基于FANUC数控系统轴承内圆jsp.docx
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基于FANUC数控系统轴承内圆jsp
本科毕业设计（论文）
题目：
基于FANUC数控系统轴承内圆
磨床电气控制系统的设计
学生姓名：
基于FANUC数控系统轴承内圆磨床
电气控制系统的设计
摘要:
现代工业生产中，基于FANUC数控系统的优越性和广泛性以及对机械零件的加工精度和表面粗糙度的要求日益提高，FANUC数控系统与磨床二者的紧密结合在生产中发挥着越来越重要的作用，有着广阔的市场前景。
FANUC数控系统功能强，适用性广。
本论文采用FANUC数控系统，以轴承内圆磨床为控制对象，对机床电气控制系统进行设计。
论文在详细介绍了FANUC系统及其硬件连接资料、FANUCPMC梯形图编程及其他相关资料的基础上，主要从硬件和软件两个方面对设计进行了详尽地阐述。
硬件方面，对FANUC数控磨床控制系统电气原理图、机床操作面板进行了设计，并说明了相关电路的工作原理；软件方面，分别编制了机床操作面板程序、机床本体控制程序、磨床部分程序等。
通过本文，可以很明了的透视FANUC系统的各个模块和功能，为以后开发系统奠定坚实的基础。
关键词：
FANUC数控系统；电气控制；PMC编程；磨床
Abstract:
Inthemanufacturingproductionofmodernage,basedonthesuperiorityanduniversalityofNCSystemsofFANUCSeriesandprecisionmechanicalpartsandsurfaceroughnessoftheincreasingrequirements,seethetightlycombinationsofNCSystemsofFANUCSeriesandGrindingmachineareplayingamoreandmoreimportantpartintheproduction.Theyhavebroadmarketprospects.
NCSystemsofFANUCSerieshaveverypowerfulfunctionsandwidelyapplicability.Thethesisisaboutadesignofmachinetoolelectriccontrolsystem,whichtakesNCSystemsofFANUCSeriesasCNCandInternalGrinderforBearingascontrolobject.Thepapermainlydescribedthedesignofthesystemindetailfromtwoaspectsofhardwareandsoftware,afteradetailedintroductionofthematerialofhardwareconnectionoftheNCSystemsofFANUCSeries,programmingabouttrapeziumpicturesofFANUCPMCandotherusefulmaterials.
Fromtheaspectofhardware,therearedesignsofelectricelementarydiagramsofFANUCCNCGrindercontrolsystemandcontrolpanelofmachinetool.Besidesthat,therearesomedetailedexplanationsaboutprincipleofworkofsomeusefulcircuits.Fromtheaspectofsoftware,manyprogramshavebeencompiled,suchastheprogramaboutoperatedpanelofmachinetool,controllingonnoumenonofmachinetoolandsomeprogramsofGrinder.
Fromthisthesis,wecanseeeachmoduleofFANUCsystemandtheirfunctionsclearly,whichwillestablishasubstantialfoundationfordevelopingmorecomplexsysteminthefuture.
Keywords：
NCsystemsofFANUCseries;electriccontrol;PMCprogramme;Grinder
正文：
轴承内圆磨床总体设计思路
一、轴承内圆磨床电气组成总框图
轴承内圆磨床电气组成总框图如图1-1所示。
图1-1轴承内圆磨床电气组成总框图
由图1-1可知，轴承内圆磨床由数控装置（CNC）、机床控制电器、主轴变频模块、砂轮轴变频模块、X轴、Z轴伺服模块、冷却泵电机模块、液压泵电机模块、气压泵电机模块以及上下料抱闸电机控制模块和其他信号控制模块等。
其中主轴由变频器控制，有变频器自生固定的几个速度档位；砂轮轴也由变频器控制，但砂轮只有一个运转方向，即启动、停止；X轴、Z轴进给分别用FANUC公司的βi伺服驱动；冷却泵电机一般是用于加工过程中的冷却；气压、液压在本设计中主要用于自动上下料机构。
以上各部分的具体介绍见下面章节。
二、轴承内圆磨床的基本工作思路
数控磨床与车床的工作思路很相似，只是车床上有刀架换刀而磨床上把刀架部分换成了砂轮。
在程序加工过程中一般不更换砂轮，但为了保证加工精度，需要对砂轮进行修整，具体修整情况见下面章节。
轴承内圆磨床是轴承生产线上不可或缺的机床。
它主要是用来加工轴承内孔用的，当工件装夹好在主轴卡盘上后，由主轴变频给主轴一个恒定的转速同时带动工件横速度转动。
砂轮要与工件之间存在相对速度才能磨削，因此给砂轮一个与工件不同的速度。
这里要注意的是在编砂轮转速程序时用的是恒线速度，砂轮的线速度与砂轮的外径、砂轮的转速及圆周率∏等有关。
具体说明及分析见下面相关章节。
别是软件功能和硬件具体连接不同。
FANUC还拥有具有网络功能的超小型、超薄型系列16i/18i/21i，该软件功能也有MODEL-A和MODEL-B两大软件包，所控制最大轴数和联动轴数有区别。
16i/18i/21i-B系列中，16i最大控制轴8个，联动轴6个；18i最大控制轴为8个，联动轴4个，21i最大控制轴为5个，联动轴4个。
轴承内圆磨床硬件的设计与分析
一、面板功能设计与分析
本次毕业设计中设计的面板图如图2-1所示。
图2-1操作面板图
1．急停：
按下急停按键，急停有信号。
急停信号可使机床进入紧急停止状态。
2．机床开关：
本面板机床开关使用的是钥匙旋钮，当机床接通电源后，如果机床开关没开，机床仍无法启动。
3．程序保护：
程序保护就是为了保护程序不被人更改，如果程序保护开关处于关状态时，能运行程序但在编辑状态下无法更改程序。
4．方式选择：
（1）编辑状态（EDIT）
在此状态下，编辑存储到CNC内存中的加工程序文件。
编辑操作包括插入、修改、删除和字的替换。
编辑操作还包括删除整个程序和自动插入顺序号。
扩展程序编辑功能包括拷贝、移动和程序的合并。
（2）存储运行状态（MEM）
又称自动运行状态（AUTO）。
在此状态下，系统运行的加工程序为系统存储器内的程序。
当选择了这些程序中的一个并按下机床操作面板上的循环启动按钮后，启动自动运行，并且循环启动灯点亮。
存储器运行在自动运行中，当机床操作面板上的进给暂停按钮被按下后，自动运行被临时中止。
当再次按下循环启动按钮后，自动运行又重新进行。
（3）手动数据输入状态（MDI）
在此状态下，通过MDI面板可以编制最多10行的程序并被执行，程序格式和通常程序一样。
MDI运行适用于简单的测试操作（在此状态下还可以进行系统参数和各种补偿值的修改和设定）。
（4）手轮进给状态（HND）
在此状态下，刀具可以通过旋转机床操作面板上的手摇脉冲发生器微量移动。
使用手轮进给轴选择开关选择要移动的轴。
手摇脉冲发生器旋转一个刻度时刀具移动的最小距离与最小输入增量相等。
手摇脉冲发生器旋转一个刻度时刀具移动的距离可以放大1倍、10倍、100倍或1000倍最小输入增量（通过手轮倍率开关选择）。
（5）手动连续进给状态（JOG）
在此状态下，持续按下操作面板上的进给轴及其方向选择开关，会使刀具沿着轴的所选方向连续移动。
手轮连续进给最大速度由系统参数设定，进给速度可以通过倍率开关进行调整。
按下快速移动开关会使刀具快速移动（由系统参数设定），而不管JOG倍率开关的位置，该功能叫做手动快速移动。
（6）机床返回参考点（REF）
即确定机床零点状态（ZRN）。
在此状态下，可以实现手动返回参考点的操作。
通过返回机床参考点操作，CNC系统确定机床零点的位置。
（7）DNC运行状态（RMT）
在此状态下，可以通过阅读机（加工纸带程序）或RS-232通信门与计算机进行通信，实现数控机床的在线加工。
DNC加工时，系统运行的程序是系统缓冲区的程序，不占系统的内存空间，是目前数控机床的基本配置。
从上面可知总共有7中方式，本设计中设计了前6种系统的工作状态。
5．数控机床加工程序功能开关的用途
（1）程序单段运行
按下单程序段方式开关进入单程序段工作方式。
在单程序段方式中按下循环启动按钮后，刀具在执行完一段程序后停止。
通过单段方式一段一段地执行程序，可仔细检查程序。
FANUC-0I系统的程序单段信号（SBK）为G46.1，程序单段状态信号（MSBK）为F4.3。
（2）程序段跳过
在自动运行状态下，当操作面板上的程序段选择跳过开关接通时，有斜杠（/）的程序段将被忽略。
FANUC-0I系统的程序段跳过信号（BDT1）为G44.0，程序段跳过状态信号（MBDT1）为F4.0。
（3）程序的空运转
在自动运行状态下，按下机床操作面板上的空运行按键，刀具按参数（各轴快移速度）中指定的速度移动，而与程序中指令的进给速度无关。
快速移动倍率开关也可以用来更改机床的移动速度。
该功能用来在机床不装工件时检查刀具的运动，或通过坐标值的偏移功能（车床是X轴坐标值的偏移、数控立式铣床或立式加工中心是Z轴坐标值的偏移）来检查刀具的运动。
FANUC-0I系统的程序空运行信号（DRN）为G46.7，程序空运行状态信号（MDRN）为F2.7。
（4）机床锁住
在自动运行状态下，按下机床操作面板上的机床锁住开关，执行循环启动时，刀具不移动，但是显示器上每个轴运动的位移在变化，就像刀具在运动一样。
系统有两种类型的机床锁住：
所有轴的锁住（停止所有轴的运动）和指定轴的锁住（如立式数控铣床或立式加工中心是Z轴锁住）。
在机床锁住的状态下，可以执行M、S、T和B指令。
FANUC-0I系统的机床所有轴锁住信号（MLK）为G44.1，机床每个轴锁住信号（MLK1——MLK4）为G108.0、G108.1、G108.2、G108.3，机床所有轴锁住状态信号（MMLK）为F4.1。
（5）程序选择停
在自动运行时，当加工程序执行到M01指令的程序段后也会停止。
这个代码仅在操作面板上的选择停止开关处于通的状态时有效。
（6）程序重启
该功能用于指定刀具断裂或者公休后重新启动程序时，将要启动程序段的顺序号，从该段程序重新启动机床，也可用于高速程序检查。
程序的重新启动有两种方法：
P型和Q型（由系统参数设定）。
P型操作可以在任意地方重新启动，这种方法用于刀具破裂时的重新启动；Q型操作时，重新启动之前刀具必须移动到程序的起始点（加工起始点）。
FANUC-0I系统的程序再启动信号（SRN）为G6.0，程序再启动状态信号（SRNMV）为F2.4。
（7）程序循环启动运行
在存储器方式（MEM）DNC运行方式（RMT）或手动数据输入方式（MDI）下，若按下循环启动开关，则CNC进入自动运行状态并开始运行，同时机床上的循环启动灯点亮。
系统循环启动信号为下降沿触发（信号ST从1变0）。
FANUC-0I系统的循环启动信号（ST）为G7.2,循环启动状态信号（STL）为F0.5。
（8）程序进给暂停
自动运行期间按下进给暂停开关时，CNC进入暂停状态并且停止运行，同时，循环启动灯灭。
如再重新启动自动运行时，需按下循环启动按钮开关。
FANUC-0I系统的进给暂停信号（*SP）为G8.5，进给暂停状态信号（SPL）为F0.5。
6.液压开、关
磨床在自动上下料中使用了液压油缸
7．气压开、关
磨床在自动上下料中使用了气压缸
8.冷却开、关
在加工过程中由于速度过快或其他原因会使工件表面产生高温影响加工质量，需用冷却液在加工过程中进行必要的冷却。
9．CNC启动、停止
这两按键是控制CNC上电、断电用的。
10．砂轮启动、停止
砂轮只有一个转动方向，因此需要两个按键来控制砂轮的启动、停止。
11．上料、下料
磨床中设计了自动上下料机构，可以自动上下料也可以利用操作面板上的上料、下料按键来进行手动上下料。
二、轴承内圆磨床电气原理图的设计与分析
1.轴承内圆磨床主回路图的设计与分析
轴承内圆主回路图如图2-2所示。
分析：
从图中可以看到该主回路图由以下几个单元组成：
（1）有两个变频器分别控制主轴和砂轮轴的运转。
本设计中使用的是三菱变频器，它所需电压为380V。
（2）三个三相电机分别驱动冷却泵、气压泵、液压泵，其中气压、液压主要用于磨床的自动上下料机构中。
（3）一个抱闸电机主要用于磨床自动上下料机构中的料传送。
（4）两个FANUC公司的βi系列伺服单元驱动X、Z两个进给轴。
其中βi系列伺服单元所需电压为200V。
（5）220VCNC单元。
具体每个单元是怎么控制的见下面分析。
图2-2轴承内圆磨床电气主回路图
2.CNC的启动、停止
CNC的启动、停止控制回路如图2-3所示。
分析：
当按下CNC启动按键以后，中间继电器KF10线圈得电，使KF10常开触点吸合，交流接触器QA13线圈得电同时QA13主触点闭合，CNC得电启动。
当按下CNC停止按键后，中间继电器KF11线圈得电，使KF11常闭触点断开，交流接触器QA13线圈失电同时QA13主触点断开，CNC断电停止。
图2-3CNC的启动、停止控制回路图
3.急停控制回路
急停的控制回路如图2-4所示
图2-4急停的控制回路图
分析：
正常情况下，KF0保持通电，使KF0常开触点闭合。
当机床某个轴超过行程或按下急停按键时，KF0失电，KF0常闭触点断开，整个受控系统单元进入急停状态。
4.其它部分控制
其它部分控制回路如图3-5所示。
图2-5其它部分控制回路
分析：
从2中分析可知，当急停线圈KF0通电后，KF0常闭触点断开，后面的冷却、液压、气压、抱闸电机全部断电停止；当旋动机床操作面板上的钥匙旋钮（机床开关）至ON时，机床开关继电器KF12线圈通电，同时KF12常开触点闭合，交流接触器QA8线圈通电，其主触点和常开辅助触点都闭合，在此情况下，机床各部分单元才可能得电运行；当按下机床操作面板上的冷却开按键时，冷却泵继电器KF3线圈得电，同时KF3常开触点闭合，接触器QA9线圈得电，同时其主触点闭合，冷却液开，当按下机床操作面板上的冷却关按键时，冷却泵继电器KF3线圈失电，触点断开，接触器QA9失电，冷却液关；液压泵、气压泵、抱闸电机控制原理与冷却泵相同，在此不再一一分析。
5.伺服单元控制
本设计中使用的是FANUC公司的βi伺服模块来驱动X轴和Z轴的进给，其具体连接如图3-6所示。
分析：
伺服模块对控制单元传来的数据作一定转换和放大后，驱动伺服电动机，来控制X轴和Z轴的运动。
图2-6伺服单元控制连接图
6.变频器连接控制
本设计中使用的是三菱变频器，主轴变频连接如图2-7所示，砂轮轴变频连接如图2-8所示。
分析：
三菱变频器输入主电源为三相380V。
101、102、103为电源输入端，对于主轴，不仅正反转由变频器控制，而且主轴转速也由变频器控制。
而对于砂轮轴，变频器只控制砂轮的启动和停止，砂轮的转速由编制的程序控制。
变频器的2、5端接口与数控系统相接，不同的数控与变频器的接口不同，本设计使用的FANUC0I-C数控系统，它与变频器的接口端为7、5（如图所示）。
2-7主轴变频器连接图
2-8砂轮轴变频器连接图
三、PMC输入/输出连接图设计
1.PMC输入/输出连接图设计
（1）轴承内圆磨床的PMC输入连接图如图2-9、2-10、2-11、2-12所示。
分析：
FANUC0i-C系统的外置型I/O接口输入为有源型输入信号，由CNC提供24V电压。
有信号输入时，输入为高电平。
图2-9轴承内圆磨床的PMC输入连接图1
图2-10轴承内圆磨床的PMC输入连接图2
图2-11轴承内圆磨床的PMC输入连接图3
图2-12轴承内圆磨床的PMC输入连接图4
（2）轴承内圆磨床的PMC输出连接图
轴承内圆磨床的PMC输出连接图如图2-13、2-14、2-15所示。
分析：
FANUC0i-C系统的外置型I/O接口输出为有源型输出信号，外加稳压电流DC24V，由开关电源提供。
正端接入DOC，有信号输出时，输出为高电平，输出负载的公共端接0V。
图2-13轴承内圆磨床的PMC输出连接图1
图2-14轴承内圆磨床的PMC输出连接图2
图2-15轴承内圆磨床的PMC输出连接图3
2.轴承内圆磨床的PMC输入/输出地址分配
（1）．轴承内圆磨床输出地址分配如表2-1所示。
表2-1轴承内圆磨床PMC输出地址分配表
（2）PMC输入地址分配见表2-2
表2-2轴承内圆磨床PMC输入地址分配表
轴承内圆磨床软件的设计与分析
一、FANUC系统PMC介绍
FANUC系统可以分为两部分：
控制伺服电动机和主轴电动机动作的系统部分的PMC及控制辅助电气部分的PMC。
PMC与PLC非常相似，因为专用于机床，所以称为可编程序机床控制器。
与传统的继电器控制电路相比较，PMC具有时间响应快，控制精度高，可靠性高，控制程序可随应用场合的不同而改变，与计算机的接口及维修方便等优点。
另外，由于PMC使用软件来实现控制，可以进行在线修改，所以有很大的灵活性，具备广泛的工业通用性。
1.FANUC数控系统中CNC、PMC与MT之间的关系
FANUC数控系统中CNC、PMC与MT之间的关系如图3-1所示.
图3-1CNC、PMC与MT各接口信号地址之间的关系
CNC是数控系统的核心，机床上I∕O与CNC交换信息，要通过PMC处理，才能完成信号处理，PMC起着机床与CNC之间桥梁作用。
机床本体上的信号进入PMC，输入信号为X地址信号，输出到机床本体信号为Y信号地址，因内置PMC和外置PMC不同，地址的编排和范围有所不同。
根据机床动作要求，编制PMC程序，由PMC处理送给CNC装置的信号为G信号，CNC处理结果产生的标志位为F信号，直接用于PMC逻辑编程，每个具体信号含义可以参考FANUC有关技术资料。
如要应用好FANUC数控系统，首先要理解控制对象（机床）的动作要求，列出有哪些信号输入数控系统，数控系统要输出哪些控制信号，各个信号的作用和点评要求。
其次了解PMC和CNC之间Ｇ和Ｆ各个型号时序和逻辑要求，根据机床动作要求，分清哪些需要进入CNC装置，那些信号从CNC装置输出，哪些信号需要参与编制逻辑程序。
最后在理解机床动作基础上，了解PMC编程指令，编制程序，对程序进行调试。
二、轴承内圆磨床操作面板和机床本体控制程序设计
1．急停
图3-2急停PMC程序图
分析：
如图2-3所示。
X8.4为急停信号输入地址，G8.4为PMC输出急停信号地址。
当按下X8.4急停按钮时，机床急停，第一级程序扫描结束。
END1指令在顺序程序中必须给出一次，可在第一级程序末尾，当没有第一级程序时，排在第二级程序开头。
第一级程序仅处理短脉冲信号，这些信号包括急停、各轴超程等。
2．工作模式选择
图3-3工作模式选择PMC程序图
分析：
本设计中的方式选择在操作面板上是不是用按键而是用旋钮。
操作方式对应G、F信号地址关系如表3-1所示。
表3-1操作方式对应G、F信号地址关系
操作方式
信号状态
输出F信号
MD1
MD2
MD4
ZRN
1
手动数据输入（MDI）
0
0
0
0
F3.3
2
存储器编辑（EDIT）
1
1
0
0
F3.6
3
自动运行（MEM）
1
0
0
0
F3.5
4
手轮进给（HANDLE）
0
0
1
0
F3.1
5
手动连续进给（JOG）
1
0
1
0
F3.2
6
手动返回参考点（ZRN）
1
0
1
1
F4.5
如图3-3所示。
X13.3为存储器编辑信号，X13.4为自动运行信号，X13.5为手动数据输入信号，X13.6为手动连续进给信号，X13.7为手轮进给信号，X14.0为手动返回参考点信号。
当按下存储器编辑按键时，X13.3有信号同时G43.0（MD1）、G43.1（MD2）为1，G43.2（MD4）、G43.7（ZRN）为0，结合表4-2,可以看出此刻工作模式为存储器编辑方式。
其它工作方式与存储器编辑方式分析原理相同，此处不再一一分析。
3．手动进给和手动返回参考点
分析：
如图3-4所示。
X11.0为+X方向进给信号，X11.1为-X方向进给信号，X11.2为+Z方向进给信号，X11.3为-Z方向进给信号，X11.4为快速进给信号，F3.2为JOG进给检测信
图3-4手动进给和手动返回参考点PMC程序图
号，F4.5手动返回参考点检测信号，F94为返回参考点结束信号。
如果方式选择在JOG方式下，那么F3.2有信号，此时如按下+X方向进给按键，X11.0有信号，X轴向+X方向进给，如按下-X方向进给按键，X11.1有信号，X轴向-X方向进给，+Z、-Z方向进给与X轴分析相同。
如果方式选择在手动返回参考点方式下，那么F4.5有信号，此时按下X或Z方向按键，将在该两个方向上返回参考点。
当返回参考点结束信号F94有信号时，对应的X轴、Z轴返回参考点到位指示灯亮。
如配合快速进给按键同时按，将会发现进给速度变快。
4．快速进给倍率
图3-5快速进给倍率PMC程序图
分析：
如图3-5所示。
X14.4、X14.5为快速进给倍率选择信号，G14.0、G14.1为快速进给速度倍率信号。
如程序中所示，当ROV1、ROV2均为0时，进给倍率值为100%；当ROV1、ROV2为0、1时，进给倍率值为50%；当ROV1、ROV2为1、0时，进给倍率值为25%；当ROV1、ROV2为1、1时，进给倍率值为0%。
市场上有该种内部组合好的组合开关卖。
5．手轮进给倍率
图3-6手轮进给倍率PMC程序图
分析：
如图3-6所示。
X14.1、X1
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