接口变量、公共字变量以及局部变量。本次设计所编制的梯形图程序所用变量有内部变量、端子板输入输出变量、CNC接口变量。详细如表4-2:表42输入/输出(I/O)卡接口变量 输入点变量说明变量说明%I500.1+X限位%I501.4四号刀位%I500.2-X限位%I501.5刀架正位%I500.3+Z限位%I502.0主轴电源无故障%I500.4-Z限位%I502.1主轴伺服准备好%I500.5X参考-15%I502.2主轴转速过低%I500.6Z参考点%I502.3伺服电源准备好%I500.7C参考点%I502.4X轴模块准备好%I501.0急停%I502.5Z轴模块准备好%I501.1一号刀位%I502.6PLC无故障%I501.2二号刀位%I502.7低泊位%I501.3三号刀位%I503.0一般故障输出点变量说明变量说明%Q500.0PLC准备好%Q501.2主轴伺服电源%Q500.1C轴参考点%Q501.3伺服电源%Q500.2X轴使能%Q501.4主轴风扇%Q500.3Z和！1使能%Q501.5润滑电机%Q500.4CNC故障%Q501.6冷却%Q500.5一般故障%Q501.7手动润滑%Q500.6主轴报警%Q502.0刀架正转%Q500.7伺服报警%Q502.1刀架反转%Q501.0限位报警%Q502.2主轴电源使能%Q501.1低泊位显示 NC输入/输出变量变量记忆符说明%R2.6E-SLASH程序段跳过使能%R3.0E-RAZCNC复位在进行中%R3.1E-ARUS循环停止%R3.2E-CYCLE循环在进行中%R3.3E-RAX轴运动恢复%R3.4E-DGURG紧急返回%R5.0E-CNPRETCNC准备好%R15.BE-INCJOG*08手轮进给%R16.BMODCOUR=0自动1单段2输入3空运行6试验7手动方式%W3.1C-ARUS加工停请求%W3.2C-CYCLE发出循环脉冲%W3.3C-RAX轴恢复选择%W3.4C-DGURG紧急返回请求%W3.6C-SLASH程序段跳过使能%W3.7C-M01选择停使能%W4.0AUTAV允许在所有轴组上进给%W4.3NARFIB程序结束时不停止运行%W5.1MODEPUP操作方式选择%W14.BMODEDEM=0自动1单段2输入3空运行6试验7手动方式 4.6梯形图程序实例4.6.1 主程序TSO-模块1主程序主要完成一组进给授权、一组使能、选择轴、读入进给倍率及主轴倍率、从CNC中读出主轴参考速度等系统初始化工作，然后调用子程序，实现对机床的各种控制。4.6.2程序启停子程序SP12-模块2图4-1 程序起停控制梯形图当按下CYCLE START键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，发出循环脉冲，CYCLE=1,当循环灯没亮，且循环在进行时，CYCLE START灯亮。当按下CYCLE STOP键，且三轴(X,Z ,C )使能都加上时，则发出加工停请求，CARVS=1;当循环停显示，则循环停止。4.6.3自动换刀控制程序SP10-模块3刀架有刀架电机驱动，刀具盘上有4个均匀分布的刀具位，程序完成对刀架正(图4-2)、反转及换刀(图4-3)等控制。图4-2 刀架正转梯形图图4-3 换刀梯形图4.6.4报誉控制程序SP24-模块4报警等控制程序主要有CNC状态报警、一般故障报警、低油位报警、伺服报警、主轴报警等(图4-4)。图4-4 CNC状态报警梯形图4.6.5主轴控制程序SP6-模块5主轴控制主要包括对主轴正反转、主轴风扇、主轴使能等的控制(图4-5)。图4-5 主轴正反转控制梯形图 G代码表指令名功 能指令名功 能G00定位（快速移动）G70精加工循环G01直线插补（切削进给）G71内外圆粗车复合循环G02顺时针圆弧插补（后刀座）G72端面粗车复合循环G03逆时针圆弧插补（后刀座）G73封闭切削复合循环G04暂停、准停G74轴向切槽循环G28返回机械零点G75径向切槽循环G32螺纹切削G76螺纹切削复合循环G33攻丝循环G90内外圆切削循环G34变螺距螺纹切削G92螺纹切削循环G40取消刀尖半径补偿G94端面切削循环G41刀尖半径左补偿（后刀座）G96恒线速控制G42刀尖半径右补偿（后刀座）G97恒转速控制G50坐标系设定G98每分进给G65宏指令G99每转进给 第五章 主运动传动系统总体方案的确定 5.1主运动传动系统的设计 主传动系统的设计主要是根据变速传动系统的不同类型而决定的，而变速系统的类型应兼顾缩短变速所需的时间并能简化传动系统机构等因素综合来选择、设计。变速系统的类型主要有三种：5.1.1无级变速传动系统 无级变速传动系统是指执行件的转速（或速度）在一定的范围内连续地变化，这样可以使执行件获得最有利的速度，能在系统运转中变速，也便于实现自动化等。机械系统中常用的无级变速装置有以下三种。 （1）机械无级变速器 机械无级变速器有钢球式（科普型）、宽带式等多种结构，它们是依靠摩擦力来传递转矩，通过连续地改变摩擦传动副的工作半径来实现无级变速。由于其结构简单、传动平稳、噪声小、使用维修方便、效率高，所以在各类机械（如机床、印刷机械、电工机械、钟表机械、轻工机械、纺织机械、塑料机械、化工机械等）中得到了广泛的应用。但由于摩擦副的弹性滑动，存在转速损失，故不能用于调速精度高的场合。另外，它的变速范围小，通常变速范围Rb为4