基于FANUC数控系统的教学实验系统开发数控机床操作面板设计.docx

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基于FANUC数控系统的教学实验系统开发数控机床操作面板设计

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

班级学号：

学生姓名：

指导教师：

二〇〇九年六月

天津工程师范学院本科生毕业设计

基于FANUC数控系统的教学实验系统开发--机床操控面板设计

DevelopmentofTeachingExperimentalSystemBasedonFANUCSystem

--DesignofMachineToolOperatesFront-Panel

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

系别：

2009年06月

摘要

这篇论文主要研究的是基于FANUC数控系统的教学实验系统开发，主要内容是设计机床操控面板、I/OLink的分配地址、PLC编程进而完成数控机床的人机界面功能。

例如手动、自动、MDI等等。

文章首先分析了数控发展技术和人机界面设计的发展趋势。

控制面板是机床和操作者之间传递信息的装置，它的设计直接影响操作人员的操作效率和准确程度。

所以数控机床的人机界面设计，以人机工程学为基础，根据控制面板的基本要求，以控制面板的造型、色彩等人机要素为对象，还介绍了数控机床的控制面板符号的说明和手动脉冲发生器控制。

利用PLC进行数控机床电气控制可靠性高，编程使用方便。

主要介绍了FANUCI/OLink的分配地址、数控机床PLC的功能以及利用PLC编程来完成数控机床人机界面控制的实例。

关键词:

数控机床；人机界面；人机工程学；控制面板；I/OLink的分配地址；PLC

ABSTRACT

ThisthesismainlywhattostudyisdevelopmentofteachingexperimentalsystembasedonFANUCsystem，themaincontentsistodesignmachinetooloperationfront-panel,theallotmentaddressofI/OLink,thePLCprogrammethencompletestheman-machineinterfacefunctionthatthenumbercontrolsmachinetool.Forexamplemovebyhands,auto,MDI.

First,Thearticleanaluzedthedevelopmenttrendthatthenumbercontroldevelopmenttechniqueandman-machineinterfacedesign.Thecontrolpanelisadevicethattransmittinginformationbetweenmachinetoolandoperator,whosedesignconnectsdirectlywithoperatingefficiencyandaccuracyoftheoperator.Sothedesignofinterfaceofthenumbercontrolstheman-machineformachinetool,withpersonthemachineengineeringlearnforfoundation,thebasicrequestofthebasiscontrolpanel,withtheshapeofcontrolpanel,colorandsoon,thepersonconfidentialvegetableisanobject,theelucidationstillintroducedofthecontrolpanelsignofmachinetool,moveapulsercontrol.MakeuseofthePLCcarriesonanumbertocontrolmachinetoolelectricityacontrol’scredibilityishigh,programmerandusageisconvenienced.MainlyintroducedtheallotmentaddressoftheFANUCI/OLink,thefunctionofmachinetoolPLCofnumbercontrolsandmakeuseofaPLCprogrammertocomplete.Thenumbercontrolmachinetoolman-machineinterfacetheexampleofthecontrol.

Keywords:

CNCMachine；Human—MachineInterface；Ergonomics；ControlPanel；TheallotmentaddressofI/OLink；PLC

1绪论

1.1引言

数控机床是一种综合微电子、计算机、自动控制、精密测量和机械制造等技术发展起来的自动化精密机床，它广泛应用在加工制造业的各个领域。

数控机床主要由机床主体、数控系统、伺服系统等部分组成。

和传统机床相比，数控机床应用数控装置对机床的运动顺序和运动位移进行直接控制，由伺服系统取代了传统的变速箱，机械结构大大简化。

因而数控机床结构形态在满足功能的前提下，更符合人的审美心理、习惯模式和操作的舒适性、安全性及人机工程学原理。

人机工程学中，人机界面（Human-MachineInterface）是指人机闯能相互施加影响的区域。

数控机床人机界面设计面临两方面的问题：

人控制机床和人接受信息。

前者主要是指数控机床要适合于人的操作，应考虑人操作时的空间范围与数控机床的配置，在数控机床整体界面设计时应充分考虑到点；后者主要是指数控机床的配置如何使人在操作时观察方便，判断迅速准确，在数控机床控制面板设计中应考虑到这点。

1.2数控的发展技术发展趋势

中国正在成为世界制造业的中心，这是国内需求和国际加工业发展的必然结果。

国内经济的持续高速发展和国际市场环境的改善，将大大刺激数控机床和数控系统的设计与生产。

具有自主知识产权的高性能开放式（OAC）控制平台的开发和先进CNC系统的设计与生产，必将进一步提高制造行业的创新能力和对市场的快速响应能力。

从市场发展来看，我国生产的数控机床在国内市场30%占有率中，主要是经济型数控机床和部分普及型，今后数控机床行业将以普及型数控机床及数控系统作为主要的市场占有品种。

在经济型数控机床及数控系统方面保持继续强劲发展的同时，高级型数控机床及数控系统，特别是重点开发的高精、高速及专用型仍将是一个重点发展的方向，其关键的开放式控制（OAC）技术发展在增加高技术附加值等方面有着不可替代的作用。

从技术发展来看，在未来数年内，数控技术将继续向开放式、基于PC及其兼容设备的第六代方向发展。

由于工业PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，越来越多的数控系统厂家会走上这条道路。

多数OAC系统将采用PC或其兼容设备作为CNC系统的前端机，用来处理人机界面、编程和联网通信等问题。

PC机所具有的友好的人机界面将普及到所有的数控系统，远程通讯等，远程诊断和维修将更加普遍。

日本、欧盟和美国等针对OAC，正在进行前后台标准的研究。

从开发设计来看，高质量的数控软件是数控技术最为核心的部分，因而往往为生产厂家的核心机密。

CNC从技术领域走向市场领域的关键是实现产业化，而普及型、个性化、多品种、软性化以成为除满足高速、高效要求的实时性以外的最重要的影响市场份额的因素，但是数控软件的开发是一个相当耗资、耗时的过程，相对于外部硬件环境具有较长的生命周期，因而设计不依赖于硬件平台开放式（外部开放）、可根据需要裁剪拼装（内部开放）的柔性化OAC软件平台将大大降低CNC产品的设计费用与研制周期，提高产品的市场竞争力。

从产业结构来看，数控机床的产业技术发展迅速，技术制高点不断转移，开发周期缩短，新品上市频率提高，商品寿命时间缩短，技术竞争激烈。

因此数控机床产业具有小规模、小批量生产的产业组织特征，适于发展中小企业，不宜盲目搞规模扩张，搞机床生产集团，应以先进高性能OAC平台为基础，以具有优势品牌的企业为核心，促使大量的中小型机床企业及附件企业，逐步发展成为主机厂配套协作的专业配套商，形成机床行业的战略联盟，或“虚拟联合体”，重整行业生产和销售。

1.3FAUNC数控系统的特点

1.在新产品中，结构上采用模块化结构。

2.采用专用LSI，以提高集成度、可靠性、减小体积和降低成本。

3.产品应用范围广。

每一种CNC装置可配多种控制软件，适用与多种机床。

4.不断采用新工艺、新技术，如表面安装技术SMT、多层印制电路板、光导纤维电缆。

5.CNC装置体积减小，采用面板装配式、内装式PMC。

6.在插补、进给加减速、补偿、自动编程、图形显示、通信、控制和诊断方面不断增加新的功能。

7.CNC装置面向用户开放功能的是以用户特定宏程序、MMC等功能来实现的。

8.支持多种语言显示，如日语、英语、汉语、德语、法语等。

9.备有多种外设。

如FAUNCPPR

10.推出MAP（制造自动化协议）接口，使CNC通过该接口实现与上一级计算机通信。

11.现已形成多种版本。

1.4机界面设计的发展趋势

随着信息社会的发展，人们生活水平的提高,审美情趣的变化,以及各种工具和技术的日益涌现,对人机界面设计提出了越来越高的要求。

从目前来看，人机界面设计朝着一下几个方向发展。

1.高科技化。

信息技术的革命带来了计算机业的巨大变革。

计算机越来越趋向超薄型和平面化，输入方式由单一的键盘、鼠标输入，朝着多通道输入发展追踪球、触摸屏、光笔、语言输入等竞相登场，蓝牙等技术改变了接口方法，多媒体、虚拟现实技术等提供了真实、动态的影像和刺激灵感的用户界面。

在计算机系统中，各种技术各显其能，使产品的造型设计更加丰富多彩。

计算机辅助设计（CAD）软件也不断推陈出新，各种造型软件如Pro/Engineer、Alias等，用其全新的界面给设计师提供了广阔造型的空间，使他们能够充分利用先进的计算机技术，设计出优美的造型，也为用户建立了一种良好的实现功能的桥梁。

2.自然化。

由于硬件技术的发展以及计算机图形学、软件工程、人工智能、窗口系统等软件技术的进步，图形用户界面（grahicuserinterface,GUI）、直接控制（directmanipuloation）、“所见即所得”（whatyouseeiswhatyouget）等交互原理和方法相继产生并得到了广泛的应用，推动人机界面自然化向前迈进了一大步。

然而，人们不仅仅满足于通过屏幕显示或打印输出信息，还进一步要求能够通过视觉、听觉、嗅觉、触觉以及形体、手势或口令等，更自然地“进入”到工作空间中去，形成人机“直接对话”，从而取得“身临其境”的体验。

3.人性化。

现代设计已经从功能主义逐步走向了多元化和人性化。

今天的消费者纷纷要求表现自我意识、个人风格和审美情趣，反应在设计上亦使产品越来越丰富、细化，体现一种人情味和个性。

它一方面要求产品功能齐全、高效，适合于人的操作使用，另一方面又要满足人们的审美和认知的精神需要。

1.5PLC在数控机床上的应用

目前.工业生产中广泛应用的机床强电控制采用继电器—接触器控制方式，它具有线路简单、造价低、抗干扰能力强等特点，但由于机床电气控制功能的变化更改其电路却是非常困难的且随着锻压生产自动化程度的提高，控制要求越来越复杂，甚至需要智能控制，冲床的传统继电器—接触器控制方式已越来越不能满足工业生产实际的要求。

而可编程控制器（PLC）应用于机床的电气控制具有通用性好、可靠性高，环境适应性强、功能强大、接线简单、编程使用方便等特点，大大提高了劳动生产率。

PLC特别是数控系统内置PLC，已广泛应用于数控机床等工业控制中。

数控机床的控制部分可分为数字控制和顺序控制两部分，数字控制包括对各坐标轴位置的连续控制，而顺序控制包括对主轴正/反转和启动/停止、换刀、卡盘夹紧和松开、冷却、尾架、排屑等辅助动作控制。

现代数控机床采用PLC代替继电器控制来完成逻辑控制，使数控机床结构更紧凑，功能更丰富，响应速度和可靠性大大提高。

（1）PLC与数控机床外部设备的信息交换PLC系统和机床三者之间的信息交换包括以下四部分:

1）机床至PLC。

机床侧的开关量信号通过1/O单元接口输人至PLC，除极少数信号外。

绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。

2）PLC至机床。

PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。

3）系统至PLC。

系统发出控制信号输人至PLC,所有信号的含义及PLC的地址均由系统制造商确定，PLC编程者只可使用不可更改。

4）PLC至系统。

PLC输出控制信号到系统，所有信号的含义及PLC的地址均由系统制造商确定，PLC编程者只可使用.不可更改。

（2）PLC在数控机床中的功能

1）操作面板的控制操作面板分机床操作面板和系统操作面板。

机床操作面板上的控制信号直接送入PLC，系统操作面板上控制信号由系统送到PLC,控制数控系统的运行

2）机床外部开关输人信号。

将机床侧的开关信号送人PLC，进行逻辑运算这些控制开关包括行程开关、接近开关、压力开关等。

3）输出信号控制PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器、电磁阀、信号灯等输出给控制对象。

4）T功能实现。

系统送出T代码指令给PLC,经过译码，在数据表内检索，找到T代码指定的刀号，并与现行刀号进行比较，如果不符，发出换刀指令，刀塔换刀到位停止，系统发出完成信号。

5）M功能实现。

系统送出M代码指令给PLC,经过译码，输出控制信号.控制主轴正/反转和启动/停止、卡盘的夹紧和松开、冷却液的开关等。

M功能完成时系统发出完成信号。

2PLC在数控机床中的应用

PLC全称为可编程序控制器（ProgrammableLogicController）。

它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。

固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。

模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

2.1输入/输出系统

输入/输出系统简称I/O。

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。

I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。

常用的I/O分类如下：

开关量：

按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：

按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

2.2数控机床的可编程控制器的控制对象

在研究数控系统和机床各机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系时，常把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。

“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件、与CNC系统连接的外部设备。

“MT侧”则白口机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器线路、机床强电线路等。

PC处于NC与MC之间，对NC和MT的输入、输出信号进行处理。

MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不用而有很大差别。

机床结构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。

一般来说，最终受控对象的数量和控制顺序的复杂程度是依CNC车床、CNC铣床、加工中心、FMC、FMS的顺序递增的。

PMC的控制对象是数控机床。

它的输入/输出信号是面向数控系统和机床两侧的，如图3-1所示。

图2-1PMC的控制对象

1．由机床至PMC的输入信号（MT—PMC）

此类信号在PMC中用X表示。

一般为操作作者在机床侧的操作和机床现场信号。

（1）指令按钮急停，手动/自动，高档/低档和起动/停止等各类按钮以及机床操作面板上各类操作按键。

（2）行程开关X，Y，Z各坐标轴的极限位置行程开关，原点位置行程开关，防护门开关和液位信号等。

（3）传感器信号温度传感器、压力传感器、电动机过载信号和刀具计数器等。

2．由PMC至机床的输出信号（PMC—MT）

此类信号在PMC中用Y表示。

一般为某一动作的执行信号。

由于PMC的驱动能力的限制，往往需要通过若干继电器和接触器才能驱动真实的负载。

为保护PMC在继电器和结束器线圈上须并联续流二极管或RC放电器。

（1）电动机排屑电机、冷却液电机、润滑电机、刀库旋转轴电机等。

（2）电磁阀换刀/抓刀机构、液压/气动阀门等。

（3）指示信号指示灯、蜂鸣器等。

3．由数控系统至PMC的输入信号（CNC—PMC）

此类信号在PMC中用F表示。

一般为CNC对PMC所发出的指令信号。

（1）M代码指令M08、M38、M30等各个M代码指令。

（2）使能信号主轴旋转、固定循环等。

（3）T代码指令刀具的选择、刀库的旋转等。

4．由PMC至数控系统的输出信号（PMC—CNC）

此类信号在PMC中用G表示。

一般为PMC对CNC所发出的应答和控制信号。

（1）选择信号控制轴的选择，挡位的选择，循环的选择等。

（2）刀具信号刀具位置、检测信号、复位信号等。

（3）控制反馈信号急停信号、超程信号等。

5．系统内部信号

此类信号为PMC与内部继电器和存储器进行的信息交换。

存储器包括计数器、数据表、定时器、程序号等。

PMC与这些信号连同数控系统的信息交换实质上是寄存器间的数据交换，图3-1中用虚线表示。

PMC与机床相关的输入/输出信号是经由I/O板的接收电路和驱动电路传送，图2-1中图实线表示。

2.3FANUCPMC的信号地址

PMC顺序程序的地址表明了信号的位置。

这些地址包括对机床的输入/输出信号和对数控系统输入/输出信号、内部继电器、计数器、保持型电器、数据表等。

每一地址由地址号和位号组成。

可在符号表中输入数据表明信号名称与地址之间的关系。

以FANUC0i-MODELA系列的PMC-SA3为例。

由于不同型号的PMC地址也有所不同。

1．PMC与机床之间的地址

1）当使用I/OLinK时

（1）机床对PMC的输入信号。

地址从X0到X127。

（2）PMC对机床的输出信号。

地址从Y0到Y127。

每个地址是以字节为单位，每字节为8位开关量，所以有最多1024个输入点和1024个输出点。

2）当使用内装I/O卡时

（1）机床对PMC的输入信号，地址从X1000到X1019。

（2）PMC对机床的输出信号，地址从Y1000到Y1014。

用户在使用接口时，接口地址应在上述范围内指定。

X不能用作线圈输出，Y的输出地址不能重复，否则该地址的状态不能确定将发生错误。

值得注意的是，数控系统在运行时会直接引用一些地址的信号。

用户在使用前务必确认从机床侧输入的下列信号联接在指定的地址上，如表2-1所示

表2-1接口地址固定的信号

信号

符号

当使用I/OLinK时

当使用内装I/O卡时

X轴测量位置到达信号

XAE

X4.0

X1004.0

Y轴测量位置到达信号

YAE

X4.1

X1004.1

Z轴测量位置到达信号

ZAE

X4.2

X1004.2

跳转信号

SKIP

X4.7

X1004.7

急停信号

*ESP

X8.4

X1008.4

第1轴参考点返回减速信号

*DEC1

X9.0

X1009.0

第2轴参考点返回减速信号

*DEC2

X9.1

X10091

第3轴参考点返回减速信号

*DEC3

X9.2

X1009.2

第4轴参考点返回减速信号

*DEC4

X9.3

X1009.3

第5轴参考点返回减速信号

*DEC5

X9.4

X1009.4

第6轴参考点返回减速信号

*DEC6

X9.5

X1009.5

第7轴参考点返回减速信号

*DEC7

X9.6

X1009.6

第8轴参考点返回减速信号

*DEC8

X9.7

X1009.7

2．PMC与机床之间的地址

1）基本接口地址

（1）数控系统对PMC的输入信号。

地址从F000到F255。

如M译码信号地址F009.4~F009.7，数控就绪信号地址为F004.4。

（2）PMC对数控系统的输出信号。

地址从G000到G255。

如：

急停信号地址为G008.4，各坐标轴锁住信号地址为G108。

每个地址是以字节为单位。

此类信号相应的每一位都有具体的含义。

由于数量巨大，内容繁杂和篇幅的原因，这里就不再赘述。

用户如果需要详细资料请查阅相关手册。

另外不同型号的PMC这类地址差别是很大的，使用时一定要注意。

2）扩展接口地址

（1）数控系统对PMC的输入信号，地址从F1000到F1255。

（2）PMC对数控系统的输出信号，地址从G1000到G1255。

3．寄存器/存储器地址

PMC的存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。

易失性存储器所存储器的内容。

在系统掉电后会丢失，而非易失性存储器的内容则不会丢失。

（1）内部继电器地址（R）此区域是易失性存储器，信号在系统上电时被清零。

地址R00至R999为用户区域，供用户编程时作为中间继电器使用。

R9000至R9117为系统区域，用户不能用作顺序程序中的输出继电器。

（2）计数器地址（C）此区域是易失性存储器，在系统掉电后信号不会丢失。

计数器区域是一个连续80字节的存储空间，每个计数器需用4个连续空间用于存放计数器的预置值和当前值。

因此该区域只有20个计数器，具体地址如图2-2所示。

图2-2计数器地址

（3）定时器地址（T）此区域是易失性存储器，在系统掉电后信号不会丢失。

定时器区域是一个连续80字节的存储空间，每个定时器需用2个连续空间用于存放定时器的