全套毕业设计基于plc的数控车床控制系统的设计

全套毕业设计基于plc的数控车床控制系统的设计内容摘要：

数控系统。 通过 2020年 4月我国最高级别的机床展览会 — 第八届北京国际机床展览会以及许多资料都已经明确表明了，目前我国数控系统生产的类型依然主要为经济型。 销量较大产品制造公司主要有广州数控，南京华兴数控，南京新万达数控，江苏仁和数控，成都广数控，北京帝特马数控等。 数控加工的意义 采用数控系统进行加工与传统的机械加工相比，前者的优益之处主要体现于以下 6个方面： （ 1） 加工精度高 数控机床是按照用户的程序指令进行零件的。 同传统机床相比，数控机床优化了其传动装置，提高了分辨率。 如今数控机床的脉冲当量已 经普遍达到了每个脉冲为 mm的程度，这就使得众多中小型数控机床的定位精度普遍能够达到 mm，重复定位精度达到 mm的数值。 而且在加工的整个过程中反向间隙与丝杠螺距误差等都是由数控装置进行自动补偿，可以有效地减少由于操作人员参与所带来的人为误差，所以可以肯定数控机床的加工精度相比传统的车床精度高许多。 （ 2） 加工效率高 工件加工所需的时间主要是由机动时间和辅助时间两部分构成。 所以数控机床可以助其数控机床轴转速和进量的调速范围比普通机床大的优势，使它可以选用最有利的切削用量进行加工，同 时数控机床以其所具有的良好的刚性来快速移动以及停止采用了加速、减速的措施来提高空行程的运动速度，使得能够有效地减少了机动时间。 而且在加工的过程中，采用数控机床可以避免传统机床所需的划线过程以及快速换刀，从而又缩减了辅助时间。 (3)柔性度高 在数控机床上进行工件的加工我们主要依靠的是用户所编程的程序。 同传统的机床对比来看，数控机床能够减少不必要的来回更换夹具、工具，以及过多重复的调整机床本身。 因此凭借其高度的柔性，数控机床可以很好的加工小批量复杂型的工件。 (4)劳动强度低，劳动条件改善 数控机床对工件的加 工是自动进行的，加工完毕后自动停车。 操作者不需要过多的参与，只需要对系统进行程序地编写、程序地输入、工件地装卸以及检验等工作，所以极大程度地降低了劳动强度。 同时由于众多数控机床如今多为封进行加工，所以既清洁又安全，这又使得劳动条件得到了改善。 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 (5)生产管理化程度高 由于数控机床是采用程序进行加工的，所以对于每个相同的工件来说，其加工时间都是基本一致的。 这样利用数控机床加工工件，就可以预计出整批相同件的所需时间，从而有利于进行均衡生产和预计产量的提高。 (6)就业压力减轻，就业待遇高 如今我国数控加工技术仍 然处于大力发展的阶段，大量的数控机床急需操控熟练的加工员。 然而目前在我国该行业熟练数控技术操作的人员的数量却始终处于更不上的现状，从而导致该行业严重缺乏人才。 但同时可以从侧面看出，这给众多空闲劳动力给拱了就业机遇而且就业待遇高，一定程度上解决了就业压力，解放和发展了劳动力。 不论是为我国经济的发展还是个体的经济收入都谋得实质性的利益。 PLC 在数控车床上功用、优点 PLC之所以能够广泛用于数控系统的控制之中与其自身的 6大优点难舍难分。 目前一个国家的 PLC技术已经在一定程度上代表该国家的电气程序的发展 水平。 如今PLC已与数控技术、工业机器人成为机械工业的自动化三大支柱。 （ 1）可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。 PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。 例如三菱公司生产的 F系列 PLC平均无故障时间高达 30万小时。 一些使用冗余 CPU的 PLC的平均无故障工作时间则更长。 从 PLC的机外电路来说，使用 PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。 此外， PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。 在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除 PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。 这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 (2)配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。 可以用于各种规模的工业控制场合。 除了逻辑处理功能以外，现代 PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。 近年来 PLC的功能单元大量涌现，使 PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等 各种工业控制中。 加上 PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用 PLC组成各种控制系统变得非常容易。 (3)易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。 它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。 梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。 为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 (4)系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。 更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。 这很适合多品种、小批量的生产场合。 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 (5)体积小，重量轻，能耗低 以超小型 PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗仅数瓦。 由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 课题研究背景及意义 研究意义 我国数控车床自 20世纪 70年代开始初步投入市场生产到如 今经过各科研机构、厂商地努力取得了肯定性的成果 :数控车床的质量可靠，类型、规格齐全等。 但同时面临诸多困境：产品转型升级、技术手段不过最先进行列等。 其中众多院校多以书本理论知识为主，脱离实际，导致学生空有理论。 本课题就是在这种背景下产生，目的是为了是学生增加动手，思考能力，将所学书本知识用于实践运用和系统开发中。 研究内容 本次基于数控车床控制系统的设计内容主要包括下几个部分： （ 1）给出本次控制系统设计总体方案，包括进给伺服系统的设计方案，联动控制的设计方案，主轴控制系统的设计方案。 （ 2）详细 进行本次设计，主要包括硬件元件的选择、硬件电路设计和软件程序编程。 （ 3）基于 Matlab软件对本次数控车床控制系统设计进行仿真，检验本次设计的可行性。 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 2 基于 PLC 数控车床控制系统的设计方案 数控车床简介 数控车床机械结构 数控机床的机械结构主要由以下几部分组成 ： （ 1） 主传动系统 它包括动力源、传动件及主运动执行件 (主轴 )等，其功用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。 （ 2） 二进给传动系统 它包括动力源、传动件及进 给运动执行件 (工作台、刀架 )等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。 （ 3） 基础支承件 它是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台等，是整台机床的基础和框架，支承机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。 （ 4） 辅助装置 辅助装置是指实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。 辅助装置视数控机床的不同而异，按机床的功能需要选用，如自动换刀系统、液压气动系统、润滑冷却装置和排屑防护装置等。 控制系统的组成 数控车床的控制系统主要包括输入装置、输出装置、数控装置 、可编程控制器、主轴控制模块、进给伺服控制模块及位置检测装置等部分。 控制系统组成图如 图 ： 图 控制系统组成图 其中，输入装置的作用是把控制介质中的程序代码转变为对应的电脉冲信号，然后传入并存入数控装置中；输出装置则是起到打印和显示功用。 数控装置是数控机床控制系统的核心部位。 它对接受从输入装置传送来的脉冲信号，通过其控制软件以及逻辑电路进行着编译、运算、逻辑处理处理工作，最后再将加工出的各种信息指令传输到伺服系统，从而实现对数控车床各个部位的 有序规定动作。 输入 装置 通信 线路 输出 装置 计 算 机 数 控 系 统 装 置 主轴控制单元 可编程控制器 速度控制单元 主轴 伺服驱动 机 床 进 给 伺服驱动 位置 监测装置 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 伺服系统的作用是将数控装置发过来的位移和速度脉冲信号转变为数控车床执行部件的方向、位移和进给速度。 可编程程序的接口部分是用来实现对数控车床的强电控制的作用，即执行实现数控装置发出的辅助功能。 位置检测装置的主要作用是进行主轴、进给轴的位置检测的完成工作。 配合着主轴控制模块、进给伺服控制模块完成相应的位置控制。 数控车床工作原理和流程 （ 1）输入：零件加工程序一般通过 DNC从上一级计算机输入而来。 （ 2）译码：译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。 （ 3）数据 处理：包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理。 （ 4）插补：是在已知一条曲线的种类、起点、终点以及进给速度后，在起点和终点之间进行数据点的密化。 （ 5）伺服输出：伺服控制程序的功能是完成本次插补周期的位置伺服计算，并将结果发送到伺服驱动接口中。 控制系统设计流程 本次设计的主要流程如图 ： 图 控制系统设计流程图 控制系统设计方案 伺服驱动控制系统设计方案 本 次设计设计中关于伺服驱动系统的设计采用的是具有位置反馈、速度反馈以及电流反馈的三闭环的结构形式的高性能伺服系统。 其中，伺服驱动系统中的电流环和速度环是内环，位置环为外环。 伺服驱动控制系统框图如图 ： 系统设计准备 控制系统方案提出 数控车床控制系统设计 器件选择 硬件电路设计 软件设计 仿真测试 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 图 伺服驱动控制系统框图 （ 1）电流环 电流环是由控制器和逆变器两个部分组建而成，它的作用是使得电机的绕组电流实时、准确地跟踪电流的参考信号。 在全数字交流伺服系统中，它分别起到对 d、 q轴电流进行控制作用。 其中， q轴指令电流是来自于速度环的输出，而 d轴的指令电流是电流直接给出的。 然后通过电流的控 制器，获得给定的控制电压，从而通过空间欠量脉冲宽调制算法利用 DSP产生触发脉冲控制工 IGBT。 （ 2）速度环 它是用来保证电机的转速和指令的一致性的，消除负载转矩的扰动等因素对电机转速的影响。 速度的指令与反馈的电机的实际转速进行比较，它们的差值则是通过速度调节器直接产生了 q轴指令电流，进而控制电机的匀速、减速和减速，最终使得电机的实际转速与指令的一致性。 其中速度调节器是采用 PI控制方式。 （ 3）位置环 位置环的根本作用是实现执行机构对位置指令的精确的跟踪，其可以产生电机的速度指令并使得电机准确的进行定位与跟 踪。 它通过对设定的目标位置和电机所要求达到的准确定位的实际位置进行比较，利用它们间的偏差通过采用位置调节器从而产生电机的速度指令。 联动控制设计方案 本次设计中联动控制的设计，联动控制原理图和硬件设计的连线分别如图 ， 示： 在步进电机和驱动电气的主控电路以及 PLC外围的继电器 KA2和接触器 KM2输出线路已接好的情况下，进行对合上自动开关 QF1和 QF2操作。 然后将编程的电缆连接到 PLC上，利用 PC机上的编程软件向 PLC传送控制程序。 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 图 联动控制原理图 图 硬件接线图 主轴控制系统设计方案 本次设计的主轴控制系统主要是用来实现对主轴的正反转动的控制、多档位调速和无级调速。 再与脉冲编码器相互结合起来，构成闭环控制，用来实现主轴转动和进给运动之间的相互联系。 主轴控制系统结构框图如图 ： 全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 图 主轴控制系统结构框图 在设计中，主轴调速采用分段的无级调速和多档位有级调速分段的无级调速能够在满足无级调速的功能基础上扩大最高转速的范围，从而不受电机最高转速的限制。 通 过液压拔叉系统来实现高速与低速之间的相互转换。 而每段的无级调速则是通过变频器功能实现。