普通車床數(shù)控化改造.doc

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普通車床PLC改造 第一章 緒 論 1.1本文選題的背景及意義 1.1.1金屬切削機(jī)床及其在國民經(jīng)濟(jì)中的地位 金屬切削機(jī)床是用切削的方法將金屬毛坯加工成機(jī)器零件的機(jī)器，他是制造機(jī)器的機(jī)器，所以又被稱為“工作母機(jī)”或“工具機(jī)”。 機(jī)床的母機(jī)屬性決定了它在國民經(jīng)濟(jì)中的地位。機(jī)床工業(yè)為各種類型的機(jī)械制造廠提供先進(jìn)的制造技術(shù)與優(yōu)質(zhì)高效的機(jī)床設(shè)備，促進(jìn)機(jī)械制造工業(yè)的生產(chǎn)能力和工藝水平的提高。機(jī)械制造工業(yè)肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供現(xiàn)代化技術(shù)裝備的任務(wù)，即為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、科研和國防等部門提供各種機(jī)器、儀器和工具。為適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，必須大力發(fā)展機(jī)械制造工業(yè)?？梢?，機(jī)械制造工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)各部門賴以發(fā)展的基礎(chǔ)，而機(jī)床則是機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)。一個國際機(jī)床工業(yè)的技術(shù)水平在很大程度上標(biāo)志著這個國家的工業(yè)生產(chǎn)能力和科學(xué)技術(shù)水平。 1.1.2數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性 數(shù)控機(jī)床是綜合應(yīng)用計算機(jī)、自動控制、自動檢測及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)物,是技術(shù)密集度及自動化程度很高的典型機(jī)電一體化加工設(shè)備。它與普通機(jī)床相比,其優(yōu)越性是顯而易見的,不僅零件加工精度高,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,且自動化程度極高,可減輕工人的體力勞動強(qiáng)度,大大提高了生產(chǎn)效率,特別值得一提的是數(shù)控機(jī)床可完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜曲面的零件加工,因而數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中的地位愈來愈顯得重要。 1.1.3數(shù)控機(jī)床在我國的發(fā)展現(xiàn)狀 我國是世界上機(jī)床產(chǎn)量最多的國家，但在國際市場競爭中仍處于較低水平；即使國內(nèi)市場也面臨著嚴(yán)峻的形勢,一方面國內(nèi)市場對各類機(jī)床產(chǎn)品特別是數(shù)控機(jī)床有大量的需求,而另一方面卻有不少國產(chǎn)機(jī)床滯銷積壓,國外機(jī)床產(chǎn)品充斥市場。90年國外數(shù)控機(jī)床在我國市場的占有率僅達(dá)15%左右,而95年已達(dá)77%。嚴(yán)重影響我國數(shù)控機(jī)床自主發(fā)展的勢頭。 這種現(xiàn)象的出現(xiàn),除了有經(jīng)營上、產(chǎn)品制造質(zhì)量上和促銷手段上等原因外,一個主要的原因是我國生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床品種、性能和結(jié)構(gòu)不夠先進(jìn),新產(chǎn)品(包括基型、變型和專用機(jī)床)的開發(fā)周期長,從而不能及時針對用戶的需求提供滿意的產(chǎn)品。具體地說,這個問題反映在下列五個方面: (1) 我國機(jī)床廠目前開發(fā)基型產(chǎn)品的周期約為15～18個月,其中設(shè)計時間約為5～8個月,占總周期的40%左右。而國外一些先進(jìn)機(jī)床廠同類基型產(chǎn)品的開發(fā)周期為6～9個月,其中設(shè)計約1.5～2個月,只占25%。因此無論是產(chǎn)品開發(fā)的總周期還是設(shè)計所占的時間比例均與國外先進(jìn)水平有很大的差距。 (2) 我國工廠由于缺乏設(shè)計的科學(xué)分析工具(如分析和評價軟件、整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析方法以及機(jī)床性能測試裝置等),自行開發(fā)的新產(chǎn)品大多基于直觀經(jīng)驗和類比設(shè)計,使設(shè)計一次成功的把握性降低,往往需要反復(fù)試制才能定型,從而可能錯過新產(chǎn)品推向市場的良機(jī)。 (3) 用戶根據(jù)使用需要,在訂貨時往往提出一些特殊要求,甚至在產(chǎn)品即將投產(chǎn)時有的用戶臨時提出一些要求,這就需要迅速變型設(shè)計和修改相應(yīng)的圖紙及技術(shù)文件。在國外,這項修改工作在計算機(jī)的輔助下一般僅需數(shù)天至一周,而在我國機(jī)床廠用手工操作就至少需1～2個月,且由于這些圖紙和文件涉及多個部門,常會出現(xiàn)漏改和失誤的現(xiàn)象,影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和交貨期。 (4) 現(xiàn)在我國工廠設(shè)計和工藝人員中青年占多數(shù),他們的專業(yè)知識和實(shí)際經(jīng)驗不足, 又擔(dān)負(fù)著開發(fā)的重任。 (5)由于長期以來形成的設(shè)計、工藝和制造部門分立,缺乏有效的協(xié)同開發(fā)的模式,不能從制訂方案開始就融入各方面的正確意見,容易造成產(chǎn)品的反復(fù)修改,延長了開發(fā)的周期。 為解決這些問題,必須對產(chǎn)品開發(fā)的整個過程綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù),發(fā)展優(yōu)化和仿真技術(shù),提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能,并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使設(shè)計、工藝和制造人員協(xié)同工作和知識共享的產(chǎn)品虛擬開發(fā)環(huán)境,使用相應(yīng)的產(chǎn)品虛擬開發(fā)軟件，這樣才能有效地解決產(chǎn)品開發(fā)的落后局面,使企業(yè)取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 1.1.4機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機(jī)床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60%以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 經(jīng)過大量實(shí)踐證明普通機(jī)床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機(jī)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，這種做法具有投資少、見效快的特點(diǎn)。事實(shí)證明：用較少的資金，將普通機(jī)床改造升級為數(shù)控機(jī)床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 1.2機(jī)床數(shù)控技術(shù)的基本概念 1.2.1概述 數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控(NumericalControl)。它是利用數(shù)字化的信息對機(jī)床運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實(shí)施加工控制的機(jī)床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。 數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程序控制器、主軸驅(qū)動及進(jìn)給裝置等部分。 要實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制，需要用幾何信息描述刀具和工件間的相對運(yùn)動以及用工藝信息來描述機(jī)床加工必須具備的一些工藝參數(shù)，如：進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、主軸正反轉(zhuǎn)、換刀、冷卻液的開關(guān)等。這些信息按一定的格式形成加工程序，通過數(shù)控系統(tǒng)的譯碼，從而使機(jī)床準(zhǔn)確地動作和加工出優(yōu)質(zhì)的零件。 1.2.2數(shù)控機(jī)床的工作流程 數(shù)控機(jī)床工作時根據(jù)所輸入的數(shù)控加工程序，由數(shù)控裝里控制機(jī)床部件的運(yùn)動零件加工輪廓，從而滿足零件形狀的要求。 數(shù)控加工程序的編制：在零件加工前，首先根據(jù)被加工零件圖樣所規(guī)定的零件形狀、尺寸、材料及技術(shù)要求等，確定零件的工藝過程、工藝參數(shù)、幾何參數(shù)以及切削用量等，然后根據(jù)數(shù)控機(jī)床編程手冊規(guī)定的代碼和程序格式編寫零件加工程序。對于比較簡單的零件，通常采用手工編程；對于形狀復(fù)雜的零件，則在編程機(jī)上進(jìn)行自動編程，或者在計算機(jī)上用CAD/CAM軟件自動生成零件加工程序。 譯碼：數(shù)控裝置接受程序，譯碼程序按照一定的語法規(guī)則將信息解釋成計算機(jī)能夠識別的數(shù)據(jù)形式。 刀具補(bǔ)償：零件加工程序通常是按零件輪廓軌跡編制的。刀具補(bǔ)償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡運(yùn)動加工出所要求的零件輪廓。 插補(bǔ)：插補(bǔ)的目的是控制加工運(yùn)動，使刀具相對于工件作出符合零件輪廓軌跡的相對運(yùn)動。 位置控制和機(jī)床加工：位置控制的任務(wù)是在每個采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計算出的指令位置與實(shí)際反饋位置相比較，用其差值去控制伺服電機(jī)，電動機(jī)使機(jī)床的運(yùn)動部件帶動刀具相對于工件按規(guī)定的軌跡和速度進(jìn)行加工。 1.3數(shù)控機(jī)床的組成和分類 1.3.1數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控機(jī)床一般由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機(jī)床本體組成，見圖1-1： 圖1-1 數(shù)控機(jī)床的組成 (1)輸入輸出設(shè)備 輸入輸出設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)程序編制、程序和數(shù)據(jù)的輸入以及顯示、存儲和打印 。 (2)數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。它接受來自輸入設(shè)備的程序和數(shù)據(jù)，并按輸入信息的要求完成數(shù)值計算、邏輯判斷和輸入輸出控制等功能。 (3)伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是接受數(shù)控裝置的指令，驅(qū)動機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的馭動部件。它包括伺服電路和伺服電機(jī)組成。一般來說，數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動要求有好的快速響應(yīng)性能，能靈敏而準(zhǔn)確地跟蹤由數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號。 (4)測量反饋裝置 該裝置由測量部件和響應(yīng)的測量電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋給數(shù)控裝置，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (5)機(jī)床本體 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分。 1.3.2數(shù)控機(jī)床的分類 按伺服系統(tǒng)的控制原理可分為：開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床、半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床和閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床。 (1)開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 這類數(shù)控機(jī)床不帶有位置檢測裝置，數(shù)控裝置將零件程序處理后，輸出數(shù)字信號給伺服系統(tǒng).驅(qū)動機(jī)床運(yùn)動。指令信號的流程是單向的。如圖1-2所示。 圖1-2 開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 (2)閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 這類機(jī)床帶有檢測裝置。它隨時接受在工作臺端測得的實(shí)際位置反饋信號，將其與數(shù)控裝置發(fā)來的指令位置信號相比較，由其差值控制進(jìn)給軸運(yùn)動，直到差值為零，進(jìn)給軸停止運(yùn)動。如圖1-3。 圖1-3 閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 閉環(huán)控制可以消除包括工作臺傳動鏈帶在內(nèi)的誤差，從而定位精度高、速度調(diào)節(jié)快，但由于工作臺慣量大，給系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整帶來很大的困難，主要是系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到不利影響。 (3)半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床與閉環(huán)控制得到數(shù)控機(jī)床的區(qū)別在于檢測反饋信號不是來自工作臺。而是來自電動機(jī)端或絲杠端連接的測量元件。如圖1-4。 圖1-4 半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 實(shí)際位置的反饋是通過間接測得的伺服電動機(jī)的角位移算出來的，因而控制精度沒有閉環(huán)高，但機(jī)床工作的穩(wěn)定性卻由于大慣盆工作臺被排除在控制環(huán)外，調(diào)試方便，因而廣泛用于數(shù)控機(jī)床中。 1.4數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) (1)加工零件的適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性好。 (2)加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)皿穩(wěn)定。 (3)生產(chǎn)率高。 (4)減少工人的勞動強(qiáng)度。 (5)生產(chǎn)管理水平高。 1.5 CA6140車床數(shù)控改造技術(shù)參數(shù) 最大工件直徑/mm 400 最大工件長度/mm 1500 溜板及刀架重力/N 縱向（z軸）800；橫向（x軸）600 刀架快速移動速度/m/min 縱向2.4；橫向1.2 最大進(jìn)給速度/m/min 縱向0.6；橫向0.3 定位精度/mm 0.015 主電動機(jī)功率/kw 7.5 啟動加速時間/ms 30 第二章 車床的總體改造和設(shè)計 2.1 CA6140車床改造的總休方案 圖2-1 數(shù)控系統(tǒng)的總體框架 總體框架說明: (1) PC機(jī)：可采用工控PC機(jī)，可滿足該控制系統(tǒng)的控制要求。 (2)運(yùn)動控制卡：采用PCL運(yùn)動控制卡，該卡是一種高速三軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制卡，它有16位的數(shù)字輸入、輸出口，可實(shí)現(xiàn)三軸聯(lián)動。因此，它可以滿足車床X、Z軸聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)直線，圓弧插補(bǔ)。 (3)光電耦合電路的作用是能夠隔離外部干擾信號對運(yùn)動控制卡的信號沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (4)機(jī)床本體是由CA6140改造而來，拆除原來的絲桿，溜板箱，變速箱等。 (5)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器要能夠達(dá)到0.005mm的加工精度要求。 (6)各種限位開關(guān)：減速開關(guān)，回零開關(guān)均安裝在機(jī)床本體上，限位開關(guān)起著硬件硬限位的作用，當(dāng)車床加工工件超出加工范圍時，車床自動停止加工。減速開關(guān)的作用是當(dāng)車床刀架回零并走到車床零點(diǎn)附近時，減速開關(guān)被開啟并通知車床減速走到零位置。 2.2進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋，故進(jìn)給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本車床的X、Z兩軸進(jìn)給系統(tǒng)去掉了原來的進(jìn)給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進(jìn)電機(jī)+剛性聯(lián)軸器+滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機(jī)械附件，就可安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副。 2.3控制系統(tǒng)的軟件部分 該車床控制系統(tǒng)采用GSK980T系統(tǒng)。其功能主要有讀取零件的加工G代碼，編輯和編譯G代碼，仿真加工(包括加工前仿真和與加工同步仿真)，回參考點(diǎn)，手工對刀，加工中斷，超程軟限位等功能。它可處理進(jìn)給速度，主軸速度及轉(zhuǎn)速方向，刀具信息，M功能等多種加工信息。加工過程中，軟件界面的狀態(tài)欄還可以顯示出刀具當(dāng)前的坐標(biāo)，加工狀態(tài)，加工時間等信息。 2.4改造后機(jī)床的特點(diǎn) (1)具有與原機(jī)床一致的剛度與強(qiáng)度. (2)具有與原機(jī)床一致的加工范圍。 (3)縱向進(jìn)給直線度與原機(jī)床一樣，其運(yùn)動精度則有數(shù)控系統(tǒng)和縱向電機(jī)、滾珠絲杠的精度保證。 (4)橫向進(jìn)給的直線度和運(yùn)動精度全部有改造部分的制造和裝配精度保證。 (5)可充分利用機(jī)床床身部分的已加工表面作為改造部分的定位和測量基準(zhǔn)。 (6)改造后的機(jī)床外型將類似于國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，整體較美觀、大方。 第三章 機(jī)床的電氣改造 3.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機(jī)床的控制核心，隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，提高了數(shù)控機(jī)床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床已在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、GSK980TD等都配置有車床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強(qiáng)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。在對多家數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較后!我們選擇了GSK980TD型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床應(yīng)能長期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長期無故降連續(xù)運(yùn)行。為保證機(jī)床長期可靠地運(yùn)行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運(yùn)行特性。 常年的工作考臉證明GSK980TD系統(tǒng)是最可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，它能在一般車間環(huán)境下運(yùn)行。其工作場地的室溫為0-45℃，相對濕度75%短時可達(dá)95%,抗震為0.5g ，電網(wǎng)電壓波動為10%-15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實(shí)際統(tǒng)計，GSK980TD系統(tǒng)的故障率為0.008，比較好地滿足了我國市場的要求。 GSK980TD系統(tǒng)之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高質(zhì)量的元器件及良好的老化篩選工藝。 (2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片：GSK980TD系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。 (3)全自動化工廠生產(chǎn)制造：多層印刷板的制板、元件的插裝、焊接、印刷板的檢查、系統(tǒng)的組裝、電機(jī)投料、沖片、精鑄、機(jī)械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動化，這就使得在生產(chǎn)過程中避免了外界(人)的不穩(wěn)定因素的干預(yù)。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制軟件設(shè)計：GSK980TD系統(tǒng)經(jīng)過在國內(nèi)各地數(shù)年的運(yùn)行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設(shè)計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加入了許多保護(hù)和提高可靠性的措施，如開機(jī)和狀態(tài)切換時的層層檢側(cè)、過壓、過流、反饋斷線等報警，使得機(jī)床運(yùn)行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時處理，從而進(jìn)免了元部件的損壞。 (5)數(shù)字式進(jìn)給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運(yùn)行的可靠性。主軸控制信號的傳送使用光纜，使信號免受外界干擾。 3.1.1 硬件結(jié)構(gòu) 采用CISC（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的GSP主板，主板上連接可插接(分離的)小模板。 對于數(shù)控系統(tǒng)，由于其是弱電電路，如果采用十24VDC為電源輸入，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素。用戶可以把+24V穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，從而大大提高了整個數(shù)控系統(tǒng)的可命性能。 GSK980TD系統(tǒng)的可靠性好，性能/價格比高，在全國各地己銷售10余萬臺。隨著大規(guī)棋集成電路芯片的發(fā)展，GSK980TD系統(tǒng)的破件結(jié)構(gòu)已經(jīng)改進(jìn)過多次。目前銷售的TA和TD，其硬件結(jié)構(gòu)基本一樣，只是控制軸數(shù)不同，所配置的進(jìn)給軸驅(qū)動電機(jī)不同。 GSK980TD系統(tǒng)的CNC單元為大板結(jié)構(gòu)。基本配置有主板、存儲器板、I/O板、伺服軸控制板和電源。各板插在主板上，與CPU的總線相連。 (1)主板 主CPU在該板上。主CPU用于系統(tǒng)主控，原來用80386，從1998年起改用 80486/DX2。此外，顯示的CRT控制也在該板上。 (2)存儲器板 該板上有：①系統(tǒng)的控制軟件ROM(共5片)。GSK980TD系統(tǒng)可控制車床。不同類型的機(jī)床控制軟件不同；②伺服控制軟件ROM I片；③PMC-L的ROM芯片2片，用于存儲機(jī)床的強(qiáng)電控制邏輯程序；④RAM芯片，用于寄存CPU的中間運(yùn)算數(shù)據(jù)，根據(jù)需安裝；⑤COMSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)、零件加工程序，根據(jù)用戶要求配置，最大可為128K字節(jié)。CMOSRAM與4.5V 電池相連，關(guān)機(jī)時保存信息。 (3)I/O板 該板是CNC單元與機(jī)床強(qiáng)電柜的接口，接收或輸出24V直流信號，由PMC實(shí)施輸入/輸出控制，I/O點(diǎn)數(shù)可根據(jù)機(jī)床的復(fù)雜程度選擇，標(biāo)準(zhǔn)配置為104個輸入點(diǎn)，72個輸出點(diǎn)。 (4)進(jìn)給伺服控制板 GSK980TD系統(tǒng)全部用數(shù)字式交流伺服控制。其控制板裝在CNC單元內(nèi)，插在主板上，即CNC單元與進(jìn)給伺服為一體化設(shè)計。伺服板上有2個CPU(TMS320)，用于伺服的數(shù)字控制。每個CPU控制2個軸，一塊板可控制4個軸。該板接受主CPU分配的伺服控制指令，輸出6個相位各差60的脈寬調(diào)制信號(每軸)，加于各軸的伺服驅(qū)動的功率放大器上。TD系統(tǒng)為4軸(最大配里)控制，2軸聯(lián)動，只用一塊伺服板。 (5)電源 主要有5V直流電，用于各板的供電。24V直流電，用于單元內(nèi)各繼電器控制。除上述這些板外，還有圖形控制板、PMC-M板、遠(yuǎn)程緩沖器(REMOTE BUFFER)板，這些板用戶可根據(jù)自身要求選訂。 (6)PLC功能的內(nèi)部集成 PLC功能的內(nèi)部集成化，提高了PLC和CNC的內(nèi)部通訊能力，增強(qiáng)了機(jī)床的邏輯控制，PLC的32輸入和24輸出模塊，陽M的32輸入和24輸出模塊，可以和外圍的電路相連接，而這種模塊，通過陽M提供的電纜和剛M數(shù)控系統(tǒng)連接。這就提高了整個機(jī)床的可靠性。同時又提高了數(shù)控系統(tǒng)的保護(hù)(如果有間題，只能損壞這種模塊，不會對數(shù)控系統(tǒng)造成破壞)。光纖技術(shù)的通訊，可以擴(kuò)展PLC輸入輸出點(diǎn)，通過光纖進(jìn)行連接，簡化和線路的連接。 (7)軸轉(zhuǎn)接模塊 GSK980TD提供了軸轉(zhuǎn)接模塊，機(jī)床的編碼器和到伺服的線路可以直接聯(lián)到此模塊，通過它再和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進(jìn)行連接。提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，如果機(jī)床的軸有問題，可以直接把軸模塊上的插頭相對換，就能很快的查出問皿所在(系統(tǒng)內(nèi)部或外部)。 3.1.2 軟件功能 (1)CNC功能 系統(tǒng)軟件的開放性和友好界面，幫助性的編程方式。定義的固定循環(huán)并使用戶很方便地根據(jù)其加工特性進(jìn)行編寫自己的固定循環(huán)，用戶集成的G代碼功能。M功能和PLC功能的調(diào)用子程序，E參數(shù)(用戶可以通過E參數(shù)來讀取或改變CNC的數(shù)值)。 強(qiáng)大的通訊功能(RS232IRS4221RS485) ，邊加工邊傳輸功能。提高了計算機(jī)的CAD/CAM程序的加工能力。 完善的絲杠螺距補(bǔ)償。FANUC的螺距補(bǔ)償為線性補(bǔ)償，補(bǔ)償中僅把相應(yīng)的拐點(diǎn)坐標(biāo)值輸入即可。并且沒有固定的距離和補(bǔ)償值的限制。 (2)PLC功能 梯形圖的PLC程序，多任務(wù)的PLC程序的編程結(jié)構(gòu)，提高了PLC程序的編寫和可讀性。梯形圖PLC程序在屏幕上的動態(tài)顯示，方便了最終用戶的維修。豐富的PLC和CNC交換信息量, PLC圖形界面的管理。 (3)強(qiáng)大的編程軟件 GSKCC軟件。Windows環(huán)境下并運(yùn)行在PC計算機(jī)上，PLC程序的編寫工具，方便的機(jī)床程序管理。簡便的通訊能力(PCIONC間為主從關(guān)系，所有操作均在PC側(cè)完成)，動態(tài)的PLC程序顯示(PC側(cè))。 GSKCC軟件Windows環(huán)境并運(yùn)行在PC計算機(jī)。調(diào)整NC的機(jī)床參數(shù)和伺服系統(tǒng)，圖形的動態(tài)響應(yīng)，強(qiáng)大的優(yōu)化功能，方便地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。 3.1.3 顯示 GSK980TD系統(tǒng)的顯示器320 240點(diǎn)陣，用單色液晶顯示器(LCD),標(biāo)準(zhǔn)為 5.7″,也可配彩色顯示器。 GSK980TD系統(tǒng)有圖形顯示功能：①對編制的加工程序進(jìn)行加工前的圖形模擬，模擬刀尖的軌跡或加工件的三維實(shí)體形狀:②在加工過程中顯示刀尖的軌跡，使操作員能夠監(jiān)視切削過程。圖形可局部放大，以便觀察細(xì)部。顯示圖形必須用圖形控制板，該板為專用微機(jī)，CPU用80186。 3.1.4 PMC控制 PMC就是可編程序機(jī)床控制器，是專門用于控制機(jī)床的PLC。GSK980TD系統(tǒng)的PMC只有47條指令〔基本指令有12條，功能指令有35條)。基本指令為2進(jìn)制位的邏輯運(yùn)算，功能指令主要有數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)變換、譯碼和代數(shù)運(yùn)算。 GSK980TD系統(tǒng)用梯形圖編制PMC順序邏輯程序。由于有功能指令，使得PMC程序編制非常容易，簡捷。 梯形圖可用下述兩種方法編制：①用專用的編輯卡利用LCD液晶顯示畫面在系統(tǒng)上現(xiàn)場編制。②在計算機(jī)上裝入專用軟件用計算機(jī)編制，然后經(jīng)RS-232C口將梯形圖程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)。調(diào)試好的程序要用寫入器寫入EPROM。 GSK980TD系統(tǒng)PMC控制有FMC-L和PMC-M2種。PMC-L的處理機(jī)與主機(jī)共用，其處理時間為6 /步，最大步數(shù)為5000步。PMC-M為專用處理機(jī)，徽處理器為80186，專用一塊板，插在主板上，處理時間為2us步，最大步數(shù)為8000步。2種PMC的掃描周期均為I6ms。 3.1.5 進(jìn)給伺服驅(qū)動 GSK980TD系統(tǒng)進(jìn)給軸的驅(qū)動使用交流同步電動機(jī)，目前為a系列。根據(jù)其負(fù)載特性和快速性分為:a(標(biāo)準(zhǔn)型)、am(高加速特性)、ac(經(jīng)濟(jì)型)和aL(低慣量型)。最大力矩為400Nm。 0-C配a型;0-D配置ac型。am加速特性好，從0至最高轉(zhuǎn)速的啟動過程為24ms，故用于高速加工。 電機(jī)軸上裝有脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)發(fā)出65536個脈沖(經(jīng)電路倍頻)，用做位置反饋和速度反饋。這種位置反饋，是間接測量工作臺的直線位移，所以稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但是，只要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)GSK980TD系統(tǒng)可以使用直線光柵尺，使系統(tǒng)接成全閉環(huán)。除此之外，還可接成雙位置反饋，即同時具有上述2個閉環(huán)。這樣，既可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以提高系統(tǒng)的快逮性和加工精度。 進(jìn)給伺服單元的控制用前述的軸控制板，該板輸出控制指令信號到功率放大器。功率放大器為模塊化結(jié)構(gòu)，分為整流模塊和逆變模塊，使用IPM元件。 LSI是專用位置控制大規(guī)模集成電路芯片。ROM中存儲的控制程序主要有同步電機(jī)的快速響應(yīng)矢量控制、IP調(diào)節(jié)器、速度和位里的反饋控制、前饋和提前前饋控制和狀態(tài)觀測器。此外，還有許多非線性補(bǔ)償與控制，如單脈沖抑制、超調(diào)抑制、反向間隙加速補(bǔ)償、機(jī)床的速度反饋等。還有運(yùn)行過程的監(jiān)測及保護(hù)。由于有這些控制，使GSK980TD系統(tǒng)運(yùn)行可靠、快速、平穩(wěn)、精度高。 3.1.6 主軸驅(qū)動 GSK980TD系統(tǒng)可以同時控制2個主軸電動機(jī)，可以是2個數(shù)字式控制的電機(jī)，也可以一個為數(shù)字式，另一個為模擬式控制電機(jī)。模擬控制指令是0-10V的直流電壓。 該系統(tǒng)的主軸電機(jī)為異步電機(jī)，目前為a系列。有以下品種;a:標(biāo)準(zhǔn)型，恒功率調(diào)速范圍4:1; aP：恒功率寬調(diào)速范圍型(8:1); aC經(jīng)濟(jì)型;aT：與主軸直連型。主軸電機(jī)的最大功率為37kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)15000r/min，用數(shù)字式矢量控制。 主軸驅(qū)動有速度控制和位置控制2種工作方式，普通加工為速度控制。主軸電機(jī)軸上裝有圓型的磁性傳感器，用做速度反饋。位置控制用于主軸同步、主軸定向、剛性攻絲、Cs軸輪廓控制。因此需要控制主軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)位，輪廓控制時要與其它軸插補(bǔ)。此時需在機(jī)床的主軸上裝位置編碼器，位置編碼器有光電式和磁性傳感器。普通為每轉(zhuǎn)發(fā)出1024個脈沖，高精度的發(fā)出360000個脈沖/轉(zhuǎn)。 主軸控制用單獨(dú)的CPU控制，處理器為TMS-320。從CNC單元輸出的控制指令用一條光纜送到主軸的控制單元，數(shù)據(jù)為串行傳送，因此可靠性比較高。 3.1.7 RS-232C口及數(shù)據(jù)通訊 GSK980TD系統(tǒng)有2個串口(RS-232C)，分4個通道，用于系統(tǒng)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。交換的數(shù)據(jù)包括:系統(tǒng)及機(jī)床的設(shè)定參數(shù)、PMC參數(shù)、零件加工程序、刀具補(bǔ)償值、設(shè)定的工件坐標(biāo)系、絲杠的螺補(bǔ)值等。與計算機(jī)相連時，計算機(jī)內(nèi)必須裝有數(shù)據(jù)傳送軟件。最快的傳送速率為9600bps。 除上述的信息交換外，利用串行通訊還可實(shí)現(xiàn)下列方式的在線加工與機(jī)床的DNC管理: (1)紙帶方式的加工:加工復(fù)雜零件時，加工程序非常長，CNC的內(nèi)存容量不夠用，可將程序存于外設(shè)，如計算機(jī)的軟盤。用電纜將PC機(jī)與CNC經(jīng)串口連接后，啟動自動加工，CNC預(yù)讀15個程序段，開始加工。此后加工一段讀入一段，直至結(jié)束。 (2)遠(yuǎn)程緩沖(REMOTEBUFFER):上述方式雖然解決了長程序的存儲問題，但由于數(shù)據(jù)的邊讀入、邊處理、邊加工，所以加工速度慢。對于小程序段、快速加工，走刀有停頓現(xiàn)象，為此，開發(fā)了REMOTEBUFFER功能。 該功能可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的傳送，有2種工作方式:①計算機(jī)存儲的加工程序是通常的加工代碼指令方式。緩沖器接受后變?yōu)?進(jìn)制，然后送到CNC執(zhí)行。②計算機(jī)存儲的加工程序是按2進(jìn)制編制的。緩沖器收到后不經(jīng)轉(zhuǎn)換即送往CNC執(zhí)行。這2種方式都比紙帶方式的加工速度快，數(shù)據(jù)傳送速率最快為77900bps.最訣加工速度為15m/s，電纜最長可達(dá)100m(無調(diào)制解調(diào)器時)。 (3)DNC2:它可使8臺CNC機(jī)床與主計算機(jī)遠(yuǎn)程相連，實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)床的加工監(jiān)控與管理。連接方式為點(diǎn)—點(diǎn)式，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為LVS2，傳送速率最高為19200bps。CNC與主計算機(jī)交換的信息除了系統(tǒng)和機(jī)床的參數(shù)、加工程序、加工的設(shè)定值外，還可傳送機(jī)床的工作狀態(tài)，如自動加工啟動、停止、加工中暫停、報警等。DNC2 共設(shè)計了60多條指令。主計算機(jī)必須根據(jù)這些指令格式編制相應(yīng)的處理程序，編程語言用C。為方便用戶，可提供宏指令庫。 3.1.8 調(diào)機(jī)、維護(hù)與故障診斷 (1)伺服參數(shù)設(shè)定與調(diào)整:為了方便調(diào)機(jī)，系統(tǒng)的CRT有進(jìn)給伺服參數(shù)設(shè)定畫面和調(diào)整畫面。在參數(shù)的設(shè)定畫面上，只需設(shè)定初始化位、電機(jī)代碼等參數(shù)即可設(shè)定好所用電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。其中的柔性變速比可設(shè)定電機(jī)與滾珠絲杠及位置反饋傳感器(脈沖編碼器)之間的齒輪傳動比。該變比可以不為整數(shù)。在伺服調(diào)整畫面上可以定量地讀出機(jī)床工作臺移動時各軸的伺服增益、伺服誤差及其變動情況。據(jù)此，可判斷系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定、有無爬行以及跟隨精度等，根據(jù)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。有故降時該畫面還顯示伺服的報警。 (2)主軸參數(shù)設(shè)定:輸入主軸電機(jī)的代碼及初始化位即可設(shè)定好主軸電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，電機(jī)即可穩(wěn)定運(yùn)行。主軸運(yùn)行有監(jiān)視畫面，在該畫面上可讀出主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載百分比及主軸的轉(zhuǎn)速，從而可以省去通常的轉(zhuǎn)速表和負(fù)載表。 (3)加工程序錯誤顯示:程序出錯時，CRT上顯示報警號。根據(jù)報警號可由說明書中查出錯誤原因，報警表是多年經(jīng)驗的積累，幾乎所有的編程錯誤都可從該表中查出。 (4)運(yùn)行故障顯示:CNC控制軟件的運(yùn)行、硬件的各主要元件、伺服控制、主軸控制等出現(xiàn)故障時，CRT上均顯示相應(yīng)的報警號。GSK980TD系統(tǒng)對這些故障有較好的保護(hù)。例如，伺服反饋斷線形成大開環(huán)時，既不會撞車，也不會損壞元件。 (5)I/O信號診斷。CRT可顯示梯形圖，在該圖上可以檢查機(jī)床強(qiáng)電信號的工作。CRT還有診斷畫面，通過該畫面，根據(jù)信號的地址檢查0/1狀態(tài)變化，可判斷其是否正常工作。 3.1.9 系統(tǒng)的功能 GSK980TD系統(tǒng)為全功能型，下列一些功能增加了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和操作的方便: ①Cs軸輪廓控制:可以省掉Cf軸，用主軸的轉(zhuǎn)動作為回轉(zhuǎn)坐標(biāo)與其它直線軸插補(bǔ)，加工輪廓曲線。②剛性攻絲:Z軸進(jìn)給與主軸轉(zhuǎn)動同步，不用彈簧卡頭實(shí)現(xiàn)攻絲，從而提高了螺紋的加工精度。③PMC軸控制:用梯形圖程序控制伺服進(jìn)給軸，用于回轉(zhuǎn)軸分度或定量位置進(jìn)給。0-C系統(tǒng)PMC可控制2個進(jìn)給軸。④主軸雙刀架。⑤0.1um分辨率:系統(tǒng)分辨率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為1urn?？捎脜?shù)設(shè)定為其1/10.⑥加工程序的后臺編輯:自動切削過程中可以編輯新的程序。⑦菜單編程。⑧圖形會話在線自動編程:有多種形式，最新的是符號指令形式，易學(xué)，易操作。有工藝參數(shù)語句。⑨用戶宏程序:一種參量編程軟件包，用來編制加工程序(適合于成組工藝)或者用其接口變量編制PMC程序，控制CNC的運(yùn)行狀態(tài)。 CNC是本系統(tǒng)的核心部分，用以完成人機(jī)對話與通訊，解釋機(jī)械加工語言，分配加工任務(wù)，以及協(xié)調(diào)各功能模塊的工作等。進(jìn)給控制部分選用NUMDRIVE交流伺服系統(tǒng)，根據(jù)計算以及參考同類型機(jī)床，縱向(Z軸)選36N.m交流何服電機(jī)，橫向(X軸)選用22N.m電機(jī)，實(shí)現(xiàn)位置、速度雙閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床精確的進(jìn)給運(yùn)動。輔助控制部分包括機(jī)床的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)與主軸運(yùn)動等方面的控制。同時在主軸箱內(nèi)安裝編碼器，以構(gòu)成加工螺紋所需的主輸系統(tǒng)(c軸)。選用IOO Opmr的編碼器，由于主軸大齒輪為128齒(m=5)，故編碼器前端齒輪選用20齒，其速比為6.4:1,則主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，編碼器將返回6400個脈沖，經(jīng)四分頻后，每轉(zhuǎn)計數(shù)脈沖為25600，分辨率為50.625秒/脈沖，完全滿足數(shù)控系統(tǒng)對C軸的反饋精度要求。 3.2 數(shù)控系統(tǒng)電氣控制線的連接 原機(jī)床已有一個電控柜，里面放置了開關(guān)、繼電器、接觸器等。根據(jù)改造后的電氣原理圖，設(shè)計制作電控柜，淘汰了原有的電控柜。 GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)外圍接口棋塊如下: (1)RS-232通訊接口。 (2)X軸,Z軸及主軸控制接口:用來控制X軸、Z軸伺服電機(jī)的運(yùn)動及主軸的轉(zhuǎn)速。 (3)編碼器反饋信號接口:用于與主軸電機(jī)的編碼器的連接，編碼器的作用是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，從而實(shí)現(xiàn)了對主軸轉(zhuǎn)速的檢測，這在螺紋加工的時候是不可缺少的。 (4)手搖脈沖發(fā)生器接口:實(shí)現(xiàn)手動、聯(lián)動切削。 (5)開關(guān)量輸入輸出接口:輸入信號主要用于X、Z方向是否超程的檢測，刀架的位置檢測，坐標(biāo)原點(diǎn)位置檢測等。輸出信號主要用于主軸的轉(zhuǎn)速控制，主軸的正、反轉(zhuǎn)或停止控制，主軸的冷卻液的開、閉控制，刀架正、反控制等，另外，輸入模塊除接受一般的24VDC開關(guān)量外，還可以接三線式的接近傳感器信號。這樣對該機(jī)床的一些三線式接近開關(guān)，提供了方便可靠的連接。 (6)機(jī)床操作面板接口，F(xiàn)ANUC機(jī)床操作面板有多達(dá)39個自定義鍵。面板與系統(tǒng)采用光纖連接，結(jié)合該機(jī)床控制操作的自身特點(diǎn)要求，在機(jī)床立板上定義了一些操作鍵，完全滿足了機(jī)床控制的要求。 (7)模擬輸入輸出及外部中斷接口.此接口為機(jī)床提供了一個靈活的模擬輸出口，便于與其它模塊相連。 (8)密集型面板接口。可通過密集型面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。輸入零件加工程序，實(shí)時跟蹤加工情況。 3.3 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)信息的傳輸 數(shù)控系統(tǒng)與功能模塊間的數(shù)據(jù)交換可方便地利用總線進(jìn)行，系統(tǒng)中總線上的數(shù)據(jù)信息傳遞是通過公共數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行的，如數(shù)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入進(jìn)給控制模塊的公共數(shù)據(jù)區(qū)，供模塊內(nèi)CPU隨時讀取，同樣進(jìn)給控制模塊CPU發(fā)出數(shù)據(jù)信息也要寫入公共數(shù)據(jù)區(qū)，供數(shù)控系統(tǒng)隨時讀取。 為了保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行，要求所傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)信息都應(yīng)選用最有效率的信息，即是必須傳輸?shù)?，意義準(zhǔn)確完整的，和盡量選用使用頻率高的信息，這有助于提高系統(tǒng)的可靠性，運(yùn)行效率和減少信息傳輸費(fèi)用。以下為機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上傳輸?shù)母鞣N信息。 3.3.1數(shù)控系統(tǒng)與進(jìn)給控制模塊間信息傳輸 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出:設(shè)定值。 控制參數(shù) :PID調(diào)節(jié)參數(shù)，行程極限，速度極限。 控制字 : 進(jìn)給控制運(yùn)行(運(yùn)行、停止等)。 進(jìn)給控制給定:位置進(jìn)給量、速度進(jìn)給量 進(jìn)給控制模塊發(fā)出: 運(yùn)行狀態(tài): 正常運(yùn)行，加工受阻，停止加工。 運(yùn)行參數(shù): 實(shí)測位置，實(shí)測轉(zhuǎn)速。 3.3.2數(shù)控系統(tǒng)與輸入輸出模塊間信息傳輸 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出:主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定值。 邏輯控制 :控制刀架，冷卻泵，冷卻閥等。 輸入輸出模塊發(fā)出:實(shí)測主軸轉(zhuǎn)速值。 運(yùn)動邏輯狀態(tài):刀具到位識別，氣動卡盤夾緊，主軸超速，機(jī)床原點(diǎn)，越位限制等。 對上列數(shù)據(jù)信息，根據(jù)其表示方式與內(nèi)容要求，在控制系統(tǒng)中為它們各自分配存儲空間，設(shè)計傳輸通道。 第四章 可編程控制器PLC的控制及設(shè)計 4.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 PLC采用的是典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU,RAM,ROM和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量->PLC->輸出變量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入變量:它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算、處理后送到輸出端子，他們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。這里可將PLC看作一個中間處理器或變換器，以將輸入變量變換為輸出變量。 4.1.1 PLC控制系統(tǒng)組成 (1)輸入部分:如按鈕開關(guān)、限位開關(guān)等，直接與PLC輸入端子相連接，用以產(chǎn)生輸入控制信號，這些信號來自操作臺上的人工指令。 (2)控制部分Z反復(fù)執(zhí)行根據(jù)被控對象的實(shí)際控制要求所編制的用戶程序，并產(chǎn)生各種輸出控制信號。 (3)輸出部分z如接觸器、電磁閥等，它們直接與PLC輸出端子相連接，用以控制被控對象的動作。 4.1.2 PLC工作過程分三段進(jìn)行 (1)輸入處理:PLC以重復(fù)掃描方式執(zhí)行用戶程序，在執(zhí)行程序前首先按地址編碼順序?qū)⑺休斎攵俗拥耐〝酄顟B(tài)(輸入信號)讀入輸入映象寄存器中，然后開始執(zhí)行用戶程序，在執(zhí)行過程中，即使輸入信號發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不變，直到下一個掃描周期的輸入處理階段才重新讀取輸入狀態(tài)。 (2)程序控制:在程序執(zhí)行階段，PLC順序掃描用戶程序，每執(zhí)行一條程序所需要的信息都從輸入映象寄存器和其他內(nèi)部寄存器中讀出并參與計算，然后將執(zhí)行結(jié)果寫入有關(guān)物出映象寄存器中。 (3 )輸出處理:當(dāng)全部指令執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)全部傳送到輸出鎖存寄存器中，構(gòu)成PLC的實(shí)際物出并有輸出端子送出。 4.2 PLC與CNC機(jī)床的聯(lián)接方式 CNC數(shù)控系統(tǒng)的控制信號有兩類:一類是高速信號,主要用于各個坐標(biāo)軸的插補(bǔ)運(yùn)動;另一類是低速信號，主要用于控制主軸電機(jī)的正、反運(yùn)轉(zhuǎn)、接觸器、電磁閥的通斷等開關(guān)t，低速信號的控制對象主要一些商電壓或大電流的強(qiáng)電設(shè)備，其控制采用可編程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特點(diǎn)，而且隨粉可編程控制器本身性能價格比不斷提高，在現(xiàn)代CNC, FMS系統(tǒng)中的應(yīng)用有不斷上升的趨勢。目前，數(shù)控機(jī)床PLC的形式有兩種:一種是采用單獨(dú)的CPU完成PLC功能，即配有 專門的PLC, PLC在CPU外部，稱為外裝型PLC;第二種是采用數(shù)控氛統(tǒng)與PLC合用一個CPU的方法.PLC在CPU內(nèi)部，稱為內(nèi)裝型PLC. FANUC數(shù)控系統(tǒng)采用內(nèi)裝型PLC。 可編程控制器與CNC機(jī)床的聯(lián)接方式本質(zhì)上是外電路聯(lián)接方法，系統(tǒng)I/0口發(fā)出控制指令，使可編程控制器輸入端無觸點(diǎn)開關(guān)通斷，通過CNC數(shù)控完成可編程控制器對機(jī)床強(qiáng)電的邏輯控制。CNC機(jī)床的被控對象有帶動主軸旋轉(zhuǎn)的主電機(jī)、大量開關(guān)量、伺服電機(jī)等，可編程控制器與CNC機(jī)床的強(qiáng)電、CNC數(shù)控裝里1/0口的聯(lián)接可歸納為三部分。 4.2.1 PLC輸入輸出端與機(jī)床面板信號聯(lián)接 FANUC機(jī)床操作面板有多達(dá)39個自定義鍵。面板與系統(tǒng)采用光纖連接。結(jié)合該機(jī)床控制操作的自身特點(diǎn)要求，在機(jī)床面板上定義了一些操作鍵，完全滿足了機(jī)床控制的要求。 CNC數(shù)控機(jī)床操作面板上有按鈕、旋鈕開關(guān)、波段開關(guān)和指示燈等.按鈕、旋鈕開關(guān)和波段開關(guān)直接與可編程控制器的愉入端接線柱相連，指示燈接線直按與PLC輸出端接線柱相連，指示燈的亮暗取決于相應(yīng)的PLC輸入端的開關(guān)狀態(tài)及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。 4.2.2 PLC輸出端與機(jī)床強(qiáng)電信號聯(lián)接 PLC在CNC機(jī)床中的主要作用是控制強(qiáng)電部分.如:主控電源、伺服電源、刀架電機(jī)正反轉(zhuǎn)、主軸風(fēng)扇、潤滑電機(jī)勢。由于流過強(qiáng)電電路的電流很大，在PLC輸出瑞都接有保護(hù)用繼電器。在每一個交流緣圈兩側(cè)并聯(lián)阻容電路以吸收由于線圈通斷時產(chǎn)生的浪涌電流.為了提商電機(jī)運(yùn)行的可非性，在接觸移線翻電路中加有互鎖 保護(hù)觸點(diǎn)。同理，每個電機(jī)的運(yùn)行程序控制邏輯都固化在PCROM卡中，受機(jī)床操作面板開關(guān)和數(shù)控系統(tǒng)軟件的控制。 4.2.3 PLC輸入端與CNC機(jī)床數(shù)控裝盆I/O接口的聯(lián)接 可編程控制器物出端的通斷是由其物入端通斷狀態(tài)及梯形圖程序決定的，CNC機(jī)床數(shù)控裝I與可編程控制器的聯(lián)接是通過軟開關(guān)直接控制PLC粕入端的通斷.以決定PLC輸出端的狀態(tài).從數(shù)控裝置I/0口的信息流向分析，可以分為兩種情況:一是數(shù)控裝!從1/0口輸出指令，控制PLC完成相應(yīng)的動作;另一種是檢測PLC輸入口的開關(guān)狀態(tài)，數(shù)控裝里的I/0口是輸入信號，數(shù)控裝登根據(jù)輸入信號的性質(zhì)做出相應(yīng)的控制。 4.3 CNC加工代碼在PLC上的實(shí)現(xiàn)方法 目前，數(shù)控機(jī)床程序中，有關(guān)機(jī)床坐標(biāo)系約定、準(zhǔn)備功能、輔助功能、刀具功能及程序格式等方面已趨于統(tǒng)一，形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，即所謂的CNC機(jī)床ISO代碼，在一個加工程序中包含許多程序段，每個段又由若干字組成，每I個字表示一種功能，歸納起來有4種:一種是準(zhǔn)備功能，即所謂的O代碼;第二種是輔助功能，即所謂的M代碼:第三種是刀具功能，即所謂的T代碼:第四種是轉(zhuǎn)速功能即所謂的S代碼。根據(jù)數(shù)控機(jī)床性能的不同能執(zhí)行這4種功能多少的程度也不同。在數(shù)控機(jī)床內(nèi)部4種功能中，O功能主要與聯(lián)動坐標(biāo)軸驅(qū)動有關(guān)，是通過CPU控制數(shù)控裝置的I/0接口實(shí)現(xiàn);M功能主要控制機(jī)床強(qiáng)電部分，包括主軸換向、冷卻液開關(guān)等功能;T功能與刀具的選擇和補(bǔ)償有關(guān)。 4.3.1 T功能代碼的實(shí)現(xiàn)方法 T功能代碼包含兩部分，一是刀具選擇;二是刀具位里補(bǔ)償.在PLC上實(shí)現(xiàn)的是第1部分功能:刀具選擇。換刀過程如下:運(yùn)行數(shù)控程序，發(fā)出某個刀具號的換刀指令，對應(yīng)的數(shù)控裝里I/0口變?yōu)樯屉娖?，使PLC輸入端的軟開關(guān)接通，換刀電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)在刀架上的干贊管觸點(diǎn)開關(guān)接通后換刀電機(jī)反轉(zhuǎn)，使刀架下落壓緊，當(dāng)壓緊力足夠大時，徽動開關(guān)接通，換刀電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 4.3.2 M功能代碼實(shí)現(xiàn)方法 ISO數(shù)控加工代碼標(biāo)準(zhǔn)中輔助功能很多，對于不同的數(shù)控機(jī)床，所能實(shí)現(xiàn)的輔助功能也不盡相同，但是各種數(shù)控機(jī)床都具有一些荃本的輔助功能，如M00程序停止)，M03(主軸正轉(zhuǎn))，M05(主軸停止)等，M功能的一部分是由數(shù)控系統(tǒng)本身的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，還有一部分需要數(shù)控裝2與PLC相結(jié)合來完成，如主軸的正轉(zhuǎn)與停止功能，M功能的實(shí)現(xiàn)與T功能的實(shí)現(xiàn)方法類似，同樣是數(shù)控裝21/0接口發(fā)出指令，由PLC輸入端狀態(tài)和PLC內(nèi)部ROM中的梯形圖程序決定PLC愉出端的狀態(tài).進(jìn)而完成M功能， 4.4 P LC程序的模塊化設(shè)計 4.4.1模塊的劃分 一個應(yīng)用程序包括一套在PLCTOOL編程工具下產(chǎn)生的模塊。把它裝入NC去控制相應(yīng)的系統(tǒng)，本次設(shè)計中，我們利用PLCTOOL軟件，綜合管子車床的特點(diǎn)，開發(fā)了該機(jī)床的PLC控制程序。將PLC程序劃分為5個模塊，即公共信號模塊、荃本控制模塊、刀架模塊、主軸模塊、報警模塊。 (1)公共信號模塊:主要處理PLC與NC之間的接口信號。 (2)荃本控制模塊:主要用來處理緊急停止、潤滑、冷卻、方式選擇、手動進(jìn)給、程序啟停等信號。 (3)刀架模塊:用于對轉(zhuǎn)塔刀架的選刀、定位等過程進(jìn)行邏輯控制。 (4)主制模塊:對主軸正反轉(zhuǎn)、主軸定向、主軸變速等動作過程進(jìn)行控制。模塊中包括伺服主軸和變頻主軸兩種控制邏輯，可通過修改PLC參數(shù)進(jìn)行切換。 (5)報等模塊:對機(jī)床故陳誤操作等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并觸發(fā)相應(yīng)的報譽(yù)文本信息同時產(chǎn)生各種安全互鎖信號，防止對機(jī)床或人身造成傷害。以上5個模塊的功能可通過1個主程序和12個子程序完成，主程序主要完成系統(tǒng)初始化工作，然后調(diào)用子程序，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的各種控制。程序結(jié)構(gòu)如表4-1： 表4—1程序結(jié)構(gòu)如表 名稱 文件名 任務(wù)模塊 主程序 MAIN.XIA %TSO 初始化 INIT.XLA %INI 子程序 急停 JITING.XLA %SP1 冷卻 LENGQUE.XLA %SP2 導(dǎo)軌潤滑 DGRUNHUA.XLA %SP4 主軸 SPINDLE.XLA %SP6 伺服 SERVO.XLA %SP8 刀架 DAOJIA.XLA %SP10 手動 J.XLA %SP14 方式 MODE.XLA %SP16 M01功能 M01.XLA %SP18 跳步 SKIP.XLA %SP20 軸記憶 ZJIYI.XLA %SP24 報警 ALARM.XLA %SP26 4.4.2模塊的構(gòu)成 每個模塊都分為輸入部分、主體邏輯部分和輸出部分，輸入部分將輸入信號的物理地址轉(zhuǎn)化為PLC的中可邏輯地址，以保持主體邏輯部分相對于翰入地址的獨(dú)立性，主體邏輯部分是模塊的主要構(gòu)成部分，完成控制過程的邏輯和算術(shù)運(yùn)算。并將運(yùn)算結(jié)果暫存于中間邏輯地址。輸出部分有兩個作用:一是將主體邏輯部分的運(yùn)算結(jié)果傳送給輸出信號的物理地址，實(shí)現(xiàn)機(jī)床各功能部件的動作，并保持主體邏輯部分相對于輸出地址的獨(dú)立性;二是向其它模塊提供接口信號，以實(shí)現(xiàn)各種順序或連鎖控制功能。 4.5變量說明 交換規(guī)則 :自動控制功能和NC功能之間的交換是通過一個雙方功能指令都能存取的存儲器空間作為數(shù)據(jù)交換區(qū)來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的交換不需要經(jīng)過輸入輸出卡，而是山自動控制功能直接進(jìn)行的。這里所說的輸入和輸出是相對于自動控制功能定義的，輸入是由自動控制功能讀的一個變t，而輸出是由自動控制功能寫的一個變量。 變量可分為:內(nèi)部變量、端子板輸入輸出變量、配置和診斷變量、CNC接口變量、公共字變量以及局部變量。 本次設(shè)計所編制的梯形圖程序所用變量有內(nèi)部變量、端子板輸入輸出變量、CNC接口變量。詳細(xì)如表4-2: 表4—2輸入/輸出(I/O)卡接口變量 輸入點(diǎn) 變量 說明 變量 說明 %I500.1 +X限位 %I501.4 四號刀位 %I500.2 -X限位 %I501.5 刀架正位 %I500.3 +Z限位 %I502.0 主軸電源無故障 %I500.4 -Z限位 %I502.1 主軸伺服準(zhǔn)備好 %I500.5 X參考-15 %I502.2 主軸轉(zhuǎn)速過低 %I500.6 Z參考點(diǎn) %I502.3 伺服電源準(zhǔn)備好 %I500.7 C參考點(diǎn) %I502.4 X軸模塊準(zhǔn)備好 %I501.0 急停 %I502.5 Z軸模塊準(zhǔn)備好 %I501.1 一號刀位 %I502.6 PLC無故障 %I501.2 二號刀位 %I502.7 低泊位 %I501.3 三號刀位 %I503.0 一般故障 輸出點(diǎn) 變量 說明 變量 說明 %Q500.0 PLC準(zhǔn)備好 %Q501.2 主軸伺服電源 %Q500.1 C軸參考點(diǎn) %Q501.3 伺服電源 %Q500.2 X軸使能 %Q501.4 主軸風(fēng)扇 %Q500.3 Z和！1使能 %Q501.5 潤滑電機(jī) %Q500.4 CNC故障 %Q501.6 冷卻 %Q500.5 一般故障 %Q501.7 手動潤滑 %Q500.6 主軸報警 %Q502.0 刀架正轉(zhuǎn) %Q500.7 伺服報警 %Q502.1 刀架反轉(zhuǎn) %Q501.0 限位報警 %Q502.2 主軸電源使能 %Q501.1 低泊位顯示 NC輸入/輸出變量 變量 記憶符 說明 %R2.6 E-SLASH 程序段跳過使能 %R3.0 E-RAZ CNC復(fù)位在進(jìn)行中 %R3.1 E-ARUS 循環(huán)停止 %R3.2 E-CYCLE 循環(huán)在進(jìn)行中 %R3.3 E-RAX 軸運(yùn)動恢復(fù) %R3.4 E-DGURG 緊急返回 %R5.0 E-CNPRET CNC準(zhǔn)備好 %R15.B E-INCJOG *08手輪進(jìn)給 %R16.B MODCOUR =0自動1單段2輸入3空運(yùn)行6試驗7手動方式 %W3.1 C-ARUS 加工停請求 %W3.2 C-CYCLE 發(fā)出循環(huán)脈沖 %W3.3 C-RAX 軸恢復(fù)選擇 %W3.4 C-DGURG 緊急返回請求 %W3.6 C-SLASH 程序段跳過使能 %W3.7 C-M01 選擇停使能 %W4.0 AUTAV 允許在所有軸組上進(jìn)給 %W4.3 NARFIB 程序結(jié)束時不停止運(yùn)行 %W5.1 MODEPUP 操作方式選擇 %W14.B MODEDEM =0自動1單段2輸入3空運(yùn)行6試驗7手動方式 4.6梯形圖程序?qū)嵗? 4.6.1 主程序TSO-模塊1 主程序主要完成一組進(jìn)給授權(quán)、一組使能、選擇軸、讀入進(jìn)給倍率及主軸倍率、從CNC中讀出主軸參考速度等系統(tǒng)初始化工作，然后調(diào)用子程序，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的各種控制。 4.6.2程序啟停子程序SP12-模塊2 圖4-1 程序起?？刂铺菪螆D 當(dāng)按下CYCLE START鍵，且三軸(X,Z ,C )使能都加上時，發(fā)出循環(huán)脈沖，CYCLE=1,當(dāng)循環(huán)燈沒亮，且循環(huán)在進(jìn)行時，CYCLE START燈亮。 當(dāng)按下CYCLE STOP鍵，且三軸(X,Z ,C )使能都加上時，則發(fā)出加工停 請求，CARVS=1;當(dāng)循環(huán)停顯示，則循環(huán)停止。 4.6.3自動換刀控制程序SP10-模塊3 刀架有刀架電機(jī)驅(qū)動，刀具盤上有4個均勻分布的刀具位，程序完成對刀架正(圖4-2)、反轉(zhuǎn)及換刀(圖4-3)等控制。 圖4-2 刀架正轉(zhuǎn)梯形圖 圖4-3 換刀梯形圖 4.6.4報譽(yù)控制程序SP24-模塊4 報警等控制程序主要有CNC狀態(tài)報警、一般故障報警、低油位報警、伺服報警、主軸報警等(圖4-4)。 圖4-4 CNC狀態(tài)報警梯形圖 4.6.5主軸控制程序SP6-模塊5 主軸控制主要包括對主軸正反轉(zhuǎn)、主軸風(fēng)扇、主軸使能等的控制(圖4-5)。 圖4-5 主軸正反轉(zhuǎn)控制梯形圖 G代碼表 指令名 功 能 指令名 功 能 G00 定位（快速移動） G70 精加工循環(huán) G01 直線插補(bǔ)（切削進(jìn)給） G71 內(nèi)外圓粗車復(fù)合循環(huán) G02 順時針圓弧插補(bǔ)（后刀座） G72 端面粗車復(fù)合循環(huán) G03 逆時針圓弧插補(bǔ)（后刀座） G73 封閉切削復(fù)合循環(huán) G04 暫停、準(zhǔn)停 G74 軸向切槽循環(huán) G28 返回機(jī)械零點(diǎn) G75 徑向切槽循環(huán) G32 螺紋切削 G76 螺紋切削復(fù)合循環(huán) G33 攻絲循環(huán) G90 內(nèi)外圓切削循環(huán) G34 變螺距螺紋切削 G92 螺紋切削循環(huán) G40 取消刀尖半徑補(bǔ)償 G94 端面切削循環(huán) G41 刀尖半徑左補(bǔ)償（后刀座） G96 恒線速控制 G42 刀尖半徑右補(bǔ)償（后刀座） G97 恒轉(zhuǎn)速控制 G50 坐標(biāo)系設(shè)定 G98 每分進(jìn)給 G65 宏指令 G99 每轉(zhuǎn)進(jìn)給 第五章 主運(yùn)動傳動系統(tǒng)總體方案的確定 5.1主運(yùn)動傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計主要是根據(jù)變速傳動系統(tǒng)的不同類型而決定的，而變速系統(tǒng)的類型應(yīng)兼顧縮短變速所需的時間并能簡化傳動系統(tǒng)機(jī)構(gòu)等因素綜合來選擇、設(shè)計。 變速系統(tǒng)的類型主要有三種： 5.1.1無級變速傳動系統(tǒng) 無級變速傳動系統(tǒng)是指執(zhí)行件的轉(zhuǎn)速（或速度）在一定的范圍內(nèi)連續(xù)地變化，這樣可以使執(zhí)行件獲得最有利的速度，能在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，也便于實(shí)現(xiàn)自動化等。機(jī)械系統(tǒng)中常用的無級變速裝置有以下三種。 （1）機(jī)械無級變速器 機(jī)械無級變速器有鋼球式（科普型）、寬帶式等多種結(jié)構(gòu)，它們是依靠摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副的工作半徑來實(shí)現(xiàn)無級變速。由于其結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、噪聲小、使用維修方便、效率高，所以在各類機(jī)械（如機(jī)床、印刷機(jī)械、電工機(jī)械、鐘表機(jī)械、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、塑料機(jī)械、化工機(jī)械等）中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于摩擦副的彈性滑動，存在轉(zhuǎn)速損失，故不能用于調(diào)速精度高的場合。另外，它的變速范圍小，通常變速范圍Rb為4～6，