数控切割机控制系统的设计.docx
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数控切割机控制系统的设计
编号:
毕业论文（设计）
题目数控切割机控制机构的设计
指导教师姚俊红
学生姓名刘武
学号2
专业机械设计制造与其自动化
教学单位德州学院机电工程系（盖章）
二0一二年五月六日
德州学院毕业论文（设计）开题报告书
2012年1月11日
院（系）
机电工程系
专业
机械设计制造与其自动化
姓名
刘武
学号
2
论文（设计）题目
数控切割机控制机构的设计
一、选题目的和意义
在机械加工过程中，板材切割常用方式有手工切割、半自动切割机切割与数控切割机切割。
手工切割灵活方便，但手工切割质量差、尺寸误差大、材料浪费大、后续加工工作量大，同时劳动条件恶劣，生产效率低。
半自动切割机中仿形切割机，切割工件的质量较好，由于其使用切割模具，不适合于单件、小批量和大工件切割。
其它类型半自动切割机虽然降低了工人劳动强度，但其功能简单，只适合一些较规则形状的零件切割。
数控切割相对手动和半自动切割方式来说，可有效地提高板材切割地效率、切割质量，减轻操作者地劳动强度。
数控切割机具有加工精度高，加工稳定可靠，高生产率，劳动条件好，有利于管理现代化等优点。
其控制系统具有可靠性强，精度高，功能强大，经济实用，操作方便等特点。
控制机构的发展与开发能更好的提高生产效率，使生产更具安全性。
二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势
经过几十年的发展，数控切割机在切割能源和数控控制系统两方面取得了长足的发展，机床在机械加工领域中有着举足轻重的作用。
从50年代开始,人们对机床的控制方式开展研究,从早期的基于NC的控制方案发展到今天基于计算机的数控方案。
对机床的控制自动化和智能化程度都有了巨大的发展。
目前,国际上机床市场基本都是数控机床,并出现了各种分类齐全、专业化程度非常高的数控机床、数控车床、数控铣床等等。
并且在数控机床的应用上,网络化的数控机床也成了未来的发展趋势,总之,数控机床伴随着计算机技术和嵌入式技术的发展,变得越来越自动化和专业化。
数控切割机控制系统已由当初的简单功能、复杂编程和输入方式、自动化程度不高发展到具有功能完善、智能化、图形化、网络化的控制方式；驱动系统也从的步进驱动、模拟伺服驱动到今天的全数字式伺服驱动。
三、课题设计方案[主要说明：
研究（设计）的基本内容、观点与拟采取的研究途径和方法。
]
1.根据所学的PLC、数控有关专业知识以与查询的有关文献，根据数控切割的工作原理，使用时应达到的安全，效率，可靠性等进行初步设计。
2.通过考察分析了解切割机控制系统的工作原理，根据切割工艺的要求，满足生产的控
制要求，控制系统经济实用、控制精度高的要求进一步完善和修改设计。
3.根据所设计的控制系统，利用PLC进行系统相关接线图和控制梯形图的绘制。
4.综合考虑数控切割机的应用，检查PLC编程，进一步完善优化控制系统。
四、计划进度安排[主要说明：
起止时间与分阶段的进度要求。
]
起止时间：
2011.12.15-2.10进行课题的搜集资料，初步确定课题。
2012.3.1-3.31整理材料，理清思路，确定论文的研究方向，开始撰写论文初稿。
2012.4.1-4.20初步完成初稿，交由指导老师修改、审核，并在初稿的基础上完善。
2012.4.10-5.9修改论文，确定最终的论文，准备毕业答辩。
2012.5.9-5.19参加论文答辩。
五、主要参考文献
[1]杜国臣，王士军.机床数控技术[M].北京大学出版社
[2]郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理与应用[M].中国电力出版社
[3]程卫权.基于PLC的数控切割系统[J].计算机工程应用技术，2011.117（30）
[4]宋伯生.可编程控制器配置编程联网[M].北京:
中国劳动出版社,1998
[5]刘敏.可编程控制器技术[M]..北京：
机械工业出版社,2004
指导教师意见与建议：
签名：
年月日
教学单位领导小组审批意见：
组长签名：
年月日
德州学院毕业论文（设计）中期检查表
院（系）：
{机电工程系}专业：
机械制造与其自动化2012年04月12日
毕业论文（设计）题目：
数控切割机控制机构的设计
学生姓名
刘武
学号
2
指导教师
姚俊红
职称
副教授
计划完成时间:
2012年5月6号
毕业论文（设计）的进度计划：
2011.12.15-2.10进行课题的搜集资料，初步确定课题。
2012.3.1-3.31整理材料，理清思路，确定论文的研究方向，开始撰写论文初稿。
2012.4.1-4.20初步完成初稿，交由指导老师修改、审核，并在初稿的基础上完善。
2012.4.10-5.9修改论文，确定最终的论文，准备毕业答辩。
2012.5.9-5.19参加论文答辩。
完成情况
指导教师评议（指出优点和不足，如有其它建议，可另附页）
签名：
xxxx年x月x日
备注：
数控切割机控制系统的设计
刘武
（德州学院机电系，山东德州253023）
摘要：
数控切割机床应用于装备制造业、工程机械制造业、船舶制造业等多种机械制造行业，在机械制造规模生产中，应用可编程控制器来进行综合控制，在实际中较好得解决数控切割机在控制操作上存在的问题。
数控设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费，实践证明，改造后的机床满足了技术发展的需要提高了生产率和产品精度增大了设备适应能力。
该文就是基于PLC控制在数控切割机床上的电气实现进行了探讨。
机床面板功能设计是一项非常重要的环节。
它的作用：
主要是将机床操作面板上的控制信号直接送人到PLC中去，以控制数控系统的运行。
关键词：
PLC；数控系统；数控切割机；梯形图；伺服系统；面板；电气控制系统
1.概述
1.1数控切割机的发展现状
中国作为全球最大数控切割机床生产国、进口国和消费国，早期的数控切割机床均属国营，生产效率不佳，出口比例较低；但在国内数控切割机床企业大力改革、裁汰冗员，大量崛起“人员精简、产值高”的民营企业等事件后，情况得到好转；同时，随着逐步学习日本、美国的技术设计理念，把主要市场投向汽车、模具、电子等高端产业，采用技术合作或引进外资的方式吸引日本、台湾企业，使数控切割机床产业得到大幅度的发展。
当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。
长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。
任何事物都有其特点与发展条件，人们掌握后才能加速其发展。
在机床改造中，机床的电气控制系统需要重新设计，而其中数控机床操作面板的功能设计是非常重要的一个环节，可根据不同的使用要求来设计不同功能的操作面板。
面板改造：
依据系统选型主轴功率、进给倍率、转速、安装等指标进行，与硬件连接、梯形图编写、参数选择进行设计。
面板改造后具有：
使用性强，系统的简化，便于操作，提高加工精度，柔性高，生产效率高。
1.2数控切割机床电气系统的介绍
数控切割机床电气系统包括交流主电路、机床辅助功能控制电路和电子控制电路，一般将前者称为强电，后两者称为弱电。
强电是24V以上供电，以电气元件、电力电子功率器件为主组成的电路;弱电是24V以下供电，以半导体器件、集成电路为主组成的控制系统电路。
数控切割机床的主要故障是电气系统的故障，电气系统故障又以机床本体上的低压电器故障为主。
数控切割机床对电气系统的基本要求：
1.高可靠性
数控切割机床是长时间连续运转的设备，本身要具有高可靠性。
因此，在电气系统的设计和部件的选用上普遍应用了可靠性技术、容错技术与冗余技术。
所有部件选用的是最成熟的，而且符合有关国际标准并取得授权认证的新型产品。
2.紧跟新技术的发展
在保证可靠性的基础上，电气系统还要具有先进性，如新型组合功能电气元件的使用、新型电子电器与电力电子功率器件的使用等。
3.稳定性
要在电气系统中采取一系列技术措施，使其造应较广泛的环境条件，如要能适应交流供电系统电压的波动，对电网系统内的噪声干扰有一定的抑制作用，同时还应符合电磁兼容的国家标准要求，系统内部既不相互干扰，还能抵抗外部干扰，也不向外部辐射破坏性干扰等。
4.安全性
电气系统的连锁要有效;电气装置的绝缘要保证完好，防护要齐全，接地要牢靠，以使操作人员的安全有保证;电气部件的防护外壳要具有防尘、防水、防油污的功能;电柜的封闭性要好，能防止外部的液体溅人电柜内部，防止切屑、导电尘埃的进入;电柜内的所有元件在正常供电电压下工作时不应出现被击穿的现象，并且应有预防雷电袭击的功能;经常移动的电缆要有护套或拖链防护，防止缆线磨断或短路而造成系统故障;要有抑制内部部件异常温升的措施，特别是在夏季，要有强迫风冷或制冷器冷却;要有防触电、防碰伤设施。
5.方便的可维护性
易损部件要便于更换或替换。
保护元器件的保护动作要灵敏，但也不能有误动作。
一旦故障排除后，功能要能恢复。
6.良好的控制特性
所有被控制的电动机起动要平稳、响应快速、特性硬、无冲击、元震动、无振荡、无异常数控机床电气检修噪声、无异常温升。
7.运行状态明显的信息显示
电气系统要用指示灯做操作显示，电气元件要有状态指示、故障指示，有明显的安全操作标识。
8.操作的宜人性
电气系统要体现人性化设计，如操作部位应与人体平均高度、距离相适应，体现操作方便、舒适、便于观察的特点，尤其是要能随时摸得到急停按钮，保证紧急情况下的快速操作动作;机床电器颜色不仅要符合标准，还要美观、明显。
1.3本次设计的主要内容
对数控机床电气控制系统的控制方式、系统功能、主要实现部件，进行了选择和分析，然后给出一个完整的基于PLC的数控机床电气控制系统工作原理方案。
2.PLC的由来与应用.
2.1PLC的由来
在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。
继电器控制系统有着十分明显的缺点：
体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差，尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。
为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的要求，以在激烈的竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求，即：
1）编程简单方便，可在现场修改程序；
2）硬件维护方便，最好是插件式结构；
3）可靠性要高于继电器控制装置；
4）体积小于继电器控制装置；
5）可将数据直接送入管理计算机；
6）成本上可与继电器柜竞争；
7）输入可以是交流115V；
8）输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀；
9）扩展时，原有系统只需做很小的改动；
用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。
根据招标要求，1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台PLC（PDP—14型），并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期。
从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来，而且，在工业发达国家发展很快。
所以选择型号为YT，额定功率1KW，转速500r/min,额定电压12~220V的YT直流电动机[1]。
2.2PLC的应用领域
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保与文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1、开关量的逻辑控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控与自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2、模拟量控制
在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。
为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换与D/A转换。
PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3、运动控制
PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。
从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。
如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4、过程控制
过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5、数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析与处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6、通信与联网
PLC通信含PLC间的通信与PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
2.3PLC的知识介绍
2.3.1PLC的工作原理
（一）基本工作模式：
PLC有运行模式和停止模式。
1、运行模式：
分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段。
2、停止模式：
当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
图3-1PLC基本工作模式
（二）PLC工作过程：
（1）处理阶段：
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以与完成一些其它内部工作。
（2）通信操作阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。
（3）输入处理阶段
输入处理也叫输入采样。
在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映象寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。
（4）程序执行阶段
按先上后下，先左后右的步序，对梯形图程序进行逐句扫描并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关映像寄存器中。
但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。
（5）输出刷新阶段
程序处理完毕后，将所有输出映象寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。
在运行模式下，PLC按上述五个阶段进行周而复始的循环工作，称为循环扫描工作方式。
（三）PLC工作方式与特点：
集中采样、集中输出、周期性循环扫描，“串行”工作方式
1．扫描周期：
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。
每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。
PLC运行正常时，扫描周期的长短与CPU的运算速度有关，与I/O点的情况有关，与用户应用程序的长短与编程情况等均有关。
通常用PLC执行1K指令所需时间来说明其扫描速度（一般1~10ms/K）。
2．输出滞后：
指从PLC的外部输入信号发生变化至它所控制的外部输出信号发生变化的时间间隔。
一般为几十—100ms.引起输出滞后的因素：
输入模块的滤波时间、输出模块的滞后时间、扫描方式引起的滞后。
3.由于PLC是集中采样，在程序处理阶段即使输入发生了变化，输入映象寄存器中的内容也不会变化，要到下一周期的输入采样阶段才会改变。
4.由于PLC是串行工作，所以PLC的运行结果与梯形图程序的顺序有关。
这与继电器控制系统“并行”工作有质的区别。
避免了触点的临界竞争，减少繁琐的联锁电路。
2.2.2PLC的结构
可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。
1.PLC的硬件结构
（1）微处理器（CPU）——控制器的核心
（2）存储器（RAM、ROM）
（3）输入、输出部件（I/O部件）——连接现场设备与CPU之间的接口电路
（4）电源部件——为PLC内部电路提供能源
整体结构的PLC——四部分装在同一机壳内
模块式结构的PLC——各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成
I/O的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）
另外，还必须有编程器——将用户程序写进规定的存储器内.
2.PLC的软件结构
第一部分为系统监控程序。
它是每一个可编程控制器成品必须包括的部分，是由可编程控制器的制造者编制的，用于控制可编程控制器本身的运行。
第二部分为用户程序。
它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控制装置的运行。
3PLC控制系统的设计
3.1PLC控制系统设计内容与步骤
一、PLC控制系统设计的基本原则与主要内容
（一）设计的基本原则
（1）除了满足技术指标的要求外，还要重点考虑该产品的技术支持与售后服务的情况。
（2）最大限度的满足被控对象的控制要求。
（3）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用与维护方便。
（4）保证控制系统的安全、可靠。
（5）考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量是，应适当留有裕量。
（二）设计的主要内容
PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备谅解而成的，用以完成预期的控制目的与相应的控制要求。
因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：
（1）根据生产设备或生产过程的工艺要求，以与新提出的各项控制指标与经济预算，首先进行系统的总体设计。
（2）根据控制要求基本确定数字I/O点和模拟量通道数，进行I/O点初步分配，绘制I/O使用资源图。
（3）进行PLC系统配置设计，主要为PLC的选择。
PLC是PLC控制系统的核心部件，真确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。
选择PLC应包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。
（4）选择用户输入设备、输出设备、以与由输出设备驱动的对象，这些设备属于一般的电器元件。
（5）设计控制程序。
二、PLC控制系统设计的一般步骤
（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚的表明动作的顺序和条件。
对于简单的控制系统可以省去这一步。
（2）设计梯形图。
这是程序设计的关键一步。
要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，它是还要有一定的电气设计的实践经验。
（3）根据梯形图编制语句表程序清单。
（4）用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。
（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止，
（6）待控制台（柜）与现场施工完成后，就可以进行联机调试。
如不满足要求，在修改程序或检查接线，直到满足要求为止。
（7）编制技术文件。
（8）交付使用。
3.2输入/输出（I/O）
（1）8路通用缓存输入（1—4轴），16路通用缓存输入（5—8轴），8路TTL输出（1—4轴），16路TTL输出（5—8轴）。
（2）正负限位、原点返回输入（TTL）。
（3）高速位置锁存，位置比较。
（4）I/O扩充：
智能型Ethernet。
3.2.1输入连接器（标准型）
3.2.2输出连接器
4本次设计的方案
4.1数控切割机的整体结构示意图
4.2控制系统硬件结构的分析
数控切割机控制系统实验平台的控制要求分析：
本设计主要以火焰切割机为例：
数控火焰切割机是一种应用氧-乙炔为燃料的传统切割方法而制造的金属切割设备，根据数控火焰切割机的特点与实际工作情况，本控制系统首先要实现的是对于各气动电磁阀的控制。
由于工作气体为易燃易爆的气体，所以各个气路的开启与其启停的先后顺序等都要准确可靠。
而且气动电磁阀一定不能由于启停等操作产生电火花。
4.3控制方案的选择
本次设计的方案是采用PC机作上位机和PLC作下位机的上位机下位机系统。
这里选择PLC的主要原因是：
PLC开发周期短，使用容易，对人的要求低，而且具有扩展性好、通信简单的优点，安装、使用、维护、维修都很方便，系统易更新换代。
目前PLC的功能已经日趋完善，PLC脉冲控制也可以实现NC控制系统的一些功能，对于数控切割机控制系统所要求的双轴联动控制完全可以实现。
4.4控制系统的硬件结构
根据数控切割机的控制要求，控制系统的硬件主要有以下几个部分组成：
（1）数控切割机机械主体
（2）PC机一台，主要负责完成控制系统的配置和人机交互功能与轨迹插补计算等功能。
（3）PLC一台。
作为下位机，主要which根据上位机传来的各种信号做出判断与执行，以实现对所要求的轮廓的加工，同时读数控切割机行程开关等的启停进行试试诊断，以防止出现事故。
（4）步进驱动器与步进电机一套。
步进驱动器根据PLC输出的脉冲信号的个数与频率等来控制步进电机的转矩、转速计转动方向等。
以实现对所需要的工件轮廓的加工，是数控系统中的执行机构。
4.5控制系统PLC程序设计
图1控制系统PLC程序的整体结构
4.6设计的接线图
4.7设计梯形图的原理
上位机设定伺服电机旋转速度单位为（转/分），伺服电机设定为1000个脉冲转一圈。
PLC输出脉冲频率=（速度设定值/6）=100Hz.上位机设定伺服电机行走长度单位为（0.1mm）伺服电机每转一圈的行走长度为10mm，伺服电机转一圈需要的脉冲数为1000，故PLC发出一个脉冲的行走长度为0.01mm。
PLC的输出脉冲值=长度设定值*10.
上面两点的计算都是在伺服电机参数设定完的基础上得出的。
也就是说，在计算PLC发出脉冲频率与脉冲前，必须先格局机械条件综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比！
假设伺服电机转动一圈的行走长度已固定（如上面所提到的10mm），设计要求的行走精度为0.1mm。
为了保证此精度，一般情况下是让一个脉冲行走长度低于0.10mm，例如设定一个脉冲长度为上述所说的0.01mm，于是电机转一圈所需的脉冲数即为1000个脉冲。
此种设定当电机速度要求为1200转/分时，PLC应该发出的脉冲频率为20K，
如果电机转动一圈为100mm，设定一个脉冲行走仍然是0.01mm电机转动一圈所需的脉冲数即为10000个脉冲，电机速度为1200转时所需的脉冲频率就是200k。
根据以上信息只需应用PLC的相应脉冲指令发出脉冲即可，PLC梯形图
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