数控机床的plc设计

数控机床的plc设计内容摘要：

量或位置。 数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动；还可利用测速元器件随时测得驱动电机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电机的转速随时进行修正。 这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关，因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。 图 是闭环控制的系统框图。 图 闭环控制的系统框图 相比于开环数控机床，闭环数控机床精度更高，速度更快，驱动功率更大，但是，这类机床价格昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。 传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难。 闭环系统设计和调整得不好，很容易造成系统的不稳定。 所以，闭环控制数控机床主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等。 (3) 半闭环数控机床 步进电机驱动电路功率步进电动机 机械传动链机床运动部件输入脉冲比较器功率放大电路直流或交流伺服电动机机械传动链输入脉冲 机床运动部件位置检测装置南华大学电气工程学院毕业设计 第 9 页 共 54 页 这类机床的检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位 置或位移。 这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，控制系统的调试十分方便，因此可以获得稳定的控制特性。 由于采用高分辨率的测量元件，如脉冲编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。 半闭环数控机床可以获得比开环系统更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。 大多数数控机床采用半闭环控制系统。 图 是半闭环控制的系统框图。 图 半闭环控制的系统框图 按控制系统功能水平分 类 按控制系统的功能水平，可以把数控机床分为经济型、普及型、高级型三类，主要由技术参数、功能指标、关键部件的功能水平来决定。 这些指标具体包括CPU 性能、分辨率、进给速度、伺服性能、通信功能、联动轴数等。 (1) 经济型数控机床 这类数控机床通常为低档数控机床，一般采用 8 位 CPU 或单片机控制，分辨率为 10 μ m，进给速度为 6～ 15 m/min，采用步进电机驱动，具有 RS232 接口。 低档数控机床最多联动轴数为二轴或三轴，具有简单 CRT 字符显示或数码管显示功能，无通信功能。 (2) 普及型数控机床 这类数控机床通常为中档数控机床，一般采用 16 位或更高性能的 CPU，分辨率在 1μ m 以内，进给速度为 15～ 24m/min，采用交流或直流伺服电机驱动；联动轴数为 3～ 5 轴；有较齐全的 CRT 显示及很好的人机界面，大量采用菜单操作，不仅有字符，还有平面线性图形显示功能、人机对话、自诊断等功能；具有RS232 或 DNC 接口，通过 DNC 接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也比较器输入脉冲 前置及功率放大电路直流或交流伺服电动机 脉冲编码器 机械传动链机床运动部件南华大学电气工程学院毕业设计 第 10 页 共 54 页 可以直接对几台数控机床进行控制。 (3) 高级型数控机床 这类数控机床通常为高档数控机床，一般采用 32 位或 64 位 CPU，并采用精简指令集 RISC 作为中央处理单元，分辨率可达 m，进给速度为 15～ 100 m/min，采用数字化交流伺服电机驱动，联动轴数在五轴以上，有三维动态图形显示功能。 高档数控机床具有高性能通信接口，具备联网功能，通过采用 MAP(制造自动化协议 )等高级工业控制网络或 Ether (以太网 )，可实现远程故障诊断和维修，为解决不同类型不同厂家生产的数控机床的联网和数控机床进入FMS(柔性制造系统 )和 CIMS(计算机集成制造系统 )等制造系统创造了条件。 上述这种分类方式没有严格的界限，经济型 数控是相对于标准数控而言的，在不同时期、不同国家的含义是不一样的。 区别于经济型数控，把功能比较齐全的数控系统称为全功能数控，也称为标准型数控。 数控机床的特点 ① 加工精度高 数控机床的脉冲当量小，位置分辨率高。 数控系统具备误差自动补偿功能。 数控机床的传动系统与机床结构设计，都具有比普通机床更高的刚度和稳定性，部件的制造、装配精度均比较高，提高了机床本身的精度与稳定性。 数控机床采用了自动加工方式，避免了加工过程中的人为干扰 ② 机床的柔性高 改变加工零件只需要新编制（更换）程序 ，就能实现对不同零件的加工 ③ 自动化程度高，劳动强度低 数控机床对零件的加工是根据事先编好的程序自动完成的。 在正常加工过程中，操作者只要进行极为简单的操作，即可完成零件的自动加工，不需要进行繁杂的重复性手工操作，操作者的劳动强度可大为减少。 此外，数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，使操作者的劳动条件也得到了很大改善。 ④ 生产率高 在数控机床上，由于主轴的转速和进给量都可以任意选择，由于数控机床的南华大学电气工程学院毕业设计 第 11 页 共 54 页 结构刚性好，一般都允许进行较大切削用量的强力切削，提高了数控机床的 切削效率，节省了实际加工时间。 数控机床的移动部件的空行程运动速度大大高于普通机床，。 数控机床更换被加工零件时一般都不需要重新调整。 数控机床加工零件的尺寸一致性好，质量稳定，一般只需要做首件检验。 数控机床可以实现精确、快速定位，节省了 “ 划线 ” 时间。 ⑤ 良好的经济效益 数控机床虽然设备价格较高，分摊到每个零件的加工费用较普通机床高，但使用数控机床加工，可以通过上述优点体现出整体效益。 特别是数控机床的加工精度稳定，减少了废品，降低了生产成本；此外，数控机床还可一机多用，节省厂房面积和投资。 ⑥ 有利于现 代化管理 采用数控机床加工，能准确地计算零件加工工时和费用，简化了检验工、夹具，减少了半成品的管理环节，有利于生产管理的现代化。 小结 数控机床涉及的知识和内容比较多，本章仅对数控机床的基本概念，分类及特点做了概述。 （ 1）数控机床的基本概念。 介绍了数控机床的基本组成和工作原理。 （ 2） 数控机床的分类。 按工艺方式、控制系统运动方式、控制系统功能水平三方面对数控机床进行了分类。 （ 3）数控机床的特点。 介绍了数控机床 拥有加工精度高，机床柔性高，自动化程度高、劳动强度低，生产率高，经济效 益良好，有利于现代化管理等特点。 南华大学电气工程学院毕业设计 第 12 页 共 54 页 计算机数控系统 概述 CNC系统的组成 CNC 系统主要由硬件和软件两大部分组成，其核心是 CNC 装置。 它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。 CNC 系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。 只要改变 CNC 系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。 各种数控机 床的 CNC 系统一般由以下几个部分组成：中央处理单元 (CPU)、只读存储器 (ROM)、随机存储器 (RAM)、输入 /输出设备 (I/O)、操作面板、 PLC、显示器和键盘等。 图 CNC 系统的一般结构框图。 图 CNC系统的一般结构框图 在图 所示的整个 CNC 系统的结构框图中，数控系统主要是指 CNC 控制器。 CNC控制器由数控系统硬件、软件构成的专用计算机与 PLC 组成。 前者主要处理机床轨迹运动的数字控制，后者主要处理开关量的逻辑控制。 南华大学电气工程学院毕业设计 第 13 页 共 54 页 CNC系统的功能和一般工作过 程 ① CNC系统的功能 CNC 系统由于现在普遍采用了微处理器，通过软件可以实现很多功能。 数控系统有多种系列，功能各异。 数控系统的功能通常包括基本功能和选择功能。 基本功能是数控系统必备的功能，选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。 CNC系统的功能主要反映在 G 功能 (G 指令代码 )和 M 功能 (M 指令代码 )上。 根据数控机床的类型、用途、档次的不同， CNC 系统的功能有很大差别，下面介绍其主要功能。 1) 控制功能 CNC 系统能控制的轴数和能同时控制 (联动 )的轴数是其主要性能之一。 控制轴有移动轴 和回转轴。 通过轴的联动可以完成轮廓轨迹的加工。 一般情况下，数控车床只需二轴控制，二轴联动；数控铣床需要三轴控制、三轴联动或二轴半联动；而加工中心一般为多轴控制，三轴联动。 控制轴数越多，特别是同时控制的轴数越多，要求 CNC 系统的功能就越强，同时 CNC 系统就越复杂，编制程序也越困难。 2) G 功能 G 功能也称 G指令代码，它用来指定机床的运动方式，包括基本移动、平面选择、坐标设定、刀具补偿、固定循环等指令。 对于点位式的数控机床，如数控钻床、数控冲床等，需要点位移动控制系统。 对于轮廓控制的数控机床，如数控车 床、数控铣床、加工中心等，需要控制系统有两个或两个以上的进给坐标具有联动功能。 3) 插补功能 CNC 系统是通过软件插补来实现刀具运动轨迹控制的。 由于轮廓控制的实时性很强，软件插补的计算速度难以满足数控机床对进给速度和分辨率的要求，同时由于 CNC 不断扩展其他方面的功能也要求减少插补计算所占用的 CPU 时间。 因此， CNC 的插补功能实际上被分为粗插补和精插补，插补软件每次插补一个轮廓步长的数据为粗插补，伺服系统根据粗插补的结果，将轮廓步长分成单个脉冲的输出称为精插补。 有的数控机床采用硬件进行精插补。 4) 进给功能 南华大学电气工程学院毕业设计 第 14 页 共 54 页 根据加工工艺要求， CNC 系统的进给功能用 F 指令代码直接指定数控机床加工的进给速度。 (1) 切削进给速度。 指刀具每分进给的距离 (毫米 )，如 100mm/min。 对于回转轴，以每分钟进给的角度指定刀具的进给速度。 (2) 同步进给速度。 指刀具主轴每转进给的距离 (毫米 )，如。 只有主轴上装有位置编码器的数控机床才能指定同步进给速度，用于切削螺纹的编程。 (3) 进给倍率。 操作面板上设置了进给倍率开关，倍率可以在 0～ 200%之间变化，每挡间隔 10%。 使用倍率开关不用修改程序就可以改变进 给速度，并可以在加工工件时随时改变进给速度或在发生意外时随时停止进给。 5) 主轴功能 主轴功能就是指定主轴转速的功能。 (1) 转速的编码方式。 一般用 S 指令代码指定。 一般用地址符 S 后加两位或四位数字表示，单位分别为 r/min 和 mm/min。 (2) 指定恒线速。 该功能可以保证车床和磨床加工工件端面的质量和在加工不同直径外圆时具有相同的切削速度。 (3) 主轴定向准停。 该功能使主轴在径向的某一位置准确停止，有自动换刀功能的机床必须选取有这一功能的 CNC 装置。 6) M功能 M 功能用来指定主轴的启、 停和转向；切削液的开和关；刀库的启和停等，属开关量的控制。 它用 M 指令代码表示。 现代数控机床一般用 PLC 控制。 各种型号的数控装置具有的 M 功能差别很大，而且有许多是自定义的。 7) 刀具功能 刀具功能用来选择所需的刀具，刀具功能字以地址符 T 为首，后面跟两位或四位数字，代表刀具的编号。 8) 补偿功能 补偿功能通过输入到 CNC 系统存储器的补偿量，根据编程轨迹重新计算刀具的运动轨迹和坐标尺寸，从而加工出符合要求的工件。 补偿功能主要有以下几种。 (1) 刀具的尺寸补偿。 如刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧 半径补偿。 南华大学电气工程学院毕业设计 第 15 页 共 54 页 这些功能可以补偿刀具磨损量，以便换刀时对准正确位置，简化编程。 (2) 丝杠的螺距误差补偿、反向间隙补偿和热变形补偿。 通过事先检测出丝杠螺距误差和反向间隙，并输入到 CNC 系统中，在实际加工中进行补偿，从而提高数控机床的加工精度。 9) 字符、图形显示功能 CNC 控制器可以配置数码管 (LED)显示器、单色或彩色阴极射线管 (CRT)显示器或液晶 (LCD)显示器，通过软件和硬件接口实现字符和图形的显示。 通常可以显示程序、参数、各种补偿量、坐标位置、故障信息、人机对话编程菜单、零件图形及刀具实际运动轨 迹的坐标等。 10) 自诊断功能 为了防止故障的发生或在发生故障后可以迅速查明故障的类型和部位，以减少停机时间， CNC 系统中设置了各种诊断程序。 不同的 CNC 系统设置的诊断程序是不同的，诊断的水平也不同。 诊断程序一般可以包含在系统程序中，在系统运行过程中进行检查和诊断；也可以作为服务性程序，在系统运行前或故障停机后进行诊断，查找故障的部位。 有的 CNC系统可以进行远程通信诊断。 11) 通信。