基于立式加工中心的數控設計畢業(yè)設計論文

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1、 畢業(yè)設計（論文） 設計（論文）題目： 基于立式加工中心的數控設計 66 重慶郵電大學本科畢業(yè)設計（論文） 摘 要 數控技術作為現代制造業(yè)的核心技術之一，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用，在機械制造行業(yè)當中，數控加工中心由于可以以較高的精度實現多工種加工已經成為現代機械制造業(yè)中不可缺少的加工設備。本文在選用三菱公司的PLC及M64S數控系統的基礎上，設計了立式加工中心的CNC數控系統的硬件外圍電路，同時利用三菱公司的DX-developer開發(fā)工具進行了PLC梯形圖編程和仿真。本文主要從硬件電路和PLC程序兩大部分來撰寫，

2、PLC程序又包括程序的編寫和仿真，這是本論文最重要的部分，其中PLC控制程序又是本次畢業(yè)設計的難點，分別在第三章和第四章。 【關鍵詞】 M64S數控系統 加工中心 PLC梯形圖 I/O接口電路 ABSTRACT In todays machinery manufacturing developing process, the CNC technology is one of the core technologie

3、s. CNC Machining Center has become a modern control indispensable processing equipment, To meet the needs of machining accuracy regardless of the structure or mechanical control system is a very high demand CNC systems with high reliability and precision by a wide range of users of all ages. Based o

4、n Mitsubishi M64S NC system for the processing center, I introduced processing center structure, NC system specifications, and PLC selection, then use relative materials of Mitsubishi M64S numerical control system to design Vertical Machining Centers main circuit, controlling circuit and private ser

5、vers circuit. And design corresponding PLC procedure simultaneously. Finally, we use DX-developer to edit PLC and emulate. In this paper, I write it in two parts: the hardware circuits and PLC programs. And PLC program includes procedures for the preparation and simulation, which is the most importa

6、nt part of this thesis. What’s more, PLC control program is one difficult part of this research, and it is discussed in Chapter III and IV respectively. 【Keywords】 M64S numerical control system machining centre control program circuitry 目 錄 前 言 1 第一章 CNC數控系統概

7、述 2 第一節(jié) CNC數控系統相關介紹 2 一、CNC數控基本概念 2 二、數控系統的組成 3 三、數控加工中心的優(yōu)缺點 4 四、數控技術發(fā)展回顧及未來發(fā)展趨勢 5 第二節(jié) PLC的選型 6 一、輸入輸出（I/O）點數的估算 6 二、存儲器容量的估算 6 三、控制功能的選擇 6 四、機型的選擇 8 五、冗余功能的選擇 9 六、經濟性的考慮 9 第三節(jié) 數控系統介紹 9 一、三菱數控產品簡介 9 二、三菱M64S數控系統簡介 10 第四節(jié) 本章小結 13 第二章 立式加工中心電氣原理圖設計 14 第一節(jié) 數控加工中心設計概述 14 第二節(jié) 數控

8、加工中心主回路/電氣控制回路 16 一、主回路/電氣控制回路簡述 16 二、主回路/電氣控制回路圖 16 第三節(jié) 本章小結 19 第三章 數控加工中心PLC控制程序設計 20 第一節(jié) 三菱數控系統軟件配置 20 一、信號流程簡述 20 二、信號流程圖 20 第二節(jié) 數控加工中心輸入輸出信號地址 22 第三節(jié) 數控加工中心PLC控制程序設計步驟 27 第四節(jié) 數控加工中心PLC控制程序說明 28 一、加工中心方式選擇 28 二、加工中心定時器程序 32 三、進給軸工作狀態(tài)選擇 33 四、加工中心進給軸運動方向指示燈程序 34 五、加工中心手輪選擇及其

9、倍率設定 35 第五節(jié) 本章小結 40 第四章 M64S數控系統仿真 41 第一節(jié) GX Developer軟件使用說明 41 一、GX Developer軟件的安裝 41 二、GX Developer軟件的開啟步驟與設定 41 三、GX Developer軟件的編程操作說明 42 第二節(jié) PLC程序的仿真 44 一、PLC控制程序的傳輸 44 二、仿真結果 44 第三節(jié) 本章小結 46 結 論 47 致 謝 49 參 考 文 獻 50 附錄 51 一、英語資料原文 51 二、英語原文翻譯 59 前 言 數控系統

10、是現代制造系統的重要支柱之一，然而數控機床又是現代機械制造技術不可缺少的設備，它的核心是數控系統。本章針對數控技術、數控機床、數控系統的概念及發(fā)展情況做簡要的介紹,同時也簡要介紹關于PLC選型的方法。近年來由于數控機床的快速發(fā)展，國外交直流系統數字化已經達到實用階段。當今的計算機行業(yè)高速發(fā)展，并且計算機行業(yè)已經基本成熟，所以數控還是以PC為基礎，開發(fā)以PC為基礎的控制器，這樣控制器可以將數控系統與PC直接連接，這樣可以直接實現數據的傳輸，大大提高了控制器的能力，因此，在其機械行業(yè)獲得了越來越廣泛的應用。

11、 第一章 CNC數控系統概述 第一節(jié) CNC數控系統相關介紹 一、CNC數控基本概念 1、數控技術 數控技術是利用數字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。是指用數字、文字和符號組成的數字指令來實現一臺或多臺機械設備動作控制的技術。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量有關的開關量。數控的產生依賴于數據載體和二進制形式數據運算的出現。1908年，穿孔的金屬薄片互換式數據載體問世；19世紀末，以紙為數據載體并具有輔助功能的控制系統被發(fā)明；1938年，香農在美國麻省理工學院進行了數據快速運算和傳輸，奠定了現代計算機，包括計算機數字控制系統的基礎。數

12、控技術是與機床控制密切結合發(fā)展起來的，1952年，第一臺數控機床問世，成為世界機械工業(yè)史上一件劃時代的事件，推動了自動化的發(fā)展。 如今，數控技術也叫計算機數控技術，目前它是采用計算機實現數字程序控制的技術。這種技術用計算機按事先存貯的控制程序來執(zhí)行對設備的控制功能。由于采用計算機替代原先用硬件邏輯電路組成的數控裝置，使輸入數據的存貯、處理、運算、邏輯判斷等各種控制機能的實現，均可以通過計算機軟件來完成。 2、數控系統 數控是數字控制（Numerical Control NC）的簡稱。數控系統包括：數控裝置、可編程控制器、主軸驅動器及進給裝置等部分。從廣義上講，是指利用數字化信息實行控制，

13、也是利用數字控制技術實現的自動控制系統，其被控對象可以是各種生產過程。從狹義上理解，就是利用數字化信息對機床軌跡和狀態(tài)實行控制，例如數控車床、數控銑床、數控線切割機床、數控加工中心等。隨著自動控制理論、電子技術、計算機技術、精密測量技術和機械制造技術的發(fā)展，數控技術正朝著高速度、高精度、智能化、開放型以及高可靠性等方向迅速發(fā)展。 3、數控機床 數控系統與被控機床本體的結合體稱為數控機床。國際信息處理聯盟（International Federation Of Information Processing）第五技術委員會對數控機床做出如下定義：數控機床是一個裝有程序控制系統的機床，該

14、系統能夠邏輯的處理使用代碼，或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。也就是說，數控機床是一種采用計算機，利用數字信息進行控制的高效、能夠進行自動化加工的機床，它能夠按照機床規(guī)定的數字化代碼，把各種機械位移量、工藝參數、輔助功能表示出來，經過數控系統的邏輯處理和運算，發(fā)出各種控制指令，實現要求的機械動作，自動完成零件加工任務。所以，數控機床是一種靈活性很強、技術密集型及自動化程度很高的機電一體化加工設備。 二、數控系統的組成 數控系統一般由輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服系統（驅動控制裝置）、機床電器邏輯控制裝置所組成，機床本體為被控對象，它的結構框圖如圖1.1所示： 1、輸入裝置/輸出裝置

15、 圖1.1 數控系統結構框圖 輸入裝置將數控加工程序等各種信息輸入數控裝置，輸入的內容及數控系統的工作狀況可以通過輸出裝置進行觀察?，F在數控系統主流的輸入/輸出裝置有磁盤驅動器、通訊網絡接口、LCD及各種顯示器件等。 2、數控裝置 數控裝置是數控系統的核心。它的主要功能是：正確識別和解釋數控加工程序，對解釋結果進行各種數據計算和邏輯判斷處理，完成各種輸入、輸出任務。其形式可以是由數字邏輯電路構成的專用硬件數控裝置或計算機數控裝置。前者稱為硬件數控裝置，或NC裝置，其數控功能有硬件邏輯電路實現；后者稱為CNC裝置，其數控功能有硬件和軟件共同實現。數控裝置將數控加工程序按兩類

16、控制信息分別輸出：一類是連續(xù)控制量，送往驅動控制裝置；另一類是離散的開關控制量，送往機床電器邏輯控制裝置。 3、伺服系統 伺服系統(驅動控制單元)位于數控裝置和機床本體之間，包括進給軸伺服驅動裝置和主軸伺服驅動裝置。進給軸伺服驅動裝置由位置控制單元、速度控制單元、電動機和測量反饋單元等部分組成，它按照數控裝置發(fā)出的位置命令和速度控制命令正確驅動機床受控部件的移動。主軸驅動裝置主要由速度控制單元組成。 4、機床電器控制裝置 機床電器控制裝置位于數控裝置和機床之間，接受數控裝置發(fā)出的開關命令，主要完成機床主軸選速、起停和方向控制信號，換刀功能，工件裝夾功能冷卻、液壓、氣動、潤滑系統控制功

17、能以及機床其他輔助功能。其形式可以是繼電器控制線路或可編程邏輯控制器(PLC)。 根據不同的加工方式，機床本體可以是車床、銑床、鉆床、磨床、鏜床、加工中心及電加工機床等。與傳統的普通機床相比，數控機床本體的外部造型、整體布局、傳動系統、刀具系統及操作機構等方面都應該符合數控的要求。 數控機床還配有各種輔助裝置，其作用是配合機床完成對工件的加工。如切削液或油液系統中的冷卻或過濾裝置，油液分離裝置，吸塵吸霧裝置、潤滑裝置及輔助主機實現傳動和控制的氣動、液動裝置等。除上述通用輔助設備外，從目前數控機床技術現狀看，至少還有五類輔助裝置是數控機床應該配備的：對刀儀、自動編程機、自動排屑機、物料儲運及

18、上下料裝置和交流穩(wěn)壓電源。 現代數控系統采用可編程邏輯控制器（PLC）取代了傳統的機床電器邏輯控制裝置，即繼電器控制線路，用PLC控制程序實現數控機床的各種繼電器控制邏輯。PLC可位于數控裝置之外，稱為獨立型PLC；也可以與數控裝置合為一體，稱為內裝型PLC。 三、數控加工中心的優(yōu)缺點 數控技術的發(fā)展已經有50多年的歷史了，經過多次修正，如今它已經很成熟了。在這50年里，它沒有被社會發(fā)展所淘汰，證明它有許多優(yōu)點，而且它的優(yōu)點是無可取代的。加工中心具有精度高、定位準確、多工種加工、對操作者的技術要求低、能適應中、小批量結構復雜、精度高的加工、對工時估算容易、生產精度掌握容易。 四、數

19、控技術發(fā)展回顧及未來發(fā)展趨勢 1、數控（NC）階段（1952-1970年） 早期的計算機運算速度低，這對當時的科學計算和數據處理影響不大，但不能適應機床實時控制的要求。于是，人們不得不采用數字邏輯控制電路，組成機床專用計算機。這種數控裝置稱為硬件連接數控裝置(HARD-WIRED NC)，簡稱為數控(NC)。隨著電子元器件的發(fā)展，這個階段又經歷了三代：1952年的第一代 — 電子管計算機組成的數控裝置；1959年的第二代 — 晶體管計算機組成的數控裝置；1965年的第三代 — 小規(guī)模的集成電路計算機組成的數控裝置。 2、計算機數控（CNC）階段（1970年-至今） 1970 年研制成

20、功了大規(guī)模集成電路，并將其用于通用小型計算機。此時的小型計算機，其運算速度比以往的計算機有了大幅度的提高，比專用計算機成本低、可靠性提高。于是，小型計算機作為數控系統的核心部件，數控機床進入了計算機數控（CNC）階段。1971年，美國INTEL公司在世界上的第一次將計算機的兩個核心的部件—運算器和控制器，采用大規(guī)模的集成電路控制技術，將其集成在一塊芯片上，稱為微處理器（Microprocessor），又稱中央處理單元CPU。1974年，微處理器應用于數控系統。 雖然早期的微處理器速度和功能對數控裝置來說有局限性，但可以通過多處理器結構來解決相應的問題。由于微處理器是計算機的核心部件，故此時的

21、數控系統仍然成為計算機數控。到了1990年，PC機的性能已發(fā)展到很高的水平，可滿足數控系統核心部件的要求，而且PC機的生產批量很大，軟件資源豐富，價格便宜，可靠性高，數控系統從此進入基于PC的階段。 3、未來的發(fā)展 當今的計算機業(yè)的高速發(fā)展，并且計算機業(yè)已經基本成熟，所以數控系統還是以PC為基礎，開發(fā)以PC為基礎的控制器，這種控制器可以將數控系統與PC直接連接，這樣可以直接實現數據的傳輸，大大提高了控制器的能力，還將降低控制器的成本。 控制器還將采用開放式的系統構架，這樣數控機床也可以像今日的計算機業(yè)一樣，用戶可以根據需要自行對數控機床的軟、硬件進行配置，這樣數控機床的功能提升了，價格降

22、低了。同時數控機床還向小型化發(fā)展?？傊?，計算機數控階段也經歷了三代。即1970年的第四代—小型計算機數控系統；1974年的第五代—微處理器組成的數控系統；1990年的第六代—基于PC的數控系統 。 數控系統半個世紀經歷了兩個階段六代大發(fā)展，只是發(fā)展到了第五代以后，才從根本上解決了數控系統可靠性低、價格昂貴、應用很不方便等極為關鍵的問題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達國家，數控機床大規(guī)模地得到應用和普及也是在20世紀的70年代末、80年代初的事情，也就是說，數控技術的發(fā)展和普及經過了近30年。 第二節(jié) PLC的選型 隨著PLC技術的發(fā)展，PLC產品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其

23、結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統的技術經濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮。 一、輸入輸出（I/O）點數的估算 I/O 點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%~20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數進行調整。 二、存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲

24、器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，大體上都是按數字量I/O 點數的10~15倍，加上模擬I/O 點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。 三、控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。 1、運算功能 簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通PLC的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型PL

25、C中還有模擬量的PID運算和其他高級運算功能。大多數應用場合，只需要邏輯運算和計時計數功能，有些應用需要數據傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數運算，數值轉換和PID運算等。要顯示數據時需要譯碼和編碼等運算。 2、控制功能 控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單向路或多向路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 3、通信功能 大中型PLC系統應支持多種現場總線和標準通信協議。PLC系統的通信接口應包括串行

26、和并行通信接口、RIO通信口、工業(yè)以太網、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線(含接口設備和電纜)應1：1冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現場總線、工業(yè)以太網）通信處理器。 4、編程功能 離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周

27、期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 5、診斷功能 PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。 6、處理速度 PLC采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則PLC將掃描不到該信號，造成信號數據的丟失。處理速度與用戶程

28、序的長度、CPU處理速度、軟件質量等有關。 四、機型的選擇 1、 PLC的類型 PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環(huán)境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā)，通常可按控制功能或輸入輸出點數選型。 整體型PLC的I/O點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統的I/O點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。 2、 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，

29、應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。 3、電源的選擇 一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內電網電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的。 4、存儲器的選擇 為保證應用

30、項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。 五、冗余功能的選擇 1、控制單元的冗余 重要的過程單元：CPU(包括存儲器)及電源均應1比1冗余；在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統、2重化或3重化冗余容錯系統等。 2、 I/O接口單元的冗余 控制回路的多點I/O卡應冗余配置；重要監(jiān)測點的多點I/O卡可冗余配置；對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。 六、經濟性的考慮 選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經濟性時，應同時考慮應

31、用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。輸入輸出點數對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數增加到某一數值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮，使整個控制系統有較合理的性能價格比。 第三節(jié) 數控系統介紹 一、三菱數控產品簡介 三菱公司是國際上有影響力的著名企業(yè)，其生產的產品以性能好、質量穩(wěn)定可靠獲得廣大用戶的一致好評，近幾年來，三菱電機公司加大了在中國大陸推廣CNC數控系統的力度。 數控機床的核心是控

32、制器，三菱公司推出了高質量、高性價比的CNC系統，它提供了豐富而先進的功能。目前在中國市場推廣使用的有普及型的E60系列，高性能的M60S系列數控系統，以及用于汽車生產線的高檔C64 CNC數控系統，今年又推出了E68、M700等系列CNC數控系統。 二、三菱M64S數控系統簡介 1、數控加工中心結構 數控加工中心的結構框圖如圖1.5所示： 圖1.5 數控加工中心電氣組成結構框圖 由圖1.5結構框圖可知，加工中心電氣組成分別由CNC數控系統，進給伺服軸，主軸及其他軸電力電器、電機等組成。 2、三菱M64S數控系統規(guī)格 三菱M64S數控系統主要規(guī)格參數見下表1.1：

33、 表1.1 三菱M64S數控系統主要規(guī)格 車削系統 鉆削系統、銑削系統 型號 M64SL M64SM 最大控制軸數 14 7 最大NC軸數 12 6 最大主軸數 4 最大PLC軸數 2 同時聯動軸數 4 輔助軸數 4 PLC開發(fā)工具 GX Developer 程序存儲容量（標準/最大） 40/5120 顯示單元 單色CRT （9寸） 單色LCD（7.2寸 10.4寸） 彩色LCD（10.4寸） MELSEC網絡 CC-LINK 3.三菱M64S數控系統結構 三菱M64S數控系統具有一般通用數控系統的結構,分別由控制單元/顯示

34、單元、基本I/O單元、伺服驅動單元、伺服電機、遠程I/O單元、RS-232等設備組成，如圖所示： 圖1.6(a) 三菱M64S數控系統結構 三菱M64S數控數控系統的功能強大，故當其用于加工中心時的各功能組件也很多，有些組件在本次設計中并未遇到，所以在此次設計中可將系統結構稍作簡化，如圖1.6（b）所示，每一個單元的安裝與連接在下面章節(jié)均有介紹。 圖 1.6（b） 三菱M64S數控系統結構 4、三菱M64S數控系統的特點 （1）所有M64S系列控制器都標準配備了RISC 64 位CPU，具備目前世界上最高水準的硬件性能。 （2）高速高精度即能對應，尤為適合模具加工。

35、 （3）SSS（Super Smooth Surface）超高平滑表面控制，大幅改善模具加工精度及時間要求。 （4）標準內藏對應全世界主要通用的12種多國語言操作界面。 （5）可對應內含以太網絡和IC卡界面，即使在程序運轉中，所有內藏資料都可以傳輸對立。 （6）坐標顯示轉換可自由切換（程序值顯示或手動插入量顯示切換） （7）標準內藏波形顯示功能，工件位置坐標及中心點測量功能。 （8）緩沖區(qū)修正機能擴展，可對應HPS/計算機鏈接B/DNC/記憶/MDI等模式。 （9）圖形顯示機能改進；可含有刀具路徑資料，以充分顯示工件坐標及刀具補償的實際位置。 （10）簡易式對話程序軟件。 （1

36、1）可對應Windows操作環(huán)境的PLC開發(fā)軟件GX Developer。 （12）特殊G代碼和固定循環(huán)程序，如G12/13，G34/35/36，G37.1等。 （13）新機能擴展追加，根據市場，滿足客戶請求，詳細給營業(yè)單位。 第四節(jié) 本章小結 本章主要介紹CNC數控系統的基本概念、組成和特點，經過對PLC選型方法的介紹，我選擇了三菱M64S作為此次立式加工中心設計的中心部分，三菱M64S數控系統是目前比較先進的控制系統，同時我也列出了三菱M64S的一些特點。對CNC系統有了一定的了解后，我們就可以設計其電氣原理圖和主電路圖。

37、 第二章 立式加工中心電氣原理圖設計 第一節(jié) 數控加工中心設計概述 數控加工中心擁有較為復雜的機械結構，它需要多個電機來完成其相應的功能，比如：刀臂電機、刀庫電機、切削液電機、主軸冷卻液電機、排屑電機以及主軸和進給軸的伺服電機等。這些電機的功率大小和速度都是根據數控加工中心的機械結構來選擇的。在本次畢業(yè)設計中是基于數控加工中心510來進行的，所以進給軸驅動使用MDS-B-SPJ2-37，進給軸電機X、Y軸使用型號為HC152T-A47的伺服電機，Z軸使用型號為HC152BT-A47與其他兩進給軸之間的區(qū)別在于有包閘功能,主

38、軸驅動單元型號為MDS-B-SPJ2-37，主軸電機型號SJ-PF3.7-01。 數控加工中心的核心部分是控制單元，本畢業(yè)設計中選用三菱M64S數控系統，它包括控制單元FCA65S、監(jiān)控單元FCU6-DUN33+KB20/KB30、基本I/O單元FCU6-DX451、手輪HD-60。通過他們之間的共同作用可以控制加工中心各個運動部件和加工部件。 加工中心的電氣控制設計如圖2.1所示，共有以下幾個部分組成，包括CNC電路，電器主電路，PLC和 I\O接口電路等，三菱M64S控制單元，它是整個數控系統的核心，是對數據進行操作和運算，并輸出相關命令等。顯示單元主要是顯示有關信息，以便人機交互。基

39、本I\O單元主要是NC系統與操作面板機床纖維開關，指示燈等之間信號的傳輸。其內部軟件設計主要是PLC程序和各個NC參數的設定。 加工中心電氣總框圖如下： 圖2.1 加工中心電氣圖 第二節(jié) 數控加工中心主回路/電氣控制回路 一、主回路/電氣控制回路簡述 作為通用數控加工中心，在主回路部分我設計了冷卻電機和排屑電機，分別由相應的接觸器控制其運轉，同時電機要接地。 電氣控制回路部分控制電壓220V由電源直接供電。該部分我設計了伺服電源控制電路、24V電源控制電路、冷卻控制電路、排屑控制電路、刀庫、刀臂電路及照明電路。其中伺服電源控制回路與NC電源是分開控制。照明2

40、4V電源通過變壓器提供。 二、主回路/電氣控制回路圖 1、主電路 如圖2.2為數控加工中心主回路，圖中的幾個電機為三相交流異步電機額定電壓是380V，是依照數控加工中心510的機械結構選擇的，在伺服部分，由于在本次畢業(yè)設計中選用的驅動以及進給電機和主軸電機是日本三菱公司生產的，所以其額定電壓為三相220V交流，故需要加變壓器來獲得相應的電壓，變壓器的功率最小值為伺服強電部分中各電器功率之和的1.2倍。如圖2.2 所示： 圖2.2 主電路 2、電氣控制單元回路及電路總圖 如圖2.3所示，是電氣控制電路，也就是說在加工中心要完成的各項動作都是PLC的輸出與這個電路

41、相聯系才能實現的，圖中的PLC輸出地址單元為Y28、Y12、YA、YB、Y2D、YF、Y2A、Y2C、Y27等，這些是在PLC程序中規(guī)定的相應的地址，通過控制面板上的輸入觸點的信號輸入來控制對應的輸出。例如：刀庫正轉信號Y2D，當其有信號輸出時，其下面所連接的繼電器線圈KA4通電且二極管作為指示燈發(fā)光，圖2.3中繼電器的常開觸點閉合，接觸器線圈KM4通電，所以主電路（圖2.2）中接觸器KM4主觸點接通刀庫電機正轉，其他原理相同。 在數控加工中心中，三個進給軸由于機械結構的限制，一定要有相應的限位開關，每個軸在正負方向上都是需要的，所以在這里我有限位開關SQX-1、SQX-2、SQY-1、SQ

42、Y-2、SQZ-1、SQZ-2來表示，當加工中心運行范圍超過這幾個限位開關時，其常閉開關打開，繼電器KA9線圈停止通電，其常開觸點閉合，相應的伺服強電部分停止運作，在將加工中心做相應的調整之后要解除超程，按鈕SB2可完成這一功能。 圖2.3 電氣控制單元回路 圖2.4 電路總圖 第三節(jié) 本章小結 本章著重介紹了加工中心機械部分包括電機等電氣設備連接圖的設計，同時也設計了電氣控制回路和主電路圖。在本次畢業(yè)設計中，電氣原理圖的設計是很重要的一部分，此

43、部分主要是我的搭檔負責設計的，此外PLC控制程序也是立式加工中心必不可少的一部分，我主要負責對這部分的設計。 第三章 數控加工中心PLC控制程序設計 第一節(jié) 三菱數控系統軟件配置 一、信號流程簡述 為了更全面的了解三菱數控系統如何的運作，我們需要對其內部的信號流程有整體的認識。從信號流程圖可以看出，一臺數控加工中心內部信號的交換大體可以劃分三部分，即控制器、機器/機器操作面板、可編程邏輯控制器(PLC)。其中控制器與 PLC之間的信號是數控系統內部規(guī)定的，

44、不提供開發(fā)，控制器向PLC輸入X信號(X180之后的信號)，用于系統向PLC輸入執(zhí)行命令，PLC向控制器輸出Y信號(Y180之后的信號)，要具體應用得通過查閱PLC接口手冊；機器/機器操作面板與可編程邏輯控制器的信號只有X、Y信號，即一些開關量的輸入輸出信號，這些信號要通過工程人員的開發(fā)實現某種功能，控制器與機器/機器操作面板之間不存在直接的信號交換。 二、信號流程圖 信號流程圖是根據數控機床系統信息交換繪制而成，它讓我們可以更直觀的了解數控機床內部信息的流向，如圖3.1所示： …………………

45、 （掃描時間程序大小而定） 7.1毫秒一次 在高速處理程序的標題處開始傳輸 （7.1毫秒一次） 在主程序的標題處開始傳輸 Y Y X X X Y 機器/機器操作面板 內部繼電器、鎖存寄存器等（M、F、L。。。） 機器的輸入/輸出信號（X,Y） 高速程序 主程序 梯形圖 控制器和機器的輸入/輸出信號（X,Y） 在控制器中輸入的信號 ………….. 輸出 控制器內信號 控制器 PLC DDB 圖3.1 信

46、號流程圖 第二節(jié) 數控加工中心輸入輸出信號地址 三菱M64S數控系統的輸入輸出的硬件有基本I/O單元、遠程I/O單元。三菱M64S數控系統提供給工程技術人員開發(fā)的最大數字輸入信號256個，最大數字輸出信號240個，包括基本I/O單元和遠程I/O單元。要作說明的是PLC開關，我們在屏幕上可以設定32個PLC開關并執(zhí)行開/關操作。這些開關可以作為機床操作開關的一部分，其用途可以由PLC程序自由定義，每個開關的名稱可以隨PLC確定并顯示在屏幕畫面上。 在設計中我所使用的控制面板如圖3.2所示： 圖3.2 控制面板 至于CNC到PLC的信號和PLC到CNC的信號，

47、由于信號都是固定，工程人員一般是不可以開發(fā)的。通過查閱三菱數控系統PLC手冊即可。我將控制面板上的一些輸入信號地址規(guī)定如下表。 表3.1 HR337 INPUT DI1 （操作面板信號） 元件 信號簡稱 信號名稱 元件 信號簡稱 信號名稱 X0 MODE SELECT(A) B20 X10 F5 F5功能 A20 X1 MODE SELECT(F) B19 X11 +X X軸正方向 A19 X2 MODE SELECT(B) B18 X12 保留 A18 X3 RAPID TRAVERSE(A)

48、 B17 X13 -X X軸負方向 A17 X4 RAPID TRAVERSE(F) B16 X14 O T REL 過行程解除 A16 X5 SPINDL OVERRIDE(A) B15 X15 +Y Y軸正方向 A15 X6 SPINDL OVERRIDE(F) B14 X16 -Z Z軸負方向 A14 X7 SPINDL OVERRIDE(B) B13 X17 +4 第四軸正方向 A13 X8 MST NCRESET系統使用 B12 X18 F6 F6功能 A12 X9 FEEDRATEO

49、VERRI(A) B11 X19 O R I 主軸定位 A11 XA FEEDRATEOVERRI(F) B10 X1A SP CCW 主軸反轉 A10 XB FEEDRATEOVERRI(B) B09 X1B SP STOP 主軸停止 A09 XC FEEDRATEOVERRI(E) B08 X1C SP CW 主軸正轉 A08 XD -4 第四軸負方向 B07 X1D S B K 單節(jié)程式執(zhí)行 A07 XE +Z Z軸正方向 B06 X1E M01 選擇性停止 A06 XF -Y Y軸

50、負方向 B05 X1F D R N 試運轉 A05 注：機床鎖定通過接通“機床鎖定”信號加到所有軸 表3.2 HR337 INPUT DI2 (機床輸入信號) 元件 信號簡稱 信號名稱 元件 信號簡稱 信號名稱 X20 B D T 單節(jié)刪除 B20 X30 F4 F4功能 A20 X21 M L K 機器鎖固 B19 X31 保留 A19 X22 Z LOOK Z軸鎖固 B18 X32 保留 A18 X23 A F L 輔助機能鎖固 B17 X33 保留 A17 X24 F1

51、 F1功能 B16 X34 保留 A16 X25 FEED HOID 暫停 B15 X35 保留 A15 X26 CYCLE START 程式啟動 B14 X36 保留 A14 X27 保留 B13 X37 保留 A13 X28 OFF/ON EDIT鑰匙 B12 X38 保留 A12 X29 AUTO 冷卻水自動 B11 X39 保留 A11 X2A MAN 冷卻水手動 B10 X3A 保留 A10 X2B AIR BLOW 氣壓 B09 X3B

52、保留 A09 X2C CHIP CVY 卷切削動作 B08 X3C 保留 A08 X2D MAG CW 刀庫正轉 B07 X3D 保留 A07 X2E F2 F2功能 B06 X3E 保留 A06 X2F F3 F3功能 B05 X3F 急停 急停 A05 注：行程極限的地址基本固定 表3.3 OUTPUT HR3337(操作面板信號) 元件 信號簡稱 信號名稱 元件 信號簡稱 信號名稱 Y0 X軸歸原點 B20 Y10 F5

53、 F5功能 A20 Y1 Y軸歸原點 B19 Y11 +X X軸正行程 A19 Y2 Z軸歸原點 B18 Y12 超程 A18 Y3 第四軸歸原點 B17 Y13 -X X軸負行程 A17 Y4 CLAMP(夾/松刀) B16 Y14 O T REL 過行程解除 A16 Y5 M02/M30 B15 Y15 +Y Y軸正行程 A15 Y6 NC NC報警 B14 Y16 -Z Z軸負行程 A14 Y7 M fail B13 Y17 +4 第四軸正方向 A13 Y8

54、 LUBE 潤滑油報警 B12 Y18 F6 F6功能 A12 Y9 F4 F4功能 B11 Y19 O R I 主軸定位 A11 YA 刀臂正轉 B10 Y1A SP CCW 主軸反轉 A10 YB 刀臂反轉 B09 Y1B SP STOP 主軸停止 A09 YC -4 第四軸負方向 B08 Y1C SP CW 主軸正轉 A08 YD +Z Z軸正方向 B07 Y1D S B K 單節(jié)程式執(zhí)行 A07 YE -Y Y軸負方向 B06 Y1E M01 選擇性停止 A06 YF

55、刀庫反轉 B05 Y1F D R N 試運轉 A05 表3.4 OUTPUT HR337(操作面板信號) 元件 信號簡稱 信號名稱 元件 信號簡稱 信號名稱 Y20 B D T 單節(jié)刪除 B20 A20 Y21 M L K 機器鎖固 B19 A19 Y22 Z LOOK Z軸鎖固 B18 A18 Y23 A F L 輔助機能鎖固 B17 A17 Y24 F1 F1功能 B16 A16 Y25 FEED HOID

56、 暫停 B15 A15 Y26 CYCLE START 程式啟動 B14 A14 Y27 Spindle cool B13 A13 Y28 伺服強電 B12 A12 Y29 AUTO 冷卻水自動 B11 A11 Y2A MAN 冷卻水手動 B10 A10 Y2B AIR BLOW 氣壓 B09 A09 Y2C CHIP CVY 卷切削動作 B08 A08 Y2D MAG CW 刀庫正轉 B07 A

57、07 Y2E F2 F2功能 B06 A06 Y2F F3 F3功能 B05 A05 第三節(jié) 數控加工中心PLC控制程序設計步驟 梯形圖程序的設計是本次設計的重點和難點，在整個開發(fā)工程中，我是按照以下步驟完成PLC程序設計的： 表3.5 三菱數控編程步驟： 1 急停 2 常數及初始脈沖 3 方式:AUTO，MDI，ZRN，JOG，RAPID，INC，DNC 4 自動方式（AUTO，MDI，DNC）手動方式（ZRN，JOG，INC） 5 方式指示燈 6 累積時間，互鎖（Y234，Y235

58、，Y21B，Y21C） 7 閃爍脈沖 8 軸有效（Y188，Y189） 9 +X，+Z，-X，-Z 10 參考點自保處理 11 回參考點指示燈（回時閃爍，到達時常亮） 12 +J，-J（Y1E0，Y1E1，Y1D8，Y1D9） 13 正向移動，反向移動指示燈 14 主軸倍率（Y28F，R28，R108） 15 切削倍率（Y2B7，Y136，Y2B8） 16 手輪倍率 17 手輪類別 18 手輪類別指示區(qū)別 19 快速移動倍率（R134） 20 Y29A，輔助功能鎖定 21 機械鎖定 22 ORT 空運行，（指示燈） 23 BD

59、T Y23F 程序跳過 24 單節(jié)執(zhí)行 Y21A 25 數據鎖定（Y238，Y239，Y23A） 26 自動啟動Y218 指示 27 暫停Y219 指示 28 主軸正轉，反轉（M03，M04，M05，Y2D0，Y2D1） 29 重置，復位，倒帶（Y220，Y222） 30 輔助功能（R20，Y226，Y227） 第四節(jié) 數控加工中心PLC控制程序說明 一、加工中心方式選擇 在操作面板上是用扭轉開關來控制加工中心的工作方式的，來自控制面板輸入量MODE SELECT(A)、MODE SELECT(F)、MODE SELECT(B)，在

60、控制面板內部規(guī)定與此對應的輸入量地址為X0、X1、X2，PLC輸出信號地址從PLC接口手冊中查得，見表3.6 所示： 表3.6 方式選擇列表 方式 X0 X1 X2 DNC方式（Y211） 0 0 0 手輪方式（Y209） 0 0 1 記憶方式MEM（Y210） 0 1 0 快速移動方式（Y22E） 0 1 1 增量方式（Y20A） 1 0 0 JOG方式（Y208） 1 0 1 MDI方式（Y213） 1 1 0 回原點ZRN（Y20C） 1 1 1 由于各個工作方式之間不能同時出現，如若不然可能會出現安全事

61、故，故在編程時需要進行互鎖。梯形圖如圖3.3所示： 圖3.3 方式選擇梯形圖 二、加工中心定時器程序 在數控加工中心中會需要很多指示燈的出現即完成指令時指示燈亮，但在有些指令執(zhí)行中需要一定的時間才能完成，比如刀具在回原點過程當中，需要一定的移動時間，而在移動過程中則需要指示燈閃爍來告訴操作者此時加工中心的工作狀態(tài)，在本次設計中我是采用定時器來完成這一功能的，共使用了六個定時器來滿足加工中心的需要分別為T16、T17、T18、T19、T20、T21，梯形圖如圖3.4所示： 圖3.4 定時器梯形 三、進給軸工作狀態(tài)選擇 在數控加工中心中進給軸

62、有三個即X、Y、Z軸，在數控系統中地址Y188-Y18A分別代表第一、二、三軸有效，置“1”為伺服斷開即伺服電機保持靜止，在操作面板上分別由相應的按鈕來控制各個軸的運動，其輸入地址是自行編訂的，見下表。 表3.7 X11 X軸正向移動 X13 X軸負向移動 X15 Y軸正向移動 X0F Y軸負向移動 X0E Z軸正向移動 X16 Z軸負向移動 由于各個進給軸的運動在很多時候都會用到，比如：回原點的（ZRN方式）或自動方式，所以在本次設計中采用中間繼電器來表示進給軸的運動以便在各種需要的程序段中可以方便的使用，梯形圖如圖3.5所示： 圖3.5 進給軸狀態(tài)選

63、擇梯形圖 四、加工中心進給軸運動方向指示燈程序 在加工中心工作時，各個進給軸自然需要在正負方向移動，為了能夠更明顯的顯示出各種狀態(tài)，我在設計中引進了指示燈，為了區(qū)分指令執(zhí)行過程中和指令執(zhí)行結束，我們需要通過指示燈來區(qū)分。例如：當軸返回原點時，在到達終點之前要相應的指示燈閃爍，等到達終點之后指示燈常亮，程序如圖4.6所示： 圖3.6 回原點指示燈程序 五、加工中心手輪選擇及其倍率設定 在此程序中，PLC地址主要來自控制面板提供的RAPID TRAVERSE(A)、RAPID TRAVERSE(F)，與其對應的輸入量地址為X3、X4。在三菱數控系統中，可使用兩個手輪，在本設計中只

64、采用一個即第一手輪有效，PLC輸出地址為Y24F，而X1E1表示加工中心為JOG方式，當其置“1”時，第一手輪（Y24F）有效。 手輪倍率的選擇有兩種方法，它們取決于元件Y2C7的狀態(tài)，當其接入時采用文件寄存器相乘法，當其斷開時為代碼進給相乘法，這種方法有一定的局限性，即在MP1、MP2、MP4乘法碼中的倍率是固定的，但由于本次設計采用的控制面板是固定的，所以在此選擇前一種方法，通過X3和X4的二進制組合來選通倍率選擇的中間寄存器，接著是將所需的倍率基數傳入文件寄存器R140中，梯形圖如圖3.7所示： 圖3.7 手輪選通和倍率選擇梯形圖 六、加工中心主軸倍率選定程序 在這一

65、部分程序中，我們的PLC地址主要來自于控制面板中的提供的輸入量SPINDL OVERRIDE（A）、SPINDL OVERRIDE（F）、SPINDL OVERRIDE（B），與此對應的輸入量地址為X5、X6、X7。在三菱PLC接口手冊中規(guī)定主軸倍率選定信號為SPS，元件地址為Y28F。SPS信號有兩種設定方法，一種是當常開時，它是用代碼法來實現調速的，當常閉時，它是用文件寄存器法來控制的。在這里我們是用的文件寄存器法。這種倍率選擇法與代碼法比起來主要的好處是倍率可以在0%～200%范圍之間，增量為1%。它將倍率值用二進位碼存入文件寄存器R148中的。圖3.8為主軸倍率選定方法PLC程序梯形圖

66、 在圖中，可以看出數控系統中用X5、X6、X7的通斷組合排列來實現主軸的調速控制，其中它的倍率是直接送到寄存器R148中的，實現的語句為MOV k* R148 ，其中的“*”號為倍率，在語句的實現中只要將要輸入的倍率直接代替*即可： 圖3.8 主軸倍率選定方法PLC程序梯形圖 七、M功能指令的實現 M代碼是由PLC及NC的處理，來決定機臺的動作，現以M碼功能表來舉例如下: 表3.8 代碼 功能 代碼 功能 M00 程序暫停 M01 選擇性程序暫停 M02 程序停止 M03 主軸正轉 M04 主軸反轉 M05 主軸停止 M06 自動換刀執(zhí)行 M08 冷卻液開 M09 冷卻液關 M代碼需要PLC輸入信號X230-X233來選通，它是由NC給與的輸入信號，這個信號表示，第一組MD代碼是根據自動操作（存儲器、MDI、紙帶）加工程序或手動數字命令輸入來接受命令。下面以主軸正、反轉和主軸停止來說明其相應的梯形圖，如圖3.9所示： 圖3.9 M代碼的實現 第五節(jié) 本章小結 本章重