数控龙门移动式镗铣床控制系统的研究.docx
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数控龙门移动式镗铣床控制系统的研究
摘要
CNC（Computernumbercontrol数控机床）是计算机数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件
数控龙门移动式镗铣床是能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床，它具有根据工艺要求自动更换所需刀具的功能。
本文就对数控龙门移动式镗铣床的机械结构、电气控制和数控三部分进行了设计研究，基本可以满足镗铣床的运行。
本系统采用的数控装置集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。
详细给出了主/控制回路图及一些元件的选择。
关键词：
数控装置；PLC；主/控制回路；镗铣床
ABSTRACT
CNCistheabbreviationforthecomputernumbercontrol，itisakindofautomaticmachinetoolcontrolledbytheprogrammablecomponents.Theprogrammablecomponentcanrunvariouscomputerlanguagesandcodesandinstructthemachinetooltomanufacturemodule.
Numbercontrolmillingmachinecanautomaticallyperformthefuctionsofmilling,boringahole,internalboring,reaming,tapingandsoon.Italsocanautomaticallychangethecuttingtoolaccordingtothedifferentrequirements.
Thetreatisemainlyintroducesthewayhowtodesignthemechanicalstructure,electricalcontrolandprogrammablecomponents.Afterthedesign,wecanmakeboring-millingmachineworkwell.ThesystemisintegratedintotheNCdeviceinterfacetotheshaft,spindleinterface,handheldunitinterface,embeddedPLCinterface,remoteI/Ointerfaceboardin,anditsupportharddrives,diskandotherelectronicstoragemethodsandproceduresFloppydrive,DNC,Ethernetandotherfunctionsoftheexchangeprogram,ahigh-performance,flexibleconfiguration,compactandeasytouse,ithashighreliability.Itisgivenmaster/controlcircuitdiagramandsomecomponentshowtochoose.
Keywords：
programmablecomponent；programmablelogiccontroller；master/controlloop；millingmachine
目录
1绪论1
1.1本论文的选题及意义1
1.1.1数控系统的发展和现状1
1.1.2我国数控机床的现状2
1.2数控机床的特点和用途3
1.3PLC技术简介4
1.3.1PLC的基本结构4
1.3.2PLC应用领域5
2数控龙门移动式镗铣床控制系统设计6
2.1系统简介6
2.1.1总体框图7
2.1.2输入输出开关量的定义7
2.1.3电气原理图10
2.1.4继电器的输入输出开关量11
2.1.5主轴单元接线图13
2.1.6伺服驱动器接线图13
2.2数控装置14
2.3软驱单元16
2.4手持单元16
2.5I/O端子板17
2.6远程I/O端子板18
2.7电源19
2.7.1供电要求19
2.8数控装置的连接21
2.8.1数控装置与软驱单元的连接21
2.8.2数控装置与外部计算机的连接22
2.8.3数控装置开关量的输入/输出24
2.8.4数控装置与手持单元的连接35
2.8.5数控装置与主轴装置的连接37
2.8.6数控装置与进给驱动装置的连接40
2.9急停与超程解除的设计45
3伺服电机的选择计算48
3.1伺服电机的选择计算48
3.2惯量匹配计算48
3.3伺服电动机转距计算49
4数控部分设计51
4.1基本结构与主要功能51
4.1.1基本配置51
4.1.2主要技术规格52
4.2操作装置52
4.2.1操作台结构52
4.2.2显示器52
4.2.3NCP键盘52
结论53
致谢54
参考文献55
附录A英文原文56
附录B汉语翻译59
1绪论
1.1本论文的选题及意义
本课题来自我即将工作的单位，工程性强，对我将来的工作有很大帮助。
这次毕业设计让我更了解数控机床，对它的结构系统以及工作原理等有了一定能够程度上的掌握，使自己的理论水平和实际操作水平有了一定的提高。
通过此次毕业设计，我学到了很多关于数控机床的知识，为我将来工作时能对机床进行技术改造，提高其工作效率和加工水平打下了良好的基础。
数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，它很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、小批量、多品种零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。
它是现代集成制造系统、制造自动化系统的基本组成单元。
但是从目前企业面临的情况来看，企业原有的数控机床因种种原因，不能发挥其应有效用而闲置，造成国有资产的浪费，如何对待这些不能发挥效用或不能完全发挥效用的设备，使它们焕发新的生命力，不仅仅是企业自身的问题，更关系到我国国民经济的可持续性发展。
基于当代数控技术的数字化、网络化的发展方向，对这些机床进行技术改造，既节约资源，减少投资，又可以提高企业的装备水平。
1.1.1数控系统的发展和现状
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床，近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
早期为数控（NC-Numbercontrol）阶段（1952～1970年），当时的计算机的运算速度低，对当时的科学计算和数据处理影响还不大，但不能适应机床实时控制的要求。
人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。
随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即1952年的第一代——电子管；1959年的第二代——晶体管；1965年的第三代——小规模集成电路。
计算机数控（CNC-Computernumbercontrol）阶段（1970年～现在）到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。
于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段。
计算机数控（CNC）发展到今天已经历了三代：
1970年的小型机，1974年的微处理器（单片机），1990年的第三代——基于PC（PC－Based）。
自上世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。
世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。
开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。
开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。
数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多的晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型化。
可靠性大大提高。
利用多CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。
开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升级或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。
这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。
为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：
1、高速、高效、高精度、高可靠性。
2、模块化、智能化、柔性化和集成化。
1.1.2我国数控机床的现状
1958年中国与日本同年研制出首台NC机床。
我国于1958～1960、1962～1965、1973～1978年曾先后三次在全国掀起NC机床的研制、生产、攻关高潮，但由于缺乏技术基础，机床车体设计实力差、各种机、电、液、气配套基础元部件、NC系统不过关，工作不可靠，故障频繁，且由于发展NC机床整个方针、政策、方法、步骤、措施错误，形成一哄而上，又一哄而下，三起三落。
到1979年为止，我国NC机床无法正式生产，也无法在生产中正式使用。
我国从1980年起，先后引进了日、德、美、西班牙的数控系统，各种数控机床，各类机、电、液、气基础元部件等进行合作生产。
目前中国生产的NC机床，约70%配用国外著名公司如德国SIEMENS公司、日本FANUC公司的系统；国内公司如中国珠峰公司、北京航天机床数控系统集团公司、华中数控公司和沈阳高档数控国家工程研究中心的市场占有率较低。
我国NC机床的现状，可用引用3句话来描述：
“进步大，问题多；拥有量较多，但利用率不高；产量较少，高性能产品缺乏。
”据1995年全国调查，我国机床拥有量383万台，其中NC机床7.28万台。
虽然机床总拥有量数字很大，居世界第一，但普遍性能落后、结构陈旧，NC机床所占比重不大。
中国1999年NC机床产量为9,007台，进口NC机床11,489台。
在已拥有的数控机床中,国产的占56%,进口占44%,但从设备的技术质量、性能水平及价格来看，国产数控机床明显落后于进口机床。
因此,提高国产数控机床的技术与质量水平,加强用户需要的中、高档数控机床的开发，是摆在我国机床行业面前的一项重要任务。
目前，发达国家与发展中国家机床拥有量、年产量中，低（普遍机床）、中（高效自动化机床）、高档机床（NC机床）比例不同，发达国家机床拥有量、年产量中，低、中、高档机床之比分别为：
20：
70：
10和5：
65：
30，而发展中国家分别约为：
80：
17：
3和70：
25：
5，因此两者之间的生产率、劳动生产率相差悬殊。
1.2数控机床的特点和用途
1、具有较强的适应性和通用性
数控机床的加工对象改变时，只需要新编制相应的程序，输入计算机就可以自动地加工出新的工件。
同类工件系列中不同尺寸、不同精度的工件，只需要局部修改或增删零件程序的相应部分。
随着数控技术的迅速发展，数控机床的柔性也在不断扩展，逐步向多工序集中加工方向发展。
2、获得更高的加工精度和稳定的加工质量
数控机床是按以数字形式给出的指令脉冲进行加工。
目前增量值普遍到达了0.001mm。
进给传动链的反向间隙与丝杠导程误差等均可由数控装置进行补偿，所以可获得较高的加工精度。
3、具有较高的生产率
数控机床不需人工操作，四面都有防护罩，不用担心切削飞溅伤人，可以充分发挥刀具的切削性能。
因此，数控机床的功率及其刚度都比普遍机床性能高，允许进行大切削用量的强力切削。
这有效地缩短了切削时间。
4、改善劳动条件，提高劳动生产率
应用数控机床时，工人不需直接操作机床，而是编好程序调整好机床后由数控系统来控制机床，免除了繁重的手工操作。
一人能管理几台机床，提高了劳动生产率。
当然，对工人的文化和技术要求也提高了。
数控机床的操作者，既是体力劳动者，也是脑力劳动者。
5、能实现复杂零件的加工
普通机床难以实现或无法实现轨迹为二次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、气轮机叶片之类的空间曲面。
而数控机床由于采用了计算机插补技术和多坐标联动控制，可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，适用于各种复杂曲面的零件加工。
6、便于现代化的生产管理
用计算机管理生产是实现管理现代化的重要手段。
数控机床的切削条件、切削时间等都是由预先编好的程序决定，都能实现数据化。
这就便于准确地编制生产计划，为计算机管理生产创造了有利条件。
数控机床适宜与计算机联系，目前已成为计算机辅助设计、辅助制造和计算机管理一体化的基础。
1.3PLC技术简介
随着微处理器：
计算机和数字通信技术发展，计算机控制已经扩展到几乎所有领域。
当前用于工业控制的计算机可分为几类，例如，可编程序控制器，基于单片机的测控装置，用于模拟量闭环控制的可编程序调节器，集散控制系统。
PLC由于应用面广、功能强大、使用方便，所以成为当代工业自动化的主要设备之一，PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动化的控制系统中。
1.3.1PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成
1、CPU模块：
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成，在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，不断地采集输入信号执行用户程序，刷新系统的输出，存储器用来存储程序和数据。
2、I/0模块：
输入（input）模块和输出模块简称I/0模块，它是系统的眼、耳、手、脚是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁，输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收按钮选择开关、限位开关等。
3、编程器：
编程器用来生成用户程序，并用它进行编程修改和监视用户程序的执行情况，使用编程软件可以在主机上直接生成编辑梯形图或指令表程序，并可实现不同编程语言的相互转换，程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。
4、电源:
PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，内部的开关为各模块提供不同电压的交直流电源，小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源，驱动PLC负载的直流电源由用户提供。
1.3.2PLC应用领域
在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应有范围不断扩大，如：
1、运动控制：
金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯。
2、闭环控制：
塑料挤压成形机、加热炉以及轻工化工机械冶金电力。
3、数据处理：
可用于通信功能传送到智能装置或者将他们打印制表。
4、通信联网：
PLC与其它智能控制设备一起可以组成集中管理、分散控制的分布式控制系统。
2数控龙门移动式镗铣床控制系统设计
2.1系统简介
机床：
四坐标镗铣床，X、Y、Z直线坐标轴+A旋转坐标轴
控制柜结构：
强电控制柜+吊挂箱；
主轴：
变频器，液压换档，分高速、低速两档。
表2.1数控系统设计主要器件
序号
名称
规格
主要用途
1
数控装置
HNC-21MC
控制系统
2
软驱单元
HFD-2001
数据交换
3
手持单元
HWL-1001
手摇控制
4
控制变压器
AC380/220V300W
/110V250W
/24V100W
/24V100W
伺服控制电源、开关电源供电
热交换器及交流接触器电源
照明灯电源
HNC-21MC电源
5
伺服变压器
3相AC380/200V7.5KW
为HSV-11型电源模块供电
6
开关电源
AC220/DC24V50W
开关量及中间继电器
7
开关电源
AC220V/DC24V100W
升降轴抱闸及电磁阀
8
伺服电源模块
HSV-11P
为伺服驱动器供强电
9
伺服驱动器
HSV-11D075
X、Y、Z轴电机驱动装置
10
伺服驱动器
HSV-11D050
A轴点机驱动装置
11
主轴变频器
CIMR-G5A45P51A
5.5KW
主轴电机驱动装置
12
主轴电机
4KW
矢量控制变频电机
13
伺服电机
1FT6074（14NM）
X、Y轴进给电机
14
伺服电机
1FT6074+G45（14NM抱闸）
Z轴进给电机
15
伺服电机
130STZ6-1（6NM）
A轴进给电机
2.1.1总体框图
图2.1数控系统设计总体框图
2.1.2输入输出开关量的定义
以下为典型镗铣床数控系统对输入输出开关量的定义，有些开关量虽然给出了定义但并未使用。
XS8插座中的I30—I39、028—031信号与XS11和XS21插座中各同名信号均为并联关系，留给手持单元使用，直接由XS8引出。
对输入I和输出0重新标号为X和Y，是为了与PLC状态显示相一致，在PLC编程中也更方便。
X0.0、X0.1…X1.2与I00、I01…I10相对应。
即X0代表PLC输入第0个字节，X1代表PLC输入第1个字节；X1.3代表PLC输入第1个字节的第三位，即输入开关量的I11。
XS21（DB25/F）未用。
表2.2XS8（DB25/F头针座孔）手持单元接口
引脚号
信号名
标号
信号定义
13
5V地
手摇脉冲发生器+5V电源地
25
+5V
手摇脉冲发生器+5V电源
12
HB
手摇脉冲发生器B相
24
HA
手摇脉冲发生器A相
11
O28
Y3.4
未定义；
23
O29
Y3.5
未定义；
10
O30
Y3.6
手持单元工作指示灯，低电平有效；
22
O31
Y3.7
未定义；
9
I32
Y4.0
手持单元坐标选择输入X轴，常开点，闭合有效；
21
I33
Y4.1
手持单元坐标选择输入Y轴，常开点，闭合有效；
8
I34
Y4.2
手持单元坐标选择输入Z轴，常开点，闭合有效；
20
I35
Y4.3
手持单元坐标选择输入A轴，常开点，闭合有效；
7
I36
Y4.4
手持单元增量倍率输入X1，常开点，闭合有效；
19
I37
Y4.5
手持单元增量倍率输入X10，常开点，闭合有效；
6
I38
Y4.6
手持单元增量倍率输入X100，常开点，闭合有效；
18
I39
Y4.7
手持单元使能输入，常开点，闭合有效；
5
空
17
ESTOP3
ES3
手持单元急停按钮串接到急停回路的端子
4
ESTOP2
ES2
手持单元急停按钮串接到急停回路的端子
3.16
+24V
24V
为手持单元的输入输出开关量供电的DC24V电源
1.2.14.15
24V地
24G
为手持单元的输入输出开关量供电的DC24V电源地
表2.3XS10（DB25/F头针座孔）PLC输入接口（I0-I19）
引脚号
信号名
标号
信号定义
13
I0
X0.0
X轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；
25
I1
X0.1
X轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；
12
I2
X0.2
Y轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；
24
I3
X0.3
Y轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；
11
I4
X0.4
Z轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；
23
I5
X0.5
Z轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；
10
I6
X0.6
A轴正向超程限位开关，常开点，闭和有效；
22
I7
X0.7
A轴负向超程限位开关，常开点，闭和有效；
9
I8
X1.0
X轴回参考点开关，常开点，闭合有效；
21
I9
X1.1
Y轴回参考点开关，常开点，闭合有效；
8
I10
X1.2
Z轴回参考点开关，常开点，闭合有效；
20
I11
X1.3
A轴回参考点开关，常开点，闭合有效；
7
I12
X1.4
冷却系统报警，常闭点，断开有效；（未用）
19
I13
X1.5
润滑系统报警，常闭点，断开有效；
6
I14
X1.6
压力系统报警，常闭点，断开有效；
18
I15
X1.7
未定义；
5
I16
X2.0
主轴一档（低速）到位，常闭点，断开有效；
17
I17
X2.1
主轴二档（高速）到位，常开点，闭合有效；
4
I18
X2.2
未定义；
16
I19
X2.3
未定义；
3
空
1.2.14.15
24V地
外部直流24V电源地
表2.4XS11（DB25/F头针座孔）PLC输入接口（I20-I39）
引脚号
信号名
标号
信号定义
13
I20
X2.4
外部运行允许，常开点，闭合有效；
25
I21
X2.5
伺服电源准备好，常开点，闭合有效；
12
I22
X2.6
伺服驱动模块OK，常开点，闭合有效；
24
I23
X2.7
电柜空气开关OK，常开点，闭合有效；
11
I24
X3.0
主轴报警，常闭点，断开有效；
23
I25
X3.1
主轴速度到达，常开点，闭合有效；
10
I26
X3.2
主轴零速，常开点，闭合有效
22
I27
X3.3
主轴定向完成，常开点，闭合有效；（未用）
9
I28
X3.4
未定义；
21
I29
X3.5
未定义；
8
I30
X3.6
未定义；
20
I31
X3.7
未定义；
4-7、16-19
I32-I39
X4.0-X4.7
与XS8并联，用于手持单元的坐标选择输入、增
量倍率输入、使能按钮输入；
3
空
1.2.14.15
24V地
外部直流24V电源地
表2.5XS20（DB25/F头孔座针）PLC输出接口（O00~O15）
引脚号
信号名
标号
信号定义
13
OOO
Y0.0
运行允许，低电平有效；
25
O01
Y0.1
系统复位，低电平有效；
12
O02
Y0.2
伺服允许，低电平有效；
24
O03
Y0.3
SV-CWL（伺服减电流），低电平有效
11
O04
Y0.4
升降轴抱闸，低电平有效；
23
O05
Y0.5
冷却开，低电平有效；
10
O06
Y0.6
刀具松，低电平有效；
22
O07
Y0.7
未定义；
9
O08
Y1
升级会员 