数控机床控制系统设计开题报告综述.docx

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数控机床控制系统设计开题报告综述

长江师范学院

本科毕业设计（论文）开题报告

数控机床的控制系统设计课题名称：

2010级机械设计制造及其自动化专业年级：

郑达华名：

姓

号：

学201014261221

指导教师：

赵军

教务处制

一、课题意义（包括课题的理论意义和现实意义）

数控技术是现代制造工业化中的重中之重，在数控技术中，对数控机床的电气控制系统设计研究是至关重要。

PLC（可编程控制器）技术取得了快速发展，其在自动控制之中的运用也变得更为广泛。

本课题是针对我校数控车床进行PLC数控控制改造。

我校车床的控制精度和快速性都不高。

若对其数控机床电路控制系统的PLC设计，会给数控机床故障诊断及故障维修带来极大的方便，保证了零件加工的精确度，减少人为误差。

提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化。

并且我校车床是不具备自动换刀功能的，课题还将增加通过PLC控制机床自动换刀使其能自动换刀，减少对工件加工时的时间和减少对刀、加工时误差。

二、文献综述（包括：

1.理论的渊源及演进过程2.国内外对本课题的研究现状和有待解决的问题3.本人对所查文献的评述等）

2.1数控机床的组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体所组成.如图1-2所示。

图中实线部分为开环系统，虚线部分包含位皿反饮构成了闭环系统，各部分简述如下。

数控机床工作时，不需人直接参与操作，但人的愈图又必须参与.所以人和数控机床之间必须建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质或信息载体。

控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的移动信息。

数控装置是数控机床的中枢，用来接受并处理翰人介质的信息，并将代码加以识别、存储、运算.并输出相应的命令脉冲，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求动作。

数控装置通常由一台通用或专用微型计算机构成，有钧人接口、存储器、运算器、翰出接口和控制电路

输人接口接受控制介质或操作面板上的信息.并将其信息代码加以识别，经译码后送人相应的存储器，存储器中的代码或数据是控制和运算的原始依据。

控制器根据愉人的衍令控制运算器和输出接口.以实现对机床各种操作的执行.例如控制主轴变速和起动、控制刀架或工作台移动等，同时控制机床的整个工作循环。

运算器主要是对愉人的数据进行某种运算.按运算结果不断地由输出接口输出脉冲信号.驱动伺服机构按规定的要求运动。

专川计算机的刚性结构来1]]数控装置中的译码、处理、计算和控制的步橄可以．

实现《称为硬件数控或简称NC），也可用小型通用计算机或徽型计算机的系统控制程序来实现《称为软件数控），目碗均采用专用的微型计算机来实现控制（CNC）.用徽型机构成数控装置，其CPU实现控制和运算，内部存储器中只读存储器（RUM）存放系统控制程序.读写存储器（RAM）存放零件的加工程序和系统运行时的工作参数。

1/U接口实现抽人枪出的功能。

数控机床的功能强弱主要由数控装置的功能来决定.所以它是数控机床的核心部分。

2.2数控机床的工作原理

用数控机床加工零件时.首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序.由翰人部分送人数控装置，经过数控装盆的处理、运算.按各坐标轴的分最送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去骥动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装且严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。

数控机床具有很好的柔性。

当加工对象变换时.只需重新编制加工程序即可.原来的程序可存储备用.这比存储工装夹共方便得多.也不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计组合机床，致使生产准备时间过长。

2.3数控机床控制系统结构组成

通过输入信息到数控装置中,使其作用于主轴控制单元、速度控制单元以及伺服电机,机床电器逻辑控制装置,位置检测反馈装置会通过数控装置将信息输出,完成整个系统的联通工作。

数控机床控制系统结构图,数控装置的组成微型计算机为数控装置提供了稳定的基础和条件,使其能满足各项数字控制活动要求,而数控机床通常简称为,它拥有微型计算机机构和数控装置功能模块两大主要部分,为系统运行提供了输入+输出装置、存储器、接口以及总线、中央处理单元,但是针对单一或复杂命令的执行都要启动软件和硬件双重装置,在系统程序的指挥下完成,而控和管理软件会协调和指挥硬件。

．

PLC主轴控制单元主轴输数入机床

控伺服电机速度控制单元装工作输台置出位置检测反馈装置

2.4PLC

可编程逻辑控制器简称PLC。

普遍被运用在内部程序的存储工作中为系统提供了良好的编程条件，用户可以借助该存储器进行计数、算数操作、逻辑运算等活动,而通过输入定时、顺序控制等指令后即可生效,而生产过程中可以依靠模拟方式的输入+输出控制。

同时嵌入了先进的技术、通讯技术、计算机技术,发挥自动控制和微电子的作用,使其满足数控机床运行和新型工业生产的双重要求。

2.5PLC的特点

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。

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。

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渗透到了位通信能力的增强及人机界面技PLC等各种工业控制中。

加上CNC置控制、温度控制、．

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。

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。

2.6PLC发展与未来

PLC的未来发展除了产品本身的发展，更大程度上取决于用户和市场的发展，任何产品存在的根本在于用户和市场的需求。

ARC咨询集团最新研究表明，在未来5年内，各行各业对自动化产品领域的资本投资将继续保持强劲势头。

PLC中国市场预期以12．4％的年复合增长率（CAGR）增长，市场份额预计从2006年的接近7.5亿美元增长到2011年的13亿美元。

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。

同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。

但是中国有利的商业环境，为来自世界各地的制造业者准备了充足的投资机会和建立起工厂的条件。

伴随着日益上升的消费需求，外国直接投资流入中国升速，推进了中国的制造业，紧接着推动了可编程序逻辑控制器（PLC）在中国的市场。

ARC咨询集团最新研究表明，在未来5年内，各行各业对自动化产品领域的资本投资将继续保持强劲势头。

PLC中国市场预期以12．4％的年复合增长率（CAGR）受危机的影响，2008年中国OEM市场全面低迷，尤其是下半年成本上升、出口锐减和内需萎缩导致中小企业大量倒闭，部分行业大企业严重开工不足，直接影响了该市场对PLC的需求。

其中最大的OEM市场——纺织机械的PLC应用规模降低到6.3亿元，同比萎缩17%。

使得深耕于该行业的PLC厂商都遭受重创。

纵观2009年，PLC在大部分OEM行业的应用都将维持低迷的态势，只有少数如食品机械和包装机械等受经济周矿业、公共设施、汽车、一些行业如，但是，期影响不大的行业仍能保持一定的增长。

．

市政等直接受国家刺激政策的拉动，PLC需求不减，成为PLC稳步增长的中坚力量。

2.7创新点

创新点为：

1、增加PLC对其电气控制。

可编程控制器在控制的性能和硬件成本等诸多方面所展现出的种种优势均为其他种类的工业控制产品所无法进行比拟的。

所以，可编程控制器技术在工业自动化在数控机床中的运用正在变得愈来愈多。

2、系统增加PLC自动换刀功能。

提高机床加工精度、速度。

2.8评述

金属切削加工是改变零件形状的方法之一，从毛坯到成品，使零件加工成符合生产需要的形状和尺寸。

数控机床如果是以编程控制器（PLC）微处理器为核心的一种新型工业控制装置，具有体积小、功能强、编程简单、可靠性强等优点，将加工信号传递到机床的数控系统，通过伺服系统按程序自动进行加工，检测设置是由传感器和传动电机组成，根据闭锁系统反馈的信号来控制、修正运动部件的偏移量，保证了零件加工的精确度。

由于数控机床是根据控制器输出的信号自动按工艺完成所需的加工工作，减少了由操作人员接在普通机床加工时为保证零件按图标定的诸如直径的上下偏差、长度公差、形位公差、吃刀距、超出距所造成的重复开停机、调整、测试等一系列浪费时间的工作，并且保证产品质量。

三、课题的研究内容及方法

1、数控机床电气控制系统的PLC设计

设计主电路及控制电路图。

2、基于PLC控制的控制系统设计

1）．PLC选型和I/O端口分配。

2）．PLC的硬件设计、软件设计。

3）．编写程序。

4）．反复试验、调试、仿真。

5）．确定最佳PLC程序方案。

3、PLC控制机床自动换刀

4、研究方法

文献检索法、设计分析法、采用仿真法。

四、课题研究进度安排

2014.01.05-2014.03.07查阅资料，收集资料，整合资料

2014.01.05-2014.03.07开展课题调研，设计步骤方案，教师进行毕业指导

2014.03.07-2014.03.09初步形成系统模型，完成论文开题报告

2014.03.10-2014.03.23控制系统检测与控制方案设计

2014.03.23-2014.04.06硬件选型，电路图设计

2014.04.07-2014.04.20控制流程、控制程序设计，程序仿真及其调试

-2014.04.11学院组织中期检查

2014.04.20-2014.05.02撰写毕业设计论文

-2014.05.03学生提交毕业设计

-2014.05.16毕业答辩

参考文献：

五、．

[1]陈卓，张涛PLC技术在数控机床电气控制中的应用黑龙江科技信

2012（06）:

26.

[2]夏长亮无刷直流电机控制系统北京市科学出版社,2009.

[3]王晓明，王玲电动机DSP控制TI公司DSP应用北京航空航天大学出版社,2004.

[4]邓昌奇，熊德琴基于PLC64的数控机床控制系统的开发与应用2009（09）

[5]孙恒机械原理西北工业大学机械原理与机械零件教研室.2006（05）

[6]笋志强机电一体化设计课程设计指导北京机械工业出版社2007.05

[7]王永华现代电气控制及PLC应用技术北京航空航天大学出版社2005

[8]常晓玲电气控制系统与可编程控制器机械工业出版社2004.01

[9]耿学文可编程序控制器应用技术手册北京科学技术文献出版社1996

[10]殷洪义可编程序控制器选择设计与维护北京机械工业出版社2003

[11]宋德玉可编程控制器原理及应用系统设计技术北京冶金工业出版社200

[12]董海棠，周志文电气控制及PLC应用技术人民邮电出版社2013

[13]傅龙飞，王贵锋现代电气控制及PLC应用中国水利水电出版社2013.02

[14]王兆义可编程控制器教程机械工业出版社2005.01

[15]刘美俊可编程控制器应用技术福建科学技术出版社2006.01

[16]李世基可编程控制器程序设计中国人民大学出版社2013.01

[17]巩云鹏，田万禄等主编.机械设计课程设计.沈阳:

东北大学出版社2000

[18]孙志礼,冷兴聚,魏严刚等主编.机械设计.沈阳:

东北大学出版社2000

注：

本表装入学生资料袋。