基于数控机床的PLC毕业设计.docx

1、基于数控机床的PLC毕业设计数控机床的PLC设计摘要：随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机床取代普通机床已是一种必然的趋势，随着数控机床的发展，传统的继电器控制系统已经不能满足工业生产的需要，而可编程控制器(PLC)因其具有可靠性高，抗干扰能力强；功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；编程方法简单易学等显著特点，已成为人们的首要选择。在此背景下，本文提出了数控机床的PLC设计思路。本文描述了如今数控机床的基本组成、工作原理、分类及各自的特点。并且对数控机床中的PLC做了详细的介绍，把PLC在数控机床的工作过程，设计流程做了具体分析。然后以立式车床C51

2、12B为例，描述了它的PLC设计过程，最后再介绍了PLC在数控机床上故障维修的一些方法。关键词：数控机床；可编程控制器；C5112B立式车床；三菱FX2NAbstract: With the rapid development of information industry, the functions of numerical control machine tools are maturing. CNC machine tools has been replaced by ordinary is an inevitable trend, with the development of CN

3、C machine tools, the traditional relay control systems can not meet the industrial production needs. Programmable Logic Controller (PLC) because of its high reliability, strong anti-interference; feature strong, high cost performance; hardware package is complete, the user easy to use, adaptable; pr

4、ogramming easy to learn and other notable features has become the first choice. In this context, this paper presents design ideas PLC CNC machine tool. This paper describes the basic composition of CNC machine tools now, working principle, classification and their characteristics. And on the NC mach

5、ine tool in the PLC made a detailed introduction to the work of the PLC in the process of CNC machine tools, to do a detailed analysis of the design process. Then vertical lathe C5112B, for example, describes its PLC design process, and finally introduces the PLC fault in the maintenance of CNC mach

6、ine tools on some of the ways. Keywords: CNC machine tools；PLC；C5112B Vertical Lathe；Mitsubishi FX2N引 言20世纪中期，随着电子技术的发展，自动信息处理、数据处理以及电子计算机的出现，给自动化技术带来了新的概念，用数字化信号对机床运动及其加工过程进行控制，推动了机床自动化的发展。 采用数字技术进行机械加工，最早是在40年代初，由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司（ParsonsCorporation）实现的。他们在制造飞机的框架及直升飞机的转动机翼时，利用全数字电子计算机对机翼加工

7、路径进行数据处理，并考虑到刀具直径对加工路线的影响，使得加工精度达到0.0381mm（0.0015in），达到了当时的最高水平。 1952年，麻省理工学院在一台立式铣床上，装上了一套试验性的数控系统，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上第一台数控机床。 这台机床是一台试验性机床，到了1954年11月，在派尔逊斯专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克斯公司（Bendix-Cooperation）正式生产出来。 在此以后，从1960年开始，其他一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。PLC即可编程控制器，（Programmable logic

8、Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC因其具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低等显著特点，因此运用PLC控制数控机床已越来越成为一种趋势。因此本文介绍的即是数控机床的PLC设计。从数控机床的基本组成和工作原理出发，让读者先从整体上大概了解下数控机床和PLC有关概念，并以C5112B立式车床为例，详细说明了数控机床的PLC设计，并给出了PLC的硬件电路图和软件程序。并且举例说明了一些PLC在数控机床上的故障维修方法，供读者参考。通过本文达到让读者能够了解数控机床的

9、PLC设计方法的目的。1 数控机床的组成、工作原理、分类及特点.61.1 数控机床的组成及工作原理.61.1.1 数控机床的组成.61.1.2 数控机床的工作原理81.2 数控机床的分类.131.3 数控机床的特点.131.4 小结132 计算机数控系统152.1 概述.172.1.1 CNC系统的组成172.1.2 CNC系统的功能和一般工作过程172.2 计算机数控中的可编程逻辑控制器.212.2.1 PLC及其工作过程212.2.1.1. PLC的基本功能.222.2.1.2. PLC的基本结构.242.2.1.3. PLC的工作过程.272.2.1.4. PLC的规模和几种常用名称.2

10、92.2.2 PLC在数控机床上的应用.302.2.3 机床控制程序的设计流程332.3 小结.343 PLC在立式车床中应用的系统设计.353.1 立式车床概况.353.2 PLC应用于立式车床的现实意义.353.3 C5112B立式车床运行机构简介.363.4 PLC 控制系统的设计37 3.4.1 硬件设计.373.4.2 软件设计.393.5 程序调试.443.6 小结.444 PLC在数控机床上故障维修方法454.1 与PLC有关的故障特点.454.2 与PLC有关故障检测方法.454.2.1 根据故障号诊断故障.464.2.2 根据动作顺序诊断故障464.2.3 根据控制对象的工作

11、原理诊断故障.464.2.4 根据PLC的I/0状态诊断故障.474.2.5 通过梯形图诊断故障.474.2.6 动态跟踪梯形图诊断故障.474.3 小结.475 总结.50参考文献.51致谢.52附录.531、数控机床的组成、工作原理、分类及特点1.1 数控机床的组成及工作原理 1.1.1 数控机床的组成1 数控机床的概念数控即数字控制(Numerical Control，简称NC)。数控技术即NC技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机数控(Computerized Numerical Control，简称CNC)是指用计算机实现部分或全部的数控功能。采用数控技术的自动控

12、制系统为数控系统，采用计算机数控技术的自动控制系统为计算机数控系统，其被控对象可以是生产过程或设备。如果被控对象是机床，则称为数控机床。数控机床的加工过程是：将所需的多个操作步骤(如机床的启动或停止、主轴的变速、工件的夹紧或松开、刀具的选择和交换、切削液的开或关等)和刀具与工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码来表示，按规定编写零件加工程序并送入数控系统，经分析处理与计算后发出相应的指令控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。2 数控机床的组成(1) 程序编制及程序载体数控程序由数控机床自动加工零件所需工作指令组成，包含切削过程中所必需的机械运动、零件轮廓尺

13、寸、工艺参数等加工信息。编制程序的工作可以人工进行，也可以在数控机床以外用计算机自动编程系统来完成。对于几何形状比较简单的零件，程序段不多，可以采用手工编程；对于比较复杂特别是空间曲面零件，由于手工编程繁琐而费时，且易出错，需采用自动编程的方法。 (2) 输入装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码信息转换成相应的电脉冲信号并传送至数控装置的存储器。根据程序控制介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、录放机或软盘驱动器。最早使用光电阅读机对穿孔纸带进行阅读，之后大量使用磁带机和软盘驱动器。有些数控机床不用任何程序存储载体，而是将程序清单的内容通过数控装置上的键盘，用手工的方式输入。也可以用通信

14、方式将数控程序由编程计算机直接传送至数控装置。 (3) 数控装置数控装置是数控机床的核心，包括微型计算机、各种接口电路、显示器等硬件及相应的软件。它能完成信息的输入、存储、变换、插补运算以及各种控制功能。数控装置接受输入装置送来的脉冲信号，经过编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令来控制机床的各个部分，并按程序要求实现规定的、有序的动作。这些控制信号是：各坐标轴的进给位移量、进给方向和速度的指令信号；主运动部件的变速、换向和启停指令信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停，工件和机床部件松开、夹紧，分度工作台转位等辅助信号等。 数控装置具备的功能有： 多坐标控制； 实现多种

15、函数的插补； 信息转换功能，如英制/公制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换； 补偿功能，如刀具半径补偿、长度补偿、传动间隙补偿、螺距误差补偿； 多种加工方式选择，如可以实现各种加工循环、重复加工； 具有故障自诊断功能； 通信和联网功能等。 (4) 强电控制装置强电控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统。其主要作用是接收数控装置输出的主轴变速、换向、启动或停止，刀具的选择和更换，分度工作台的转位和锁紧，工件的夹紧或松开，切削液的开或关等辅助操作的信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件(如电器、液压、气动和机械部件等)，以完成指令所规定的动作，从而实现数控

16、机床在加工过程中的全部自动操作。 (5) 伺服控制装置伺服系统主要完成机床的运动及运动控制(包括进给运动、主轴运动、位置控制等)，它由伺服驱动电路和伺服驱动电机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它接受来自数控装置的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴的进给运动和精确的定位运动，驱动机床执行机构运动。由于是数控机床的最后控制环节，它的性能将直接影响数控机床的生产效率、加工精度和表面加工质量。 (6) 机床的机械部件与传统的普通机床相比，数控机床机械部件有如下几个特点：1) 采用了高性能的主轴及进给伺服驱动装置，机械传动结构得到简化，传动链较短。2) 机械结构具有较高的

17、动态特性、动态刚度、阻尼刚度、耐磨性以及抗热变形性能。3) 较多地采用高效传动件，如滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨等。4) 还有一些配套部件(如冷却、排屑、防护、润滑、照明、储运等一系列装置)和辅属设备(编程机和对刀仪等)。 这些特点较好地满足了数控技术的要求，并能充分适应数控加工的特点，便于实现自动化控制。a. 主传动系统及主轴部件。主传动电机已逐步被变频主轴电机和交流调速电机所代替，不再使用普通的交流异步电机或传统的直流调速电机。由于主轴部件要求实现自动更换刀具或工件，因此主轴上设计有刀具自动夹紧机构。此外还有主轴准停装置。b. 进给系统。由于进给系统传动精度、灵敏性和稳定性将直接影响被加工

18、工件的最后坐标精度和轮廓精度，因此，为减少摩擦阻力，进给系统普遍采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。c. 数控回转工作台。回转工作台通常用来实现数控机床的圆周进给运动，除了用来进行各种圆弧加工或与直线进给联动进行曲面加工外，还可以实现精确的分度。对于自动换刀的多工序加工中心来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。d. 刀具及自动换刀系统。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、自动刀具交换装置、自动交换工作台等部件。由于数控机床是按预先编制的程序自动进行加工的，因而数控机床所用刀具的标准化、系列化以及编程前刀具的选用和加工前刀具的预调等都很重要。此外，自动换刀系统还应满足换刀时间短、刀具重复

19、定位精度高、足够的刀具储存量、刀库占地面积小以及安全可靠等要求。1.1.2 数控机床的工作原理1 工作原理数控机床是一种高度自动化的机床，它在加工工艺与加工表面形成方法上与普通机床基本相同，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上：数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的。在数控机床上加工零件时，首先要将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化。先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数、刀具参数，再按数控机床规定采用的代码和程序格式，将与加工零件有关的信息如工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数(主轴转速、切削进给量、背吃刀量)以及辅助操作(换刀、主轴的正转与反转、

20、切削液的开与关)等编制成数控加工程序，然后将程序输入到数控装置中，经数控装置分析处理后，发出指令控制机床进行自动加工。 2 插补(1) 插补的概念如何控制刀具或工件的运动是数控机床的核心问题。数控机床的信息数字化就是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小单位量，即最小位移量。数控系统按照程序的要求，经过信息处理、分配，使坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。 在数控机床中，刀具的运动轨迹是折线，因此刀具不能严格地沿着所加工的曲线运动，只能用折线以一定的精度要求逼近被加工曲线，当逼近误差相当小时，这些折线之和就接近曲线了。数控机床是以脉冲当量为单位，计算轮廓起点与终点

21、之间的坐标值，进行有限分段，以折代直，以弦代弧，以直代曲，分段逼近，相连成轨迹的。CNC装置每发出一个脉冲，机床执行部件的最小位移量称为脉冲当量。常用机床的脉冲当量为0.010.001 mm/脉冲，脉冲当量越小，数控机床精度越高。各种斜线、圆弧、曲线均可由以脉冲当量为单位的微小直线段拟合而成。 零件的轮廓形状是由各种线形如直线、螺旋线、抛物线、自由曲线等构成的，用户在加工程序中，一般仅提供描述该线形所必需的相关参数。例如，对直线，仅提供起点和终点的坐标值；对圆弧，除必须提供起点和终点的坐标值外，还必须提供圆心相对于起点的位置数值以及圆弧的旋转方向。因此，数控系统必须在运动过程中实时计算出满足线

22、形和进给速度要求的若干中间点(在起点和终点之间)，这就是插补。它实质上是根据有限的信息完成“数据密化”的工作。可将插补定义为：插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间计算中间点的方法。 数控系统对直线进行的插补计算即为直线插补，对圆弧进行的插补计算为圆弧插补，对其他由线进行的插补计算为其他的曲线插补。数控系统能进行哪几种线形的插补计算，即具有哪几种插补功能。目前，绝大多数数控系统只有直线插补功能和圆弧插补功能。因此，数控机床只能作直线进给和圆弧进给，其指令为G01和G02/G03。 (2) 插补方法的分类目前常用的插补方法大致分为两类：脉冲增量插补和数字增量插补。1)

23、脉冲增量插补。主要用于采用步进电机驱动的开环系统。每次插补计算结束，CNC装置向各坐标轴驱动装置发出一个脉冲，驱动步进电机带动机床移动部件运动。其基本思想是：用折线来逼近曲线(包括直线)。 脉冲增量插补每次插补的结果仅产生一个单位的行程增量(一个脉冲当量)。以一个个脉冲的方式输出给步进电机。脉冲增量插补的插补速度与进给速度密切相关，还受到步进电机最高运行频率的限制。脉冲增量插补的实现方法较为简单，比较容易用硬件来实现，也有用软件来完成这类算法的。这类插补算法有逐点比较法、最小偏差法、数字积分法等。逐点比较法的基本原理是：数控系统在控制加工过程中，逐点计算和判别加工误差，与规定的运动轨迹进行比较

24、，由比较结果决定下一步的移动方向。这种算法的特点是：运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便。因此，逐点比较法在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。 2) 数字增量插补。主要用于采用交、直流伺服电机为伺服驱动系统的闭环、半闭环数控系统，也可以用于以步进电机为伺服驱动系统的开环数控系统。目前所使用的CNC系统中，大多采用这类插补方法。CNC装置产生的不是单个脉冲，而是标准的二进制数。其基本思想是，用直线段来逼近曲线(包括直线)。 采用数字增量插补时，插补程序以一定的时间间隔定时进行。根据编程的速度将轮廓曲线分割为插补采样周期的进给段即轮廓步长，用弦线和

25、割线逼近轮廓轨迹。在每一插补周期内，插补程序被调用一次，计算出各坐标轴在下一插补周期内的位移增量(数字量而不是单个脉冲)X、Y等，然后再计算出相应插补点位置的坐标值。插补运算速度与进给速度无严格的关系，因此可以达到较高的进给速度。数字增量插补的实现算法较脉冲增量插补复杂，对计算机的运算速度有一定要求。这类插补算法有数字积分法、二阶近似插补法、时间分割法等。1.2 数控机床的分类 1按工艺方式分类(1) 金属切削类数控机床这类数控机床如数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、数控钻床、数控齿轮加工机床、加工中心等。尽管这些机床在加工工艺方面存在很大差异，具体的控制方法也各不相同，但它们都适合于单

26、件、小批量和多品种的零件加工，具有很高的生产率和自动化程度。 (2) 金属成型类数控机床这类数控机床如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床等。(3) 数控特种加工及其他类型机床这类数控机床如数控线切割机床、数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控电火花加工机床等。 2按控制系统运动方式分类按控制方式分，最常用的数控机床可分为以下三类：(1) 开环数控机床这类数控机床采用开环进给伺服系统。其数控装置发出的指令信号是单向的，没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测，不能进行运动误差的校正，因此步进电机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。 这类机床通常为经济型、中小型机床，具有结构简单、价格低廉、调试方便等优点，但通常输出的扭矩值大小受到限制，而且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制，因此已不能充分满足数控机床日益提高功率、运动速度和加工精度的控制要求。图1-1是开环控制的系统框图。 图1-1 开环控制的系统框图(2) 闭环数控机床这类机床的位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号