数控铣床控制系统设计总说明书.docx

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数控铣床控制系统设计总说明书

毕业设计说明书

数控铣床控制系统设计

学生姓名：

学号：

机械设计制造及其自动化

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指导教师：

年月

数控铣床控制系统设计

摘要

数控技术在机械制造业中得到广泛的应用，它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著。

该设计首先对数控技术的国内外发展状况和数控技术的发展趋势进行描述。

接着对数控铣床的控制系统进行了深入探讨，主要了解了数控铣床的整体布局、组成，及个部分的工作原理，确定数控铣床控制系统设计中的控制对象和被控对象。

得出总体方案。

然后选择数控系统的的核心数控装置，经过比较选择华中数控系统为其控制系统，接下来分块设计其每一部分。

主轴在一定范围内要实现无级变速和正反转功能，所以我们根据主轴电动机型号选择主轴变频器。

数控铣床工作台要能在X、Y、Z三轴方向前后、左右、上下移动，所以要用伺服驱动器来控制伺服电机的运动，从而带动工作台的运动。

接下来设计控制系统的主电路，主电路中要涉及空气开关、接触器、灭弧器、照明电路、伺服变压器、控制变压器的选择。

最后设计数控铣床的一些辅助装置，包括数控铣床的手持单元、照明电路、风扇电路、光栅尺的连接。

关键字：

数控铣床，控制系统，数控技术，数控系统

CNCmillingmachinecontrolsystemdesign

Abstract

CNCtechnologyinthemachinerymanufacturingindustryhasbeenwidelyapplied,iteffectivelysolvethecomplex,sophisticated,smallgroupsofdiversepartsprocessingproblems,toadapttotherapidreplacementofvariousmechanicalproductsneedtoenableenterprisestheabilitytorespondquicklytomarketdemandGreatlystrengtheneditseconomicbenefits.

First,thedesigndevelopmentofnumericalcontroltechnologyathomeandabroadandthedevelopmenttrendofCNCtechnologyisdescribed.Then,thecontrolsystemforCNCmillingmachine-depthdiscussionscarriedout,mainlytounderstandtheoveralllayoutoftheCNCmillingmachine,composition,andapartoftheworkingprincipleofCNCmillingmachinecontrolsystemtodeterminethedesignofthecontrolobjectandcontrolobject.Cometotheoverallprogram.

ThenselectthecoreNCNCsystemdevices,bycomparisontoitsselectionofHuazhongCNCcontrolsystem,thenextblockdesigneachofitsparts.Spindleinacertainrange,andreversingfunctiontoachievecontinuouslyvariable,sowechoosemodelsbasedonthespindledrivespindlemotor.CNCmillingmachinetabletobeabletointheX,Y,Zaxisdirectionbeforeandafter,left,upanddown,sousetheservodrivetocontrolthemovementoftheservomotortodrivethemovementoftable.Thenthemaincircuitdesignofcontrolsystems,themaincircuittoberelatedtoairswitches,contactors,arcing,lightingcircuit,servotransformer,controltransformerselection.FinaldesignoftheCNCmillingsomeoftheauxiliarydevices,includinghand-heldmillingmachineunit,lightingcircuits,fans,circuits,gratingconnection.

Keywords:

CNCmillingmachines,controlsystems,CNCtechnology,CNC

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1绪论

1.1本课题研究的目的和意义

数控系统在机床控制上应用越来越广泛。

本课题的主要目的在于学习并掌握数控系统的原理及使用方法。

本题目要求在数控铣床机械系统结构与工作原理的基础上，使用数控系统完成其控制功能，使设计的数控铣床能完成基本的加工。

主要内容包括：

数控系统的选择、伺服驱动的连接、主轴电机的控制和辅助装的设计等。

1.2机床数控技术的概况

机床数控技术是20世纪70年代发展起来的一种机床自动控制技术。

30多年来，随着电子器件、计算机、传感与检测、机械制造技术的不断进步，以电子信息技术为基础，传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术，传感测控技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到迅猛发展和广泛应用。

使得普通机械逐渐被高效率、高精度的数控设备所替代，从而形成了巨大的生产力，导致了制造业发生了根本性变化。

数控技术已成为现代制造技术的基础，其水平高低和数控机床拥有量多少是衡量一个国家工业现代化的重要标志。

数控技术在机械制造业中得到广泛的应用，是因为它有效地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题，能适应各种机械产品迅速更新换代的需要，使企业快速响应市场需求的能力大大加强，其经济效益显著[1]。

1.3国内数控系统的发展现状

我国数控技术起步于20世纪50年代末期，经历了初期的封闭式开发阶段，“六五”、“七五”期间的消化吸收、引进技术阶段，“八五”期间建立国产化体系阶段，“九五”期间产业化段，现已基本掌握了现代数控技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控专业人才，初步形成了自己的数控产业。

目前，较具规模的企业有广州数控设备有限公司、北京凯恩帝数控技术有限责任公司等。

广州数控设备有限公司研制了基于Linux和PC104总线的车床数控系统GSK980Ti，具有逻辑运算、数学运算的用户宏功能、完成小线段NC代码的高精度刀具路径规划的改进刀补机能、小线段高速加工控制技术等；研制了以16位CPU进行软件插补、加减速运算，以大规模可编程器件（FPGA、CPLD）进行硬件插补、速度平滑处理相结合的控制器结构，开发了嵌入式中档车床数控系统GSK928TE和GSK980TA。

北京凯恩帝数控技术有限责任公司的新一代数控系统K1000系列采用32位处理器ARM7和现场可编程门阵列FPGA实现高速、高精度控制；采用日本高分辨率液晶显示器，全中文操作界面；兼容K100系列功能，且与日本FANUC系统兼容。

目前国内数控厂家生产的中档数控系统大多采用16/32位处理器与CPLD/FPGA相结合的硬件结构，在功能上仿制日本法那科公司早期的产品FANUC0i系列。

虽然最近几年来我国数控产业发展迅速，但大多仅停留在产品的规格化、机械部件可靠性的提高、外观造型与外观质量的改观等方面，对于数控系统的核心部分，发展的步伐相对较小。

国产机床的产量数控化率只有约13%，与日本、德国和美国等发达国家60%-70%的水平差距很大，同时国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距仍很明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口，由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍缺乏市场竞争力，支撑控制高档数控机床的高档数控系统仍以国外数控系统占绝对统治地位。

近年来，由于国内数控机床市场持续需求旺盛，国外数控系统生产厂家的系列产品高中低三档齐备，在占据高档的同时，从未放弃中低档数控系统的市场占有份额，相继推出适宜的中低档数控系统，以争取占领更大的市场，使得这一领域竞争更加激烈。

如西门子数控系统从经济型的802S到高端全功能的840D可以满足用户在数控应用中的各种需要[1]。

1.4数控技术的发展趋势

1.4.1性能发展方向

（1）高速高精高效化、速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。

由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

（2）柔性化　包含两方面：

数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

（3）工艺复合性和多轴化　以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。

数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。

数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。

（4）实时智能化　早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。

而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。

科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。

在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：

自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。

例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的[2]。

1.4.2功能发展方向

（1）用户界面图形化　用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。

由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。

当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。

图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。

（2）科学计算可视化　科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。

可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。

在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等[3]。

（3）插补和补偿方式多样化　多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、2D+2螺旋插补、NANO插补、NURBS插补（非均匀有理B样条插补）、样条插补（A、B、C样条）、多项式插补等。

多种补偿功能如间隙补偿、垂直度补偿、象限误差补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。

（4）内装高性能PLC　数控系统内装高性能PLC控制模块，可直接用梯形图或高级语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。

编程工具中包含用于车床铣床的标准PLC用户程序实例，用户可在标准PLC用户程序基础上进行编辑修改，从而方便地建立自己的应用程序。

（5）多媒体技术应用　多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。

在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

1.4.3体系结构的发展

（1）集成化　采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。

应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。

平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。

应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。

通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。

（2）模块化　硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。

根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。

（3）网络化　机床联网可进行远程控制和无人化操作。

通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。

（4）通用型开放式闭环控制模式　采用通用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式体系结构，便于裁剪、扩展和升级，可组成不同档次、不同类型、不同集成程度的数控系统。

闭环控制模式是针对传统的数控系统仅有的专用型单机封闭式开环控制模式提出的。

由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。

加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。

2控制系统方案设计

2.1数控铣床的组成

数控铣床的基本组成见图2.1.1，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。

床身用于支撑和连接机床各部件。

主轴箱用于安装主轴。

主轴下端的锥孔用于安装铣刀。

当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。

主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z向移动，使刀具上升或下降。

工作台用于安装工件或夹具。

工作台可沿滑鞍上的导轨在X向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y向移动，从而实现工件在X和Y向的移动。

无论是X、Y向，还是Z向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现的。

伺服装置用于驱动伺服电机，使X、Y、Z三轴能沿滑鞍上的导轨移动。

控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。

控制电源用于向伺服装置和控制器供电[4]。

图2.1.1数控铣床的组成

2.2数控铣床工作原理

根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。

通过手工编程或利用CAM软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。

控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。

伺服装置向伺服电机发出控制信号。

主轴电机使刀具旋转，X、Y和轴伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。

能够完成基本的铣削、镗削、钻削、攻螺纹及自动工作循环等工作，可加工各种形状复杂的凸轮、样板及模具零件等。

数控铣床的床身固定在底座上，用于安装和支承机床各部件，控制台上有彩色液晶显示器、机床操作按钮和各种开关及指示灯。

纵向工作台、横向溜板安装在升降台上，通过纵向进给伺服电机、横向进给伺服电机和垂直升降进给伺服电机的驱动，完成X、Y、Z坐标的进给。

电器柜安装在床身立柱的后面，其中装有电器控制部分。

2.3设计方案：

2.3.1控制系统的选择

目前的控制系统有基于PLC的控制系统，基于单片机的控制系统和数控系统等控制系统。

基于PLC的控制系统的优点：

（1）实时性强，由于控制器产品设计和开发是基于控制为前提，信号处理时间短，速度快。

基于信号处理和程序运行的速度，PLC经常用于处理工业控制装置的安全连锁保护。

更能满足各大领域大、中、小型工业控制项目。

（2）高可靠性，所有的I/O输入输出信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间电气上隔离。

各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms。

各模块均采用屏蔽措施，以防止噪声干扰。

采用性能优良的开关电源。

对采用的元器件进行严格的筛选。

良好的自诊断功能，一旦电源或其它软、硬件发生异常情况，CPU立即采取有效措施，以防止故障扩大。

（3）系统配置简单灵活，控制器产品种类繁多，规模可分为大、中、小等。

满足控制控制功能需要的前提下，I/O卡件可灵活组合。

（4）有丰富的I/O卡件。

（5）质优价廉，性价比高。

（6）安装简单，维修方便[5]。

基于单片机控制系统的优缺点：

运用单片机控制方案，单片机虽然有一个五脏俱全的微计算机，但由于本身无自开发能力，必须借助开发工具来开发应用软件，以及对硬件系统进行诊断。

另外，单片机内的ROM比较小，所以在设计中系统必须在外面配置EPROM电路和扩展电路，所以在铣床控制系统中运用该方案必须完成

（1）硬件电路的设计、组装、调试；

（2）应用软件的编制、调试；（3）应用软件的链接调试、固化、脱机运行。

依据单片机目前的发展状况，该方案的优点是：

（1）成本较低。

由于现在单片机的价格相对都比较低，而且外围电路的元器件价格也不高，所以整体设计起来，成本比较低。

（2）可以对外部存储容量根据需要进行扩展，设计可以相对比较灵活。

（3）由于现存有许多已经设计很完善的子程序，在系统软件设计中可以直接调用，减少较大工作量。

其缺点为：

（1）系统硬件设计相对比较复杂，运用该方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，所以该系统电路设计工作量相对较大，影响系统开发的时间。

（2）系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽。

但由于工厂的条件比较差，很难保证系统的可靠性和稳定性。

（3）系统需要自己设计电源，而且不能保证系统的可靠运行。

（4）维护维修相对比较麻烦，维修需要的时间也相对较长。

数控系统是数字控制系统的简称，计算机数控系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。

CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。

CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置、可编程逻辑控制器、主驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。

CNC系统的核心是CNC装置。

由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通讯的功能[6,7]。

在此次数控铣床控制系统的设计中，我们选择数控系统为其控制系统。

2.3.2主轴变频单元

数控铣床是一种灵活、高效能的自动化机床，它较好地解决了复杂、精密、小批多变的零件加工问题。

为了实现主轴在一定范围内的无级变速，要选择一个主轴变频器来控制主轴电机的正反转及无机变速。

2.3.3伺服驱动单元

数控铣床除了主轴的旋转之外，还有工作台沿X轴正负方向的移动，Y轴正负方向的移动，Z轴方向上下移动。

为了实现这些运动，我们的选择伺服电机来控制其运动，为了能实现伺服电机能按着正确的方向移动且精确移动。

我们得选择伺服驱动器来控制伺服电机的运动。

所以在伺服驱动单元中我们应选择伺服电机和伺服驱动器。

2.3.4输入与输出装置

为了方便连接和提高可靠性，我们得选择输入输出装置，输入接线端子板提供NPN和PNP两种类型开关量信号输入，输出继电器板集成八个单刀投继电器和两个双刀投继电器。

输入、输出端子板一般是和数控装置配套的。

2.3.5辅助装置

一个完整的数控铣床控制系统除了上面那些单元外，还必须包括一些辅助装置，如冷却装置、照明电路、控制变压器、急停回路、电柜风扇等辅助装置。

2.4总体框图

数控装置与各部分之间的连接如图2.4.1

图2.4.1总体框图

3硬件设计

3.1数控装置的选择

在选择数控机床时，随着市场需求多样化，机床制造商往往提供同一种机床可以配置多种数控系统的选择、数控系统中多种选择功能的选择。

一般机床制造厂商提供的机床配置的数控系统分为主流的系统及可适应的系统，主流系统对它来说相对技术成熟性要好一些，但对使用用户来说又另有要求，在可供选择的系统中性能高低差别很大，直接影响到设备价格的构成，因此不能片面的追求高水平、新系统。

而应该以满足主机性能为主，对系统性能和价格等因素做一个综合的分析，选用合适的系统。

目前数控系统种类、规格极其繁多，世界上比较著名的有：

日本FANUC、德国SINUMERIK、法国NUM、意大利FIDIA、西班牙FAGOR、美国A-B，各大机床制造商都有自己的一些系统，比如：

MAZAK、OKUMA等，国内的航天集团，机电集团、华中理工大学、辽宁蓝天系列、南京大方集团、北方凯奇等，每家公司都有自己一系列各种规格产品[8]。

用户选择系统的基本原则是：

性能价格比好、以后使用维修方便、系统的市场寿命等。

数控系统中除基本功能以外还有很多选择功能，对配在机床上的系统，由于机床使用基本要求所需数控系统选择功能已由制造商选配以外，用户可以根据自己的生产管理、测量要求、刀具管理、程序编制要求等，额外再选择一些功能列入订货单中。

经过比较我们选择“世纪星”系列数控系统HNC-21。

“世纪星”系列数控系统HNC-21采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置8.4//或10.4//彩色液品显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，采用电子盘程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能。

具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点：

最大联动轴数为4轴。

可选配各种类型脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV-11电源模块系列。

配置标准机床工程面板，不占用PLC。

操作面板的颜色