本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第I頁共I頁目錄1引言11.1數(shù)控機(jī)床的概述11.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀31.3FANUC公司介紹51.4BEIJING-FANUCO系統(tǒng)介紹61.5本課題的主要任務(wù)與解決方法92數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)102.1數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)102.2數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)103控制系統(tǒng)驅(qū)動單元設(shè)計(jì)123.1電機(jī)功率計(jì)算123.2電機(jī)類型的選擇143.3伺服單元的選擇153.4伺服單元的接線圖154控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)164.1主電路設(shè)計(jì)164.2控制電路設(shè)計(jì)184.3其他電路的設(shè)計(jì)205控制面板設(shè)計(jì)225.1外部功能區(qū)235.2CNC控制功能區(qū)235.3機(jī)床狀態(tài)指示區(qū)256PMC程序設(shè)計(jì)266.1控制要求266.2變量名的標(biāo)注266.3PMC輸入原理圖277其他標(biāo)件選型設(shè)計(jì)287.1接觸器的選型287.2斷路器的選型287.3其他標(biāo)件的選擇30結(jié)束語31致謝32本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第II頁共II頁參考文獻(xiàn)33本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第1頁共33頁1引言1.1數(shù)控機(jī)床的概述1.1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生隨著社會生產(chǎn)與科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械生產(chǎn)日趨精密且結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜。這不僅增加了對機(jī)床加工精度要求，對機(jī)床加工的靈活性要求也變的更高。仿型機(jī)床基本解決了小批量、復(fù)雜零件的自動化加工問題。但是靠模的制造、安裝和調(diào)整要花費(fèi)許多勞力，而且為小批量生產(chǎn)甚至單件制造靠模也很不經(jīng)濟(jì)。另外，仿型機(jī)床生產(chǎn)出的零件誤差受靠模制造誤差的影響，不能滿足一些高精度零件的加工要求。隨著微電子技術(shù)、自動信息處理技術(shù)、數(shù)據(jù)處理以及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給自動化技術(shù)帶來了新的理念，推動了機(jī)械制造自動化的發(fā)展1。于是，第一臺數(shù)控機(jī)床是為航空工業(yè)制造復(fù)雜零件的需要而產(chǎn)生。1.1.2數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床由四個方面組成：(1)控制介質(zhì)(2)數(shù)控裝置(3)伺服系統(tǒng)(4)機(jī)床本體1.1.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床有以下特點(diǎn)：(1)提高加工精度，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定(2)提高生產(chǎn)效率(3)提高了加工零件的適應(yīng)性、靈活性(4)減輕工人勞動強(qiáng)度(5)提高生產(chǎn)管理水平1.1.4數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向目前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在朝著以下幾個方向發(fā)展：(1)高速度、高精度化。速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第2頁共33頁工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。同時，采用超大規(guī)模的集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。并采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動機(jī)床工作臺的直線伺服進(jìn)給方式，其高速度和動態(tài)響應(yīng)特性相當(dāng)優(yōu)越。采用前饋控制技術(shù)，使追蹤滯后誤差大大減小，從而改善拐角切削的加工精度。為適應(yīng)超高速加工的要求，數(shù)控機(jī)床采用主軸電動機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了變頻電動機(jī)與機(jī)床主軸一體化，主軸電機(jī)的軸承采用磁浮TIMKEN軸承、液體動靜壓進(jìn)口軸承或陶瓷滾動NSK軸承等形式。目前，陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。(2)多功能化。配有自動換刀機(jī)構(gòu)(刀庫容量可達(dá)100把以上)的各類加工中心，能在同一臺機(jī)床上同時實(shí)現(xiàn)銑削、鏜削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋等多種工序加工，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床還采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工。數(shù)控系統(tǒng)由于采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級中斷控制方式，即可在一臺機(jī)床上同時進(jìn)行零件加工和程序編制，實(shí)現(xiàn)所謂的“前臺加工，后臺編輯”。為了適應(yīng)柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的要求，數(shù)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離串行接口，甚至可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對多臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制。(3)智能化。現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床將引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)，根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。具有自診斷、自修復(fù)功能，在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機(jī)等措施，并進(jìn)行故障報(bào)警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。還可以自動使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保無人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。(4)數(shù)控編程自動化。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CADCAM圖形交互式自動編程已得到較多的應(yīng)用，是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的新趨勢。它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，再經(jīng)計(jì)算機(jī)內(nèi)的刀具軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和后置處理，從而自動生成NC零件加工程序，以實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前又出現(xiàn)了CADCAPPCAM集成的全自動編程方式，它與CADCAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必由人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得。(5)可靠性最大化。數(shù)控機(jī)床的可靠性一直是用戶最關(guān)心的主要指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)將本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第3頁共33頁采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模或超大規(guī)模的專用及混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，來提高可靠性。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時采用硬件結(jié)構(gòu)機(jī)床本體的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化及系列化，使得既提高硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。還通過自動運(yùn)行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種診斷程序，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時排除故障；利用容錯技術(shù)，對重要部件采用“冗余”設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù)；利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)生產(chǎn)超程、刀損、干擾、斷電等各種意外時，自動進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。(6)控制系統(tǒng)小型化。數(shù)控系統(tǒng)小型化便于將機(jī)、電裝置結(jié)合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印刷電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度安裝，較大規(guī)模縮小系統(tǒng)的占有空間。而利用新型的彩色液晶薄型顯示器替代傳統(tǒng)的陰極射線管，將使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可以方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機(jī)床的操作使用。1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀自第一臺數(shù)控機(jī)床在美國問世至今的半個世紀(jì)內(nèi)，機(jī)床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展迅速，從1952年至今已發(fā)展了六代。1952年研制成功了第一臺數(shù)控機(jī)床，其數(shù)控系統(tǒng)全部采用電子管元件，稱之為第一代數(shù)控系統(tǒng)。1959年在數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管分離元件和印刷電路板，這使數(shù)控系統(tǒng)步入第二代。1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，使得數(shù)控系統(tǒng)可靠性更高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到了第三代。以上三代都采用專用控制計(jì)算機(jī)的硬接線數(shù)控系統(tǒng)，稱之為硬件系統(tǒng)，統(tǒng)稱為普通數(shù)控（NC）系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，比起專用控計(jì)算機(jī)，在經(jīng)濟(jì)上是合算的，在功能與可靠性上也提高了很多，于是，1970年在美國芝加哥機(jī)床展覽會上首次出現(xiàn)了采用小型計(jì)算機(jī)替代專用控制計(jì)算機(jī)的數(shù)控機(jī)床，即計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）系統(tǒng)。標(biāo)志了第4代系統(tǒng)的出現(xiàn)。后來到1974年出現(xiàn)的微處理器技術(shù)為特征的數(shù)控系統(tǒng)稱為第五代。1990開始出現(xiàn)第六代采用工業(yè)PC的開放式CNC系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可達(dá)到5萬小時以上；(2)基于PC平臺，技術(shù)進(jìn)步快，升級換代容易；(3)提供了開放式基礎(chǔ)，可供利用的軟、硬件資源豐富，使數(shù)控功能擴(kuò)展到很寬的領(lǐng)域(如CAD、CAM、CAPP，連接網(wǎng)卡、聲卡、打印機(jī)、攝影機(jī)等)；(4)對數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠來說,提供了優(yōu)良的開發(fā)環(huán)境，簡化了硬件。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第4頁共33頁在近20多年內(nèi)，在生產(chǎn)中，實(shí)際使用的數(shù)控系統(tǒng)大多是這第五代數(shù)控系統(tǒng)，其性能和可靠性隨著技術(shù)的發(fā)展得到了根本性的提高。從20世紀(jì)90年代開始，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，PC微機(jī)的發(fā)展尤為突出，無論是軟硬件還是外器件的進(jìn)展日新月異，計(jì)算機(jī)所采用的芯片集成化越來越高，功能越來越強(qiáng)，而成本卻越來越低，原來在大，中型機(jī)上才能實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在微型機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)。在美國首先推出了基于PC微機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，即PCNC系統(tǒng)，它被劃入為所謂的第六代數(shù)控系統(tǒng)24。當(dāng)今世界的各種數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下4種類型：(1)傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)的硬件由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行開發(fā)，具有很強(qiáng)的專用性，經(jīng)過了長時間的使用，質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠，目前還占領(lǐng)著制造業(yè)的大部分市場。但由于其采用一種完全封閉的體系結(jié)構(gòu)，往往存在以下缺點(diǎn)：(a)用戶的應(yīng)用、維修以及操作人員培訓(xùn)完全依賴于數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用較高；(b)系統(tǒng)功能的擴(kuò)充以及更新完全依賴于公司的技術(shù)水平，周期比較長；(c)大量市售廉價(jià)通用軟硬件在專用數(shù)控系統(tǒng)上無法使用，功能比較單一5。因此，隨著開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，這種傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)的市場正在受到挑戰(zhàn)，市場份額已經(jīng)在逐漸減小。(2)PC嵌入NC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。如FANUC16i/18i,Simens840D,NumIO60等數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)專用型數(shù)控系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)上具備一些開放性，功能十分強(qiáng)大，但系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，系統(tǒng)價(jià)格也十分昂貴，一般的中小型數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家沒有經(jīng)濟(jì)能力去購買。(3)NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)的硬件部分由開放式體系結(jié)構(gòu)的運(yùn)動控制卡與PC機(jī)構(gòu)成。運(yùn)動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動控制和PLC控制能力。如日本MAZAK公司用三菱電機(jī)的MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL640CNC。這種數(shù)控系統(tǒng)的開放性能比較好，并且對功能進(jìn)行改進(jìn)也比較方便，系統(tǒng)的控制功能主要由運(yùn)動控制卡來實(shí)現(xiàn)，機(jī)床硬件發(fā)生改變時，只需要修改相應(yīng)部分的控制軟件，并且系統(tǒng)性價(jià)比也比較高，能夠滿足大多數(shù)的數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)廠家的需要68。(4)全軟件型的開放式數(shù)控系統(tǒng)。這是一種最新型的開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，所有的數(shù)控功能(包括插補(bǔ)、位置控制等)全部都是由計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的。與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性價(jià)比，因而最有生命力。其典本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第5頁共33頁型產(chǎn)品有美國MDSI公司的OpenCNC、德國PowerAutomation公司的PA8000NT，以及NUM公司的NUM1020系統(tǒng)等9。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢：(1)性能方面的發(fā)展趨勢：(a)高速高精度高效(b)柔性化(c)工藝復(fù)合和軸化(d)實(shí)時智能化(2)功能發(fā)展方面：(a)用戶界面圖形化(b)科學(xué)計(jì)算可視化(c)插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化(d)內(nèi)置高性能PLC(e)多媒體技術(shù)應(yīng)用(3)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：(a)集成化(b)模塊化(c)網(wǎng)絡(luò)化(d)開放式閉環(huán)控制模式101.3FANUC公司介紹早在1956年，日本技術(shù)專家預(yù)見到未來3C(Communication、Computer、Contr01)時代即將到來，一方面集聚有關(guān)人才，另一方面即著手開展這方面的發(fā)展工作。當(dāng)時富士通信制造株式會社(即現(xiàn)在的富士通公司)立即挑選出稻葉右衛(wèi)門(1946年東京大學(xué)機(jī)械系畢業(yè))負(fù)責(zé)控制科研組的工作。1972年，數(shù)控富士通公司獨(dú)立出來，成為富士通FANUC，1982年7月改名為FANUC株式會社，稻葉一生領(lǐng)導(dǎo)FANUC公司，直至1995年退休。在稻葉領(lǐng)導(dǎo)下，控制研究組從1957年的幾個人不斷壯大。稻葉回憶，1959年研制成功電液脈沖馬達(dá)，1960年完成連續(xù)切削用開環(huán)數(shù)控的1號機(jī)床。但是，1973年世界石油危機(jī)背景下，電液脈沖馬達(dá)的液壓閥效率低，加上隨動性能較差，F(xiàn)ANUC組織人力研究開發(fā)新的電液脈沖馬達(dá)不成，稻葉當(dāng)機(jī)立斷，做出引進(jìn)美國蓋迪(Gette)直流伺服電機(jī)來代替的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第6頁共33頁決定，三天內(nèi)飛往美國簽訂了合同，全力投入制造，2個月完成。稻葉認(rèn)為，石油危機(jī)給FANUC一個發(fā)展的好機(jī)會，其關(guān)鍵在于遠(yuǎn)見卓識，當(dāng)機(jī)立斷，在引進(jìn)此技術(shù)時不斷消化創(chuàng)新。加強(qiáng)科研、堅(jiān)持商品開發(fā)三原則。這三原則為：(1)提高商品的可靠性（Reliabilityup）；(2)比同類商品降低成本（Costcut）；(3)用最少零件制出商品（WenigerTeile,德文）1113。FANUC不僅有公司本身發(fā)展壯大的完整戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)，且有完整的占領(lǐng)世界市場的國際戰(zhàn)略。FANUC目前在歐美亞，已先后成立許多合作公司、服務(wù)中心、各種事務(wù)所。例如，1986年12月就在美國弗吉尼亞成立了GE-FANUC自動化股份公司，持50股份，占領(lǐng)了美國數(shù)控系統(tǒng)的市場。在韓國、中國、中國臺灣、法國、意大利、瑞典、新加坡、香港、泰國及許多地方、城市建立了眾多的公司網(wǎng)絡(luò)，到處都有FANUC的商品銷售。FANUC以其正確的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)，發(fā)展世界廣大市場急需的數(shù)控系統(tǒng)，在規(guī)格系列上是當(dāng)今世界上最完整的，并基于其強(qiáng)大的科研實(shí)力和嚴(yán)密步驟，努力不斷開發(fā)高端商品。透徹了解用戶、世界市場需求，不斷開發(fā)新商品，占領(lǐng)市場，也是FANUC成功的重要經(jīng)驗(yàn)。例如，F(xiàn)ANUC1990年開始出新的“系列16”在1990年9月美國芝加哥IMTS（美國國際機(jī)床展）上展出，一時造成沸騰。“系列16”新NC系統(tǒng)的出現(xiàn)，在世界市場上掌握了主動權(quán)。又如：針對中國市場需求量大、中檔、價(jià)廉物美的數(shù)控機(jī)床，需要量大面廣之?dāng)?shù)控系統(tǒng)配套，F(xiàn)ANUC于1985年開發(fā)出O系列，后又不斷改進(jìn)，占領(lǐng)了中國的廣大市場，并通過北京FANUC機(jī)電有限公司，在中國大量推銷，獲取了巨大利潤。北京發(fā)那科機(jī)電有限公司是由北京機(jī)床研究所與日本FANUC公司于1992年共同組建的合資公司，專門從事機(jī)床數(shù)控裝置的生產(chǎn)、銷售與維修。注冊資金1130萬美元，美國GE-Fanuc和北京實(shí)創(chuàng)開發(fā)總公司各參股10%，中外雙方股份各占50%。北京機(jī)床研究所是中國機(jī)床工業(yè)最大的研究開發(fā)基地，國內(nèi)第一臺數(shù)控機(jī)床在該所誕生，1980年引進(jìn)FANUC技術(shù)，成立了國內(nèi)第一家數(shù)控裝置生產(chǎn)廠，為中國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并在數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用方面具有領(lǐng)先的優(yōu)勢。1.4BEIJING-FANUCO系統(tǒng)介紹1.4.1BEIJING-FANUC0系統(tǒng)的CNC單元硬件結(jié)構(gòu)北京發(fā)那科機(jī)電有限公司由FANUC公司購買印制板組裝生產(chǎn)CNC單元。BEIJING-FANUC0系統(tǒng)采用了許多富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第7頁共33頁BEIJING-FANUC0系統(tǒng)的CNC單元為大板結(jié)構(gòu)。基本配置有主印制電路板、存儲器板、I/O板、伺服軸控制板、和數(shù)控電源板。各板插在主板上，與CPU的總線相連。(1)主板主CPU在該板上。主CPU用于系統(tǒng)主控，原來用80386，后來改用80486/DX2。此外，顯示器的CRT控制也在該板上。(2)存儲器板該板上有：(a)系統(tǒng)的控制軟件ROM（共5片）。(b)伺服控制軟件ROM1片。(c)PMC-L的ROM芯片2片用于存儲機(jī)床的強(qiáng)電控制邏輯程序。(d)RAM芯片，用于寄存CPU的中間運(yùn)算數(shù)據(jù)，根據(jù)需要安裝。(e)CMOSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)，零件加工程序。根據(jù)用戶要求配置，最大可為128KB