基于數(shù)控機床的PLC畢業(yè)設計（論文)word格式

1、畢業(yè)設計(論文)題 目 數(shù)控機床的plc設計 學院名稱 電氣工程學院 指導教師 孫凌翔 職 稱 副 教 授 班 級 自動化06級3班 學 號 20064460316 學生姓名 譚 淳 效 2010年05月25 日數(shù)控機床的plc設計摘要：隨著信息化產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控機床的功能日趨完善，數(shù)控機床取代普通機床已是一種必然的趨勢，隨著數(shù)控機床的發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，而可編程控制器(plc)因其具有可靠性高，抗干擾能力強；功能強，性能價格比高；硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強；編程方法簡單易學等顯著特點，已成為人們的首要選擇。在此背景下，本文提出了數(shù)控機床的plc

2、設計思路。本文描述了如今數(shù)控機床的基本組成、工作原理、分類及各自的特點。并且對數(shù)控機床中的plc做了詳細的介紹，把plc在數(shù)控機床的工作過程，設計流程做了具體分析。然后以立式車床c5112b為例，描述了它的plc設計過程，最后再介紹了plc在數(shù)控機床上故障維修的一些方法。關鍵詞：數(shù)控機床；可編程控制器；c5112b立式車床；三菱fx2nabstract: with the rapid development of information industry, the functions of numerical control machine tools are maturing. cnc ma

3、chine tools has been replaced by ordinary is an inevitable trend, with the development of cnc machine tools, the traditional relay control systems can not meet the industrial production needs. programmable logic controller (plc) because of its high reliability, strong anti-interference; feature stro

4、ng, high cost performance; hardware package is complete, the user easy to use, adaptable; programming easy to learn and other notable features has become the first choice. in this context, this paper presents design ideas plc cnc machine tool. this paper describes the basic composition of cnc machin

5、e tools now, working principle, classification and their characteristics. and on the nc machine tool in the plc made a detailed introduction to the work of the plc in the process of cnc machine tools, to do a detailed analysis of the design process. then vertical lathe c5112b, for example, describes

6、 its plc design process, and finally introduces the plc fault in the maintenance of cnc machine tools on some of the ways. keywords: cnc machine tools；plc；c5112b vertical lathe；mitsubishi fx2n引 言20世紀中期，隨著電子技術的發(fā)展，自動信息處理、數(shù)據(jù)處理以及電子計算機的出現(xiàn)，給自動化技術帶來了新的概念，用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制，推動了機床自動化的發(fā)展。 采用數(shù)字技術進行機械加工，最早是在

7、40年代初，由美國北密支安的一個小型飛機工業(yè)承包商派爾遜斯公司（parsonscorporation）實現(xiàn)的。他們在制造飛機的框架及直升飛機的轉動機翼時，利用全數(shù)字電子計算機對機翼加工路徑進行數(shù)據(jù)處理，并考慮到刀具直徑對加工路線的影響，使得加工精度達到0.0381mm（0.0015in），達到了當時的最高水平。 1952年，麻省理工學院在一臺立式銑床上，裝上了一套試驗性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實現(xiàn)了同時控制三軸的運動。這臺數(shù)控機床被大家稱為世界上第一臺數(shù)控機床。 這臺機床是一臺試驗性機床，到了1954年11月，在派爾遜斯專利的基礎上，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床由美國本迪克斯公司（bendix-coope

8、ration）正式生產(chǎn)出來。 在此以后，從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，如德國、日本都陸續(xù)開發(fā)、生產(chǎn)及使用了數(shù)控機床。plc即可編程控制器，（programmable logic controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。plc因其具有可靠性高，抗干擾能力強；配套齊全，功能完善，適用性強；易學易用；系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低等顯著特點，因此運用plc控制數(shù)控機床已越來越成為一種趨勢。因此本文介紹的即是數(shù)控機床的plc設計。從數(shù)控機床的基本組成和工作原理出發(fā)，讓讀者先從整體上大概了解下數(shù)控機床和plc有關概念，并以c5112b

9、立式車床為例，詳細說明了數(shù)控機床的plc設計，并給出了plc的硬件電路圖和軟件程序。并且舉例說明了一些plc在數(shù)控機床上的故障維修方法，供讀者參考。通過本文達到讓讀者能夠了解數(shù)控機床的plc設計方法的目的。目 錄1 數(shù)控機床的組成、工作原理、分類及特點.61.1 數(shù)控機床的組成及工作原理.61.1.1 數(shù)控機床的組成.61.1.2 數(shù)控機床的工作原理81.2 數(shù)控機床的分類.131.3 數(shù)控機床的特點.131.4 小結132 計算機數(shù)控系統(tǒng)152.1 概述.172.1.1 cnc系統(tǒng)的組成172.1.2 cnc系統(tǒng)的功能和一般工作過程172.2 計算機數(shù)控中的可編程邏輯控制器.212.2.1

10、plc及其工作過程212.2.1.1. plc的基本功能.222.2.1.2. plc的基本結構.242.2.1.3. plc的工作過程.272.2.1.4. plc的規(guī)模和幾種常用名稱.292.2.2 plc在數(shù)控機床上的應用.302.2.3 機床控制程序的設計流程332.3 小結.343 plc在立式車床中應用的系統(tǒng)設計.353.1 立式車床概況.353.2 plc應用于立式車床的現(xiàn)實意義.353.3 c5112b立式車床運行機構簡介.363.4 plc 控制系統(tǒng)的設計37 3.4.1 硬件設計.373.4.2 軟件設計.393.5 程序調(diào)試.443.6 小結.444 plc在數(shù)控機床上故

11、障維修方法454.1 與plc有關的故障特點.454.2 與plc有關故障檢測方法.454.2.1 根據(jù)故障號診斷故障.464.2.2 根據(jù)動作順序診斷故障464.2.3 根據(jù)控制對象的工作原理診斷故障.464.2.4 根據(jù)plc的i/0狀態(tài)診斷故障.474.2.5 通過梯形圖診斷故障.474.2.6 動態(tài)跟蹤梯形圖診斷故障.474.3 小結.475 總結.50參考文獻.51致謝.52附錄.531、數(shù)控機床的組成、工作原理、分類及特點1.1 數(shù)控機床的組成及工作原理 1.1.1 數(shù)控機床的組成1 數(shù)控機床的概念數(shù)控即數(shù)字控制(numerical control，簡稱nc)。數(shù)控技術即nc技術，

12、是指用數(shù)字化信息發(fā)出指令并實現(xiàn)自動控制的技術。計算機數(shù)控(computerized numerical control，簡稱cnc)是指用計算機實現(xiàn)部分或全部的數(shù)控功能。采用數(shù)控技術的自動控制系統(tǒng)為數(shù)控系統(tǒng)，采用計算機數(shù)控技術的自動控制系統(tǒng)為計算機數(shù)控系統(tǒng)，其被控對象可以是生產(chǎn)過程或設備。如果被控對象是機床，則稱為數(shù)控機床。數(shù)控機床的加工過程是：將所需的多個操作步驟(如機床的啟動或停止、主軸的變速、工件的夾緊或松開、刀具的選擇和交換、切削液的開或關等)和刀具與工件之間的相對位移，以及進給速度等都用數(shù)字化的代碼來表示，按規(guī)定編寫零件加工程序并送入數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)分析處理與計算后發(fā)出相應的指令控制機床

13、的伺服系統(tǒng)或其他執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。2 數(shù)控機床的組成(1) 程序編制及程序載體數(shù)控程序由數(shù)控機床自動加工零件所需工作指令組成，包含切削過程中所必需的機械運動、零件輪廓尺寸、工藝參數(shù)等加工信息。編制程序的工作可以人工進行，也可以在數(shù)控機床以外用計算機自動編程系統(tǒng)來完成。對于幾何形狀比較簡單的零件，程序段不多，可以采用手工編程；對于比較復雜特別是空間曲面零件，由于手工編程繁瑣而費時，且易出錯，需采用自動編程的方法。 (2) 輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼信息轉換成相應的電脈沖信號并傳送至數(shù)控裝置的存儲器。根據(jù)程序控制介質(zhì)的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、錄放機

14、或軟盤驅動器。最早使用光電閱讀機對穿孔紙帶進行閱讀，之后大量使用磁帶機和軟盤驅動器。有些數(shù)控機床不用任何程序存儲載體，而是將程序清單的內(nèi)容通過數(shù)控裝置上的鍵盤，用手工的方式輸入。也可以用通信方式將數(shù)控程序由編程計算機直接傳送至數(shù)控裝置。 (3) 數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心，包括微型計算機、各種接口電路、顯示器等硬件及相應的軟件。它能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及各種控制功能。數(shù)控裝置接受輸入裝置送來的脈沖信號，經(jīng)過編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令來控制機床的各個部分，并按程序要求實現(xiàn)規(guī)定的、有序的動作。這些控制信號是：各坐標軸的進給位移量、進給方向和速度的指令信號；主

15、運動部件的變速、換向和啟停指令信號；選擇和交換刀具的刀具指令信號；控制冷卻、潤滑的啟停，工件和機床部件松開、夾緊，分度工作臺轉位等輔助信號等。 數(shù)控裝置具備的功能有： 多坐標控制； 實現(xiàn)多種函數(shù)的插補； 信息轉換功能，如英制/公制轉換、坐標轉換、絕對值/增量值轉換； 補償功能，如刀具半徑補償、長度補償、傳動間隙補償、螺距誤差補償； 多種加工方式選擇，如可以實現(xiàn)各種加工循環(huán)、重復加工； 具有故障自診斷功能； 通信和聯(lián)網(wǎng)功能等。 (4) 強電控制裝置強電控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制系統(tǒng)。其主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的主軸變速、換向、啟動或停止，刀具的選擇和更換，分度工作臺的

16、轉位和鎖緊，工件的夾緊或松開，切削液的開或關等輔助操作的信號，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅動相應的執(zhí)行元件(如電器、液壓、氣動和機械部件等)，以完成指令所規(guī)定的動作，從而實現(xiàn)數(shù)控機床在加工過程中的全部自動操作。 (5) 伺服控制裝置伺服系統(tǒng)主要完成機床的運動及運動控制(包括進給運動、主軸運動、位置控制等)，它由伺服驅動電路和伺服驅動電機組成，并與機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)。它接受來自數(shù)控裝置的位置控制信息，將其轉換成相應坐標軸的進給運動和精確的定位運動，驅動機床執(zhí)行機構運動。由于是數(shù)控機床的最后控制環(huán)節(jié)，它的性能將直接影響數(shù)控機床的生產(chǎn)效率、加工精度和表面

17、加工質(zhì)量。 (6) 機床的機械部件與傳統(tǒng)的普通機床相比，數(shù)控機床機械部件有如下幾個特點：1) 采用了高性能的主軸及進給伺服驅動裝置，機械傳動結構得到簡化，傳動鏈較短。2) 機械結構具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼剛度、耐磨性以及抗熱變形性能。3) 較多地采用高效傳動件，如滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌等。4) 還有一些配套部件(如冷卻、排屑、防護、潤滑、照明、儲運等一系列裝置)和輔屬設備(編程機和對刀儀等)。 這些特點較好地滿足了數(shù)控技術的要求，并能充分適應數(shù)控加工的特點，便于實現(xiàn)自動化控制。a. 主傳動系統(tǒng)及主軸部件。主傳動電機已逐步被變頻主軸電機和交流調(diào)速電機所代替，不再使用普通的交流異步

18、電機或傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機。由于主軸部件要求實現(xiàn)自動更換刀具或工件，因此主軸上設計有刀具自動夾緊機構。此外還有主軸準停裝置。b. 進給系統(tǒng)。由于進給系統(tǒng)傳動精度、靈敏性和穩(wěn)定性將直接影響被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度，因此，為減少摩擦阻力，進給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠螺母副和滾動導軌。c. 數(shù)控回轉工作臺?；剞D工作臺通常用來實現(xiàn)數(shù)控機床的圓周進給運動，除了用來進行各種圓弧加工或與直線進給聯(lián)動進行曲面加工外，還可以實現(xiàn)精確的分度。對于自動換刀的多工序加工中心來說，回轉工作臺已成為一個不可缺少的部件。d. 刀具及自動換刀系統(tǒng)。對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫、自動刀具交換裝置、自動交換工

19、作臺等部件。由于數(shù)控機床是按預先編制的程序自動進行加工的，因而數(shù)控機床所用刀具的標準化、系列化以及編程前刀具的選用和加工前刀具的預調(diào)等都很重要。此外，自動換刀系統(tǒng)還應滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、足夠的刀具儲存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等要求。1.1.2 數(shù)控機床的工作原理1 工作原理數(shù)控機床是一種高度自動化的機床，它在加工工藝與加工表面形成方法上與普通機床基本相同，最根本的不同在于實現(xiàn)自動化控制的原理與方法上：數(shù)控機床是用數(shù)字化的信息來實現(xiàn)自動控制的。在數(shù)控機床上加工零件時，首先要將被加工零件圖上的幾何信息和工藝信息數(shù)字化。先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)、

20、刀具參數(shù)，再按數(shù)控機床規(guī)定采用的代碼和程序格式，將與加工零件有關的信息如工件的尺寸、刀具運動中心軌跡、位移量、切削參數(shù)(主軸轉速、切削進給量、背吃刀量)以及輔助操作(換刀、主軸的正轉與反轉、切削液的開與關)等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)數(shù)控裝置分析處理后，發(fā)出指令控制機床進行自動加工。 2 插補(1) 插補的概念如何控制刀具或工件的運動是數(shù)控機床的核心問題。數(shù)控機床的信息數(shù)字化就是把刀具與工件的運動坐標分割成一些最小單位量，即最小位移量。數(shù)控系統(tǒng)按照程序的要求，經(jīng)過信息處理、分配，使坐標移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。 在數(shù)控機床中，刀具的

21、運動軌跡是折線，因此刀具不能嚴格地沿著所加工的曲線運動，只能用折線以一定的精度要求逼近被加工曲線，當逼近誤差相當小時，這些折線之和就接近曲線了。數(shù)控機床是以脈沖當量為單位，計算輪廓起點與終點之間的坐標值，進行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相連成軌跡的。cnc裝置每發(fā)出一個脈沖，機床執(zhí)行部件的最小位移量稱為脈沖當量。常用機床的脈沖當量為0.010.001 mm/脈沖，脈沖當量越小，數(shù)控機床精度越高。各種斜線、圓弧、曲線均可由以脈沖當量為單位的微小直線段擬合而成。 零件的輪廓形狀是由各種線形如直線、螺旋線、拋物線、自由曲線等構成的，用戶在加工程序中，一般僅提供描述該線形所必需的

22、相關參數(shù)。例如，對直線，僅提供起點和終點的坐標值；對圓弧，除必須提供起點和終點的坐標值外，還必須提供圓心相對于起點的位置數(shù)值以及圓弧的旋轉方向。因此，數(shù)控系統(tǒng)必須在運動過程中實時計算出滿足線形和進給速度要求的若干中間點(在起點和終點之間)，這就是插補。它實質(zhì)上是根據(jù)有限的信息完成“數(shù)據(jù)密化”的工作?？蓪⒉逖a定義為：插補就是根據(jù)給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間計算中間點的方法。 數(shù)控系統(tǒng)對直線進行的插補計算即為直線插補，對圓弧進行的插補計算為圓弧插補，對其他由線進行的插補計算為其他的曲線插補。數(shù)控系統(tǒng)能進行哪幾種線形的插補計算，即具有哪幾種插補功能。目前，絕大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)只有

23、直線插補功能和圓弧插補功能。因此，數(shù)控機床只能作直線進給和圓弧進給，其指令為g01和g02/g03。 (2) 插補方法的分類目前常用的插補方法大致分為兩類：脈沖增量插補和數(shù)字增量插補。1) 脈沖增量插補。主要用于采用步進電機驅動的開環(huán)系統(tǒng)。每次插補計算結束，cnc裝置向各坐標軸驅動裝置發(fā)出一個脈沖，驅動步進電機帶動機床移動部件運動。其基本思想是：用折線來逼近曲線(包括直線)。 脈沖增量插補每次插補的結果僅產(chǎn)生一個單位的行程增量(一個脈沖當量)。以一個個脈沖的方式輸出給步進電機。脈沖增量插補的插補速度與進給速度密切相關，還受到步進電機最高運行頻率的限制。脈沖增量插補的實現(xiàn)方法較為簡單，比較容易用

24、硬件來實現(xiàn)，也有用軟件來完成這類算法的。這類插補算法有逐點比較法、最小偏差法、數(shù)字積分法等。逐點比較法的基本原理是：數(shù)控系統(tǒng)在控制加工過程中，逐點計算和判別加工誤差，與規(guī)定的運動軌跡進行比較，由比較結果決定下一步的移動方向。這種算法的特點是：運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便。因此，逐點比較法在兩坐標聯(lián)動的數(shù)控機床中應用較為廣泛。 2) 數(shù)字增量插補。主要用于采用交、直流伺服電機為伺服驅動系統(tǒng)的閉環(huán)、半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，也可以用于以步進電機為伺服驅動系統(tǒng)的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。目前所使用的cnc系統(tǒng)中，大多采用這類插補方法。cnc裝置產(chǎn)生的不是單個脈沖，而

25、是標準的二進制數(shù)。其基本思想是，用直線段來逼近曲線(包括直線)。 采用數(shù)字增量插補時，插補程序以一定的時間間隔定時進行。根據(jù)編程的速度將輪廓曲線分割為插補采樣周期的進給段即輪廓步長，用弦線和割線逼近輪廓軌跡。在每一插補周期內(nèi)，插補程序被調(diào)用一次，計算出各坐標軸在下一插補周期內(nèi)的位移增量(數(shù)字量而不是單個脈沖)x、y等，然后再計算出相應插補點位置的坐標值。插補運算速度與進給速度無嚴格的關系，因此可以達到較高的進給速度。數(shù)字增量插補的實現(xiàn)算法較脈沖增量插補復雜，對計算機的運算速度有一定要求。這類插補算法有數(shù)字積分法、二階近似插補法、時間分割法等。1.2 數(shù)控機床的分類 1按工藝方式分類(1) 金屬

26、切削類數(shù)控機床這類數(shù)控機床如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床、數(shù)控齒輪加工機床、加工中心等。盡管這些機床在加工工藝方面存在很大差異，具體的控制方法也各不相同，但它們都適合于單件、小批量和多品種的零件加工，具有很高的生產(chǎn)率和自動化程度。 (2) 金屬成型類數(shù)控機床這類數(shù)控機床如數(shù)控折彎機、數(shù)控彎管機、數(shù)控沖床等。(3) 數(shù)控特種加工及其他類型機床這類數(shù)控機床如數(shù)控線切割機床、數(shù)控火焰切割機、數(shù)控三坐標測量機、數(shù)控電火花加工機床等。 2按控制系統(tǒng)運動方式分類按控制方式分，最常用的數(shù)控機床可分為以下三類：(1) 開環(huán)數(shù)控機床這類數(shù)控機床采用開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。其數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號是

27、單向的，沒有檢測反饋裝置對運動部件的實際位移量進行檢測，不能進行運動誤差的校正，因此步進電機的步距角誤差、齒輪和絲杠組成的傳動鏈誤差都將直接影響加工零件的精度。 這類機床通常為經(jīng)濟型、中小型機床，具有結構簡單、價格低廉、調(diào)試方便等優(yōu)點，但通常輸出的扭矩值大小受到限制，而且當輸入的頻率較高時，容易產(chǎn)生失步，難以實現(xiàn)運動部件的控制，因此已不能充分滿足數(shù)控機床日益提高功率、運動速度和加工精度的控制要求。圖1-1是開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1-1 開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖(2) 閉環(huán)數(shù)控機床這類機床的位置檢測裝置安裝在進給系統(tǒng)末段端的執(zhí)行部件上，該位置檢測裝置可實測進給系統(tǒng)的位移量或位置。數(shù)控裝置將位移指令與

28、工作臺端測得的實際位置反饋信號進行比較，根據(jù)其差值不斷控制運動，使運動部件嚴格按照實際需要的位移量運動；還可利用測速元器件隨時測得驅動電機的轉速，將速度反饋信號與速度指令信號相比較，對驅動電機的轉速隨時進行修正。這類機床的運動精度主要取決于檢測裝置的精度，與機械傳動鏈的誤差無關，因此可以消除由于傳動部件制造過程中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響。圖1-2是閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1-2 閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖相比于開環(huán)數(shù)控機床，閉環(huán)數(shù)控機床精度更高，速度更快，驅動功率更大，但是，這類機床價格昂貴，對機床結構及傳動鏈依然提出了嚴格的要求。傳動鏈的剛度、間隙，導軌的低速運動特性，機床結構的抗振性等因

29、素都會增加系統(tǒng)調(diào)試困難。閉環(huán)系統(tǒng)設計和調(diào)整得不好，很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)控制數(shù)控機床主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床等。(3) 半閉環(huán)數(shù)控機床這類機床的檢測元件裝在驅動電機或傳動絲杠的端部，可間接測量執(zhí)行部件的實際位置或位移。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的調(diào)試十分方便，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測量元件，如脈沖編碼器，因此可以獲得比較滿意的精度與速度。半閉環(huán)數(shù)控機床可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度，但由于機械傳動鏈的誤差無法得到消除或校正，因此它的位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)的要低。大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1-3是半閉環(huán)控制

30、的系統(tǒng)框圖。 圖1-3 半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖3按控制系統(tǒng)功能水平分類按控制系統(tǒng)的功能水平，可以把數(shù)控機床分為經(jīng)濟型、普及型、高級型三類，主要由技術參數(shù)、功能指標、關鍵部件的功能水平來決定。這些指標具體包括cpu性能、分辨率、進給速度、伺服性能、通信功能、聯(lián)動軸數(shù)等。(1) 經(jīng)濟型數(shù)控機床這類數(shù)控機床通常為低檔數(shù)控機床，一般采用8位cpu或單片機控制，分辨率為10 m，進給速度為615 m/min，采用步進電機驅動，具有rs232接口。低檔數(shù)控機床最多聯(lián)動軸數(shù)為二軸或三軸，具有簡單crt字符顯示或數(shù)碼管顯示功能，無通信功能。 (2) 普及型數(shù)控機床這類數(shù)控機床通常為中檔數(shù)控機床，一般采用16位或

31、更高性能的cpu，分辨率在1 m以內(nèi)，進給速度為1524 m/min，采用交流或直流伺服電機驅動；聯(lián)動軸數(shù)為35軸；有較齊全的crt顯示及很好的人機界面，大量采用菜單操作，不僅有字符，還有平面線性圖形顯示功能、人機對話、自診斷等功能；具有rs232或dnc接口，通過dnc接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制。(3) 高級型數(shù)控機床這類數(shù)控機床通常為高檔數(shù)控機床，一般采用32位或64位cpu，并采用精簡指令集risc作為中央處理單元，分辨率可達0.1 m，進給速度為15100 m/min，采用數(shù)字化交流伺服電機驅動，聯(lián)動軸數(shù)在五軸以上，有三維動態(tài)圖形顯示功能

32、。高檔數(shù)控機床具有高性能通信接口，具備聯(lián)網(wǎng)功能，通過采用map(制造自動化協(xié)議)等高級工業(yè)控制網(wǎng)絡或ethernet (以太網(wǎng))，可實現(xiàn)遠程故障診斷和維修，為解決不同類型不同廠家生產(chǎn)的數(shù)控機床的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)控機床進入fms(柔性制造系統(tǒng))和cims(計算機集成制造系統(tǒng))等制造系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 上述這種分類方式?jīng)]有嚴格的界限，經(jīng)濟型數(shù)控是相對于標準數(shù)控而言的，在不同時期、不同國家的含義是不一樣的。區(qū)別于經(jīng)濟型數(shù)控，把功能比較齊全的數(shù)控系統(tǒng)稱為全功能數(shù)控，也稱為標準型數(shù)控。1.3 數(shù)控機床的特點1.加工精度高 數(shù)控機床的脈沖當量小，位置分辨率高;數(shù)控系統(tǒng)具備誤差自動補償功能;數(shù)控機床的傳動系統(tǒng)與機床結

33、構設計，都具有比普通機床更高的剛度和穩(wěn)定性，部件的制造、裝配精度均比較高，提高了機床本身的精度與穩(wěn)定性;數(shù)控機床采用了自動加工方式，避免了加工過程中的人為干擾2.機床的柔性高 改變加工零件只需要新編制（更換）程序，就能實現(xiàn)對不同零件的加工 3.自動化程度高，勞動強度低 數(shù)控機床對零件的加工是根據(jù)事先編好的程序自動完成的。在正常加工過程中，操作者只要進行極為簡單的操作，即可完成零件的自動加工，不需要進行繁雜的重復性手工操作，操作者的勞動強度可大為減少。此外，數(shù)控機床一般都具有較好的安全防護、自動排屑、自動冷卻和自動潤滑裝置，使操作者的勞動條件也得到了很大改善。 4.生產(chǎn)率高 在數(shù)控機床上，由于主

34、軸的轉速和進給量都可以任意選擇，由于數(shù)控機床的結構剛性好，一般都允許進行較大切削用量的強力切削，提高了數(shù)控機床的切削效率，節(jié)省了實際加工時間;數(shù)控機床的移動部件的空行程運動速度大大高于普通機床，;數(shù)控機床更換被加工零件時一般都不需要重新調(diào)整;數(shù)控機床加工零件的尺寸一致性好，質(zhì)量穩(wěn)定，一般只需要做首件檢驗; 數(shù)控機床可以實現(xiàn)精確、快速定位，節(jié)省了“劃線”時間。5.良好的經(jīng)濟效益 數(shù)控機床雖然設備價格較高，分攤到每個零件的加工費用較普通機床高，但使用數(shù)控機床加工，可以通過上述優(yōu)點體現(xiàn)出整體效益。特別是數(shù)控機床的加工精度穩(wěn)定，減少了廢品，降低了生產(chǎn)成本；此外，數(shù)控機床還可一機多用，節(jié)省廠房面積和投資

35、。 6.有利于現(xiàn)代化管理 采用數(shù)控機床加工，能準確地計算零件加工工時和費用，簡化了檢驗工、夾具，減少了半成品的管理環(huán)節(jié)，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 1.4 小結 數(shù)控機床涉及的知識和內(nèi)容比較多，本章僅對數(shù)控機床的基本概念，分類及特點做了概述。（1）數(shù)控機床的基本概念。介紹了數(shù)控機床的基本組成和工作原理。（2）數(shù)控機床的分類。按工藝方式、控制系統(tǒng)運動方式、控制系統(tǒng)功能水平三方面對數(shù)控機床進行了分類。（3）數(shù)控機床的特點。介紹了數(shù)控機床擁有加工精度高，機床柔性高，自動化程度高、勞動強度低，生產(chǎn)率高，經(jīng)濟效益良好，有利于現(xiàn)代化管理等特點。2、計算機數(shù)控系統(tǒng)2.1 概述2.1.1 cnc系統(tǒng)的組成cnc

36、 系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，其核心是cnc 裝置。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件，合理地組織管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機床按照操作者的要求進行自動加工。cnc 系統(tǒng)采用了計算機作為控制部件，通常由常駐在其內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能，從而對機床運動進行實時控制。只要改變cnc 系統(tǒng)的控制軟件就能實現(xiàn)一種全新的控制方式。各種數(shù)控機床的 cnc 系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：中央處理單元(cpu)、只讀存儲器(rom)、隨機存儲器(ram)、輸入/輸出設備(i/o)、操作面板、plc、顯示器和鍵盤等。圖2.1所示為cnc 系統(tǒng)的一般結構框圖

37、。圖 2.1 cnc系統(tǒng)的一般結構框圖在圖 2.1 所示的整個cnc 系統(tǒng)的結構框圖中，數(shù)控系統(tǒng)主要是指cnc 控制器。cnc控制器由數(shù)控系統(tǒng)硬件、軟件構成的專用計算機與plc 組成。前者主要處理機床軌跡運動的數(shù)字控制，后者主要處理開關量的邏輯控制。2.1.2 cnc系統(tǒng)的功能和一般工作過程1. cnc系統(tǒng)的功能cnc 系統(tǒng)由于現(xiàn)在普遍采用了微處理器，通過軟件可以實現(xiàn)很多功能。數(shù)控系統(tǒng)有多種系列，功能各異。數(shù)控系統(tǒng)的功能通常包括基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，選擇功能是供用戶根據(jù)機床特點和用途進行選擇的功能。cnc系統(tǒng)的功能主要反映在g 功能(g 指令代碼)和m 功能(m 指

38、令代碼)上。根據(jù)數(shù)控機床的類型、用途、檔次的不同，cnc 系統(tǒng)的功能有很大差別，下面介紹其主要功能。1) 控制功能cnc 系統(tǒng)能控制的軸數(shù)和能同時控制(聯(lián)動)的軸數(shù)是其主要性能之一?？刂戚S有移動軸和回轉軸。通過軸的聯(lián)動可以完成輪廓軌跡的加工。一般情況下，數(shù)控車床只需二軸控制，二軸聯(lián)動；數(shù)控銑床需要三軸控制、三軸聯(lián)動或二軸半聯(lián)動；而加工中心一般為多軸控制，三軸聯(lián)動?？刂戚S數(shù)越多，特別是同時控制的軸數(shù)越多，要求cnc 系統(tǒng)的功能就越強，同時cnc 系統(tǒng)就越復雜，編制程序也越困難。2) g 功能g 功能也稱g指令代碼，它用來指定機床的運動方式，包括基本移動、平面選擇、坐標設定、刀具補償、固定循環(huán)等指

39、令。對于點位式的數(shù)控機床，如數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床等，需要點位移動控制系統(tǒng)。對于輪廓控制的數(shù)控機床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等，需要控制系統(tǒng)有兩個或兩個以上的進給坐標具有聯(lián)動功能。3) 插補功能cnc 系統(tǒng)是通過軟件插補來實現(xiàn)刀具運動軌跡控制的。由于輪廓控制的實時性很強，軟件插補的計算速度難以滿足數(shù)控機床對進給速度和分辨率的要求，同時由于cnc 不斷擴展其他方面的功能也要求減少插補計算所占用的cpu 時間。因此，cnc 的插補功能實際上被分為粗插補和精插補，插補軟件每次插補一個輪廓步長的數(shù)據(jù)為粗插補，伺服系統(tǒng)根據(jù)粗插補的結果，將輪廓步長分成單個脈沖的輸出稱為精插補。有的數(shù)控機床采用硬件進行精

40、插補。4) 進給功能根據(jù)加工工藝要求，cnc 系統(tǒng)的進給功能用f 指令代碼直接指定數(shù)控機床加工的進給速度。(1) 切削進給速度。指刀具每分進給的距離(毫米)，如100mm/min。對于回轉軸，以每分鐘進給的角度指定刀具的進給速度。(2) 同步進給速度。指刀具主軸每轉進給的距離(毫米)，如0.02mm/r。只有主軸上裝有位置編碼器的數(shù)控機床才能指定同步進給速度，用于切削螺紋的編程。(3) 進給倍率。操作面板上設置了進給倍率開關，倍率可以在0200%之間變化，每擋間隔10%。使用倍率開關不用修改程序就可以改變進給速度，并可以在加工工件時隨時改變進給速度或在發(fā)生意外時隨時停止進給。5) 主軸功能主軸

41、功能就是指定主軸轉速的功能。(1) 轉速的編碼方式。一般用s 指令代碼指定。一般用地址符s 后加兩位或四位數(shù)字表示，單位分別為r/min 和mm/min。(2) 指定恒線速。該功能可以保證車床和磨床加工工件端面的質(zhì)量和在加工不同直徑外圓時具有相同的切削速度。(3) 主軸定向準停。該功能使主軸在徑向的某一位置準確停止，有自動換刀功能的機床必須選取有這一功能的cnc 裝置。6) m功能m 功能用來指定主軸的啟、停和轉向；切削液的開和關；刀庫的啟和停等，屬開關量的控制。它用m 指令代碼表示?，F(xiàn)代數(shù)控機床一般用plc 控制。各種型號的數(shù)控裝置具有的m 功能差別很大，而且有許多是自定義的。7) 刀具功能

42、刀具功能用來選擇所需的刀具，刀具功能字以地址符t 為首，后面跟兩位或四位數(shù)字，代表刀具的編號。8) 補償功能補償功能通過輸入到cnc 系統(tǒng)存儲器的補償量，根據(jù)編程軌跡重新計算刀具的運動軌跡和坐標尺寸，從而加工出符合要求的工件。補償功能主要有以下幾種。(1) 刀具的尺寸補償。如刀具長度補償、刀具半徑補償和刀尖圓弧半徑補償。這些功能可以補償?shù)毒吣p量，以便換刀時對準正確位置，簡化編程。(2) 絲杠的螺距誤差補償、反向間隙補償和熱變形補償。通過事先檢測出絲杠螺距誤差和反向間隙，并輸入到cnc 系統(tǒng)中，在實際加工中進行補償，從而提高數(shù)控機床的加工精度。9) 字符、圖形顯示功能cnc 控制器可以配置數(shù)碼

43、管(led)顯示器、單色或彩色陰極射線管(crt)顯示器或液晶(lcd)顯示器，通過軟件和硬件接口實現(xiàn)字符和圖形的顯示。通?？梢燥@示程序、參數(shù)、各種補償量、坐標位置、故障信息、人機對話編程菜單、零件圖形及刀具實際運動軌跡的坐標等。10) 自診斷功能為了防止故障的發(fā)生或在發(fā)生故障后可以迅速查明故障的類型和部位，以減少停機時間，cnc 系統(tǒng)中設置了各種診斷程序。不同的cnc 系統(tǒng)設置的診斷程序是不同的，診斷的水平也不同。診斷程序一般可以包含在系統(tǒng)程序中，在系統(tǒng)運行過程中進行檢查和診斷；也可以作為服務性程序，在系統(tǒng)運行前或故障停機后進行診斷，查找故障的部位。有的cnc系統(tǒng)可以進行遠程通信診斷。11)

44、 通信功能為了適應柔性制造系統(tǒng)(fms)和計算機集成制造系統(tǒng)(cims)的需求，cnc 裝置通常具有rs232c通信接口，有的還備有dnc接口。也有的cnc還可以通過制造自動化協(xié)議(map)接入工廠的通信網(wǎng)絡。12) 人機交互圖形編程功能為了進一步提高數(shù)控機床的編程效率，對于數(shù)控程序的編制，特別是較為復雜零件的數(shù)控程序都要通過計算機輔助編程，尤其是利用圖形進行自動編程，以提高編程效率。因此，對于現(xiàn)代 cnc 系統(tǒng)一般要求具有人機交互圖形編程功能。有這種功能的cnc 系統(tǒng)可以根據(jù)零件圖直接編制程序，即編程人員只需輸入圖樣上簡單表示的幾何尺寸就能自動地計算出全部交點、切點和圓心坐標，生成加工程序。

45、有的cnc 系統(tǒng)可根據(jù)引導圖和顯示說明進行對話式編程，并具有自動工序選擇、刀具和切削條件的自動選擇等智能功能。有的cnc 系統(tǒng)還備有用戶宏程序功能(如日本fanuc系統(tǒng))。這些功能有助于那些未受過cnc編程專門訓練的機械工人能夠很快地進行程序編制工作。2. cnc系統(tǒng)的一般工作過程1) 輸入輸入cnc控制器的通常有零件加工程序、機床參數(shù)和刀具補償參數(shù)。機床參數(shù)一般在機床出廠時或在用戶安裝調(diào)試時已經(jīng)設定好，所以輸入cnc系統(tǒng)的主要是零件加工程序和刀具補償參數(shù)。輸入方式有紙帶輸入、鍵盤輸入、磁盤輸入，上級計算機dnc通信輸入等。cnc系統(tǒng)輸入工作方式有存儲方式和數(shù)控方式。存儲方式是將整個零件程序一

46、次全部輸入到cnc系統(tǒng)內(nèi)部存儲器中，加工時再從存儲器中把一個一個程序調(diào)出，該方式應用較多。數(shù)控方式是cnc系統(tǒng)一邊輸入一邊加工的方式，即在前一程序段加工時，輸入后一個程序段的內(nèi)容。2) 譯碼譯碼以零件程序的一個程序段為單位進行處理，把其中零件的輪廓信息(起點、終點、直線或圓弧等)，f、s、t、m 等信息按一定的語法規(guī)則解釋(編譯)成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專用區(qū)域。編譯過程中還要進行語法檢查，發(fā)現(xiàn)錯誤立即報警。3) 刀具補償?shù)毒哐a償包括刀具半徑補償和刀具長度補償。為了方便編程人員編制零件加工程序，編程時零件程序是以零件輪廓軌跡來編程的，與刀具尺寸無關。程序輸

47、入和刀具參數(shù)輸入分別進行。刀具補償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E按系統(tǒng)存儲的刀具尺寸數(shù)據(jù)自動轉換成刀具中心(刀位點)相對于工件的移動軌跡。刀具補償包括 b 機能和c 機能刀具補償功能。在較高檔次的cnc 系統(tǒng)中一般應用c機能刀具補償，c 機能刀具補償能夠實現(xiàn)程序段之間的自動轉接和過切削判斷等功能。4) 進給速度處理數(shù)控加工程序給定的刀具相對于工件的移動速度是在各個坐標合成運動方向上的速度，即f 代碼的指令值。速度處理首先要進行的工作是將各坐標合成運動方向上的速度分解成各進給運動坐標方向的分速度，為插補時計算各進給坐標的行程量做準備；另外對于機床允許的最低和最高速度限制也在這里處理。有的數(shù)控機床的cnc

48、 系統(tǒng)軟件的自動加速和減速也放在這里。5) 插補零件加工程序段中的指令行程信息是有限的。如對于加工直線的程序段僅給定起、終點坐標；對于加工圓弧的程序段除了給定其起、終點坐標外，還給定其圓心坐標或圓弧半徑。要進行軌跡加工，cnc 系統(tǒng)必須從一條已知起點和終點的曲線上自動進行“數(shù)據(jù)點密化”的工作，這就是插補。插補在每個規(guī)定的周期(插補周期)內(nèi)進行一次，即在每個周期內(nèi)，按指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段，通常經(jīng)過若干個插補周期后，插補完一個程序段的加工，也就完成了從程序段起點到終點的“數(shù)據(jù)點密化”工作。6) 位置控制位置控制裝置位于伺服系統(tǒng)的位置環(huán)上，如圖 2.2 所示。它的主要工作是在每個采

49、樣周期內(nèi)，將插補計算出的理論位置值與實際反饋位置值進行比較，用其差值控制進給電動機。位置控制可由軟件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償?shù)龋蕴岣邫C床的定位精度。圖2.2 位置控制的原理7) i/o處理cnc 系統(tǒng)的i/o 處理是cnc 系統(tǒng)與機床之間的信息傳遞和變換的通道。其作用一方面是將機床運動過程中的有關參數(shù)輸入到cnc 系統(tǒng)中；另一方面是將cnc 系統(tǒng)的輸出命令(如換刀、主軸變速換擋、加切削液等)變?yōu)閳?zhí)行機構的控制信號，實現(xiàn)對機床的控制。8) 顯示cnc 系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，顯示裝置有l(wèi)ed 顯示器、crt

50、 顯示器和lcd 顯示器，一般位于機床的控制面板上。通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機床狀態(tài)顯示、報警信息顯示等。有的cnc 裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)模擬加工圖形顯示。上述cnc 系統(tǒng)的工作流程如圖2.3 所示。圖2.3 cnc系統(tǒng)的工作流程2.2 計算機數(shù)控中的可編程邏輯控制器2.2.1 plc及其工作過程可編程邏輯控制器(programmable logic controller)簡稱plc，是一類以微處理器為基礎的通用型自動控制裝置。它一般以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能夠完成邏輯、順序、計時、計數(shù)和算術運算等功能，既能控制開關量，也能控制模擬量。近年來plc

51、技術發(fā)展很快，每年都推出不少新產(chǎn)品。據(jù)不完全統(tǒng)計，美國、日本、德國等生產(chǎn)plc 的廠家已達150 多家，產(chǎn)品有數(shù)百種。plc的功能也在不斷增長，主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1) 控制規(guī)模不斷擴大，單臺plc 可控制成千乃至上萬個點，多臺plc 進行同位鏈接可控制數(shù)萬個點。(2) 指令系統(tǒng)功能增強，能進行邏輯運算、計時、計數(shù)、算術運算、pid運算、數(shù)制轉換、ascii碼處理。高檔plc 還能處理中斷、調(diào)用子程序等，使得plc 能夠實現(xiàn)邏輯控制、模擬量控制、數(shù)值控制和其他過程監(jiān)控，以至在某些方面可以取代小型計算機控制。(3) 處理速度提高，使每個點的平均處理時間從10 m左右減少到1 m以內(nèi)。(4) 編程容量增大，從幾kb 增大到幾十kb，甚至上百kb。(5) 編程語言多樣化，大多數(shù)使用梯形圖語言和語句表語言，有的還可使用流程圖語言或高級語言。(6) 增加通信與聯(lián)網(wǎng)功能，多臺plc 之間能互相通信，互相交換數(shù)據(jù)，plc 還可以與上位計算機通信，接受計算機的命令，并將執(zhí)行結果告訴計算機。通信接口多采用rs422/rs232c 等標準接口，以實現(xiàn)多級集散控制。目前，為了適應不同的需要，進一步擴大p