基于立式加工中心的數(shù)控設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用 PLC，對于提高 PLC 控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。PLC 的選擇主要應(yīng)從 PLC 的機(jī)型、容量、 I/O 模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面 加以綜合考慮。 一、 輸入輸出（ I/O）點數(shù)的估算 I/O 點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10%~20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 二、 存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式 ，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10~15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 三、 控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 運算功能 簡單 PLC 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通 PLC 的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復(fù)雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC 中還有模擬量的 PID 運算和其他高級運算功能。大多數(shù)應(yīng)用場合，只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能， 有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 PID 運算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。 控制功能 控制功能包括 PID 控制運算、前饋補(bǔ)償控制運算、比值控制運算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定。 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單向路或多向路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。 PLC 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接 口、 RIO 通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用 DCS 接口等；大 中 型 PLC通信總線 (含接口設(shè)備和電纜 )應(yīng) 1： 1 冗余配置，通信總線應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實際要求。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點對點、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。 編程功能 離線編程方式： PLC 和編程器公用一個 CPU，編程器在編程模式時， CPU只為編程器提供服務(wù) ，不對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式， CPU 對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。在線編程方 式： CPU和編程器有各自的 CPU，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC 中常采用。 診斷功能 PLC 的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對 PLC 內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對 PLC 的 CPU 與外部輸入輸出等部重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。 處理速度 PLC 采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則 PLC 將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。處理速度與用戶程序的長度、 CPU 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。 四、 機(jī)型的選擇 PLC 的類型 PLC 按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類，按應(yīng)用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按 CPU字長分為 1 位、 4 位、 8 位、 16 位、 32位、 64位等。從應(yīng)用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。 整體型 PLC 的 I/O 點數(shù)固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統(tǒng) ；模塊型 PLC 提供多種 I/O 卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的 I/O 點數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價格較貴，過載能力較差。 電源的選擇 一 般 PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用 220VAC 電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果 PLC 本身帶有可使用電源時，應(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的。 存儲器的選擇 為保證應(yīng)用項目的正常投運，一般要求 PLC的存儲器容量，按 256個 I/O點至少選 8K 存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 五、 冗余功能的選擇 控制單元的冗余 重要的過程單元： CPU(包括存儲器 )及電源均應(yīng) 1 比 1 冗余；在需要時也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、 2 重化或 3 重化冗余容錯系統(tǒng)等。 I/O 接口單元的冗余 控制回路的多點 I/O卡應(yīng)冗余配置；重要監(jiān)測點的多點 I/O卡可冗余配置；對重要的 I/O 信號，可選用 2 重化或 3 重化的 I/O 接口單元。 六、 經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇 PLC 時，應(yīng)考慮性能價格比。考慮經(jīng)濟(jì)性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需 增加一定的費用。當(dāng)點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。 第三節(jié) 數(shù)控系統(tǒng)介紹 一、 三菱數(shù)控產(chǎn)品簡介 三菱公司是國際上有影響力的著名企業(yè)，其生產(chǎn)的產(chǎn)品以性能好、質(zhì)量穩(wěn)定可靠獲得廣大用戶的一致好評，近幾年來，三菱電機(jī)公司加大了在中國大陸推廣 CNC 數(shù)控系統(tǒng)的力度。 數(shù)控機(jī)床的核心是控制器，三菱公司推出了高質(zhì)量、高性價比的 CNC 系統(tǒng)，它提供了豐富 而先進(jìn)的功能。目前在中國市場推廣使用的有普及型的 E60系列，高性能的 M60S系列數(shù)控系統(tǒng)，以及用于汽車生產(chǎn)線的高檔 C64 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，今年又推出了 E6 M700 等系列 CNC 數(shù)控系統(tǒng)。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 二、 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)簡介 數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu) 數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： 圖 數(shù)控加工中心電氣組成結(jié)構(gòu)框圖 由圖 結(jié)構(gòu)框圖可知，加工中心電氣組成分別由 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)給伺服軸，主軸及其他軸電力電器、電機(jī)等組成。 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)規(guī)格 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)主要規(guī)格參數(shù)見下表 ： 表 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)主要規(guī)格 車削系統(tǒng) 鉆削系統(tǒng)、銑削系統(tǒng) 型號 M64SL M64SM 最大控制軸數(shù) 14 7 最大 NC 軸數(shù) 12 6 最大主軸數(shù) 4 最大 PLC 軸數(shù) 2 同時聯(lián)動軸數(shù) 4 輔助軸數(shù) 4 PLC 開發(fā)工具 GX Developer 程序存儲容量（標(biāo)準(zhǔn) /最大） 40/5120 顯示單元 單色 CRT （ 9 寸） 單色 LCD（ 寸 寸） 彩色 LCD（ 寸） MELSEC 網(wǎng)絡(luò) CCLINK 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 M64S 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)具有一般通用數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,分別由控制單元 /顯示單元、基本 I/O 單元、伺服驅(qū)動單元、伺服電機(jī)、遠(yuǎn)程 I/O 單元、 RS232 等設(shè)備組成，如圖所示： 圖 (a) 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 三菱 M64S 數(shù)控數(shù)控系統(tǒng)的功能強(qiáng)大 ， 故當(dāng)其用于加工中心時的各功能組件也很多，有些組 件在本次設(shè)計中并未遇到，所以在此次設(shè)計中可將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稍作簡化，如圖 （ b）所示，每一個單元的安裝與連接在下面章節(jié)均有介紹。 圖 （ b） 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)的特點 （ 1）所有 M64S 系列控制器都標(biāo)準(zhǔn)配備了 RISC 64 位 CPU，具備目前世界上最高水準(zhǔn)的硬件性能。 （ 2）高速高精度即能對應(yīng)，尤為適合模具加工。 （ 3） SSS（ Super Smooth Surface）超高平滑表面控制，大幅改善模具加工精度及時間要求。 （ 4）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)藏對應(yīng)全世界主要通用的 12 種多國語 言操作界面。 （ 5）可對應(yīng)內(nèi)含以太網(wǎng)絡(luò)和 IC 卡界面，即使在程序運轉(zhuǎn)中，所有內(nèi)藏資料都可以傳輸對立。 （ 6）坐標(biāo)顯示轉(zhuǎn)換可自由切換（程序值顯示或手動插入量顯示切換） （ 7）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)藏波形顯示功能，工件位置坐標(biāo)及中心點測量功能。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 8）緩沖區(qū)修正機(jī)能擴(kuò)展，可對應(yīng) HPS/計算機(jī)鏈接 B/DNC/記憶 /MDI 等模式。 （ 9）圖形顯示機(jī)能改進(jìn)；可含有刀具路徑資料，以充分顯示工件坐標(biāo)及刀具補(bǔ)償?shù)膶嶋H位置。 （ 10）簡易式對話程序軟件。 （ 11）可對應(yīng) Windows 操作環(huán)境的 PLC 開發(fā)軟件 GX Developer。 （ 12） 特殊 G 代碼和固定循環(huán)程序，如 G12/13， G34/35/36， 等。 （ 13）新機(jī)能擴(kuò)展追加，根據(jù)市場，滿足客戶請求，詳細(xì)給營業(yè)單位。 第四節(jié) 本章小結(jié) 本章主要介紹 CNC 數(shù)控系統(tǒng)的基本概念、組成和特點， 經(jīng)過對 PLC 選型方法的介紹，我選擇了三菱 M64S 作為此次立式加工中心設(shè)計的中心部分， 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)是目前比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)， 同時我也列出了 三菱 M64S 的一些特點。 對 CNC系統(tǒng)有了一定的了解后，我們就可以設(shè)計其電氣原理圖和主電路圖。 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第二 章 立式加工中心電氣原理圖設(shè)計 第一節(jié) 數(shù)控加工中心設(shè)計概述 數(shù)控加工中心擁有較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它需要多個電機(jī)來完成其相應(yīng)的功能，比如：刀臂電機(jī)、刀庫電機(jī)、切削液電機(jī)、主軸冷卻液電機(jī)、排屑電機(jī)以及主軸和進(jìn)給軸的伺服電機(jī)等。這些電機(jī)的功率大小和速度都是根據(jù)數(shù)控加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)來選擇的。在本次畢業(yè)設(shè)計中是基于數(shù)控加工中心510 來進(jìn)行的，所以進(jìn)給軸驅(qū)動使用 MDSBSPJ237，進(jìn)給軸電機(jī) X、 Y 軸使用型號為 HC152TA47 的伺服電機(jī)， Z 軸使用型號為 HC152BTA47 與其他兩進(jìn)給軸之間的區(qū)別 在于有包閘功能 ,主軸 驅(qū)動單元型號為 MDSBSPJ237，主軸電機(jī)型號 。 數(shù)控加工中心的核心部分是控制單元，本畢業(yè)設(shè)計中選用三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)，它包括控制單元 FCA65S、監(jiān)控單元 FCU6DUN33+KB20/KB基本 I/O 單元 FCU6DX45手輪 HD60。通過他們之間的共同作用可以控制加工中心各個運動部件和加工部件。 加工中心的電氣控制設(shè)計如圖 所示，共有以下幾個部分組成，包括CNC 電路，電器主電路， PLC 和 I\O 接口電路等，三菱 M64S 控制單元，它是整個 數(shù)控系統(tǒng)的核心，是對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和運算，并輸出相關(guān)命令等。顯示單元主要是顯示有關(guān)信息，以便人機(jī)交互。基本 I\O 單元主要是 NC 系統(tǒng)與操作面板機(jī)床纖維開關(guān)，指示燈等之間信號的傳輸。其內(nèi)部軟件設(shè)計主要是PLC 程序和各個 NC 參數(shù)的設(shè)定。 加工中心電氣總框圖如下： 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 加 工中心電氣圖 重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 第二節(jié) 數(shù)控加工中心主回路 /電氣控制回路 一、 主回路 /電氣控制回路簡述 作為通用數(shù)控加工中心，在主回路部分我設(shè)計了冷卻電機(jī)和排屑電機(jī)，分別由相應(yīng)的接觸器控制其運轉(zhuǎn)，同時電機(jī)要接地。 電氣控制