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車床的數(shù)控化改造 【摘要】數(shù)控技術及數(shù)控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標志。數(shù)控技術及數(shù)控機床的廣泛應用，給機械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構、產(chǎn)品種類和檔次以及生產(chǎn)方式帶來了革命性的變化。數(shù)控機床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。它的發(fā)展是信息技術(1T)與制造技術(MT)結(jié)合發(fā)展的結(jié)果?，F(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技術，都是建立在數(shù)控技術之上的。掌握現(xiàn)代數(shù)控技術知識是現(xiàn)代機電類專業(yè)學生必不可少的。 目錄 一.數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展 數(shù)控機床(Numerical Control Machine Tools)是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。數(shù)控機床是在機械制造技術和控制技術的基礎上發(fā)展起來的，其過程大致如下： 1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的加工設備。由于樣板形狀復雜多樣，精度要求高，一般加工設備難以適應，于是提出采用數(shù)字脈沖控制機床的設想。 1949年，該公司與美國麻省理工學院(MIT)開始共同研究，并于1952年試制成功第一臺三坐標數(shù)控銑床，當時的數(shù)控裝置采用電子管元件。1959年，數(shù)控裝置采用了晶體管元件和印刷電路板，出現(xiàn)帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心( MC Machining Center)，使數(shù)控裝置進入了第二代。1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。 60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 DNC)，又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)(簡稱 CNC)，使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器和半導體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置(簡稱 MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。 20世紀80年代初，隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。 20世紀90年代后期，出現(xiàn)了PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，即以PC機為控制系統(tǒng)的硬件部分，在PC機上安裝NC軟件系統(tǒng)，此種方式系統(tǒng)維護方便，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化制造。 1.2數(shù)控機床加工的特點 (1) 自動化程度高，具有很高的生產(chǎn)效率。除手工裝夾毛坯外，其余全部加工過程都可由數(shù)控機床自動完成。若配合自動裝卸手段，則是無人控制工廠的基本組成環(huán)節(jié)。數(shù)控加工減輕了操作者的勞動強度，改善了勞動條件；省去了劃線、多次裝夾定位、檢測等工序及其輔助操作，有效地提高了生產(chǎn)效率。 (2) 對加工對象的適應性強。改變加工對象時，除了更換刀具和解決毛坯裝夾方式外，只需重新編程即可，不需要作其他任何復雜的調(diào)整，從而縮短了生產(chǎn)準備周期。 (3) 加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。加工尺寸精度在0.005～0.01 mm之間，不受零件復雜程度的影響。由于大部分操作都由機器自動完成，因而消除了人為誤差，提高了批量零件尺寸的一致性，同時精密控制的機床上還采用了位置檢測裝置，更加提高了數(shù)控加工的精度。 (4) 易于建立與計算機間的通信聯(lián)絡，容易實現(xiàn)群控。由于機床采用數(shù)字信息控制，易于與計算機輔助設計系統(tǒng)連接，形成CAD/CAM一體化系統(tǒng)，并且可以建立各機床間的聯(lián)系，容易實現(xiàn)群控。 1.3數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代數(shù)控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高度的光機電算液壓一體化、網(wǎng)絡化和智能化等方向發(fā)展。 A.切削速度高速化 受高生產(chǎn)率的驅(qū)使，高速化已是現(xiàn)代機床技術發(fā)展的重要方向之一。高速切削可通過高速運算技術、快速插補運算技術、超高速通信技術和高速主軸等技術來實現(xiàn)。 B.高精度控制 提高機床的加工精度，一般是通過減少數(shù)控系統(tǒng)誤差，提高數(shù)控機床基礎大件結(jié)構特性和熱穩(wěn)定性，采用補償技術和輔助措施來達到的。目前精整加工精度已提高到0.1 μm，并進入了亞微米級，不久超精度加工將進入納米時代。 C高柔性化 柔性是指機床適應加工對象變化的能力。目前，在進一步提高單機柔性自動化加工的同時，正努力向單元柔性和系統(tǒng)柔性化發(fā)展。 D.高度的光、機、電、算、液和聲能等一體化 數(shù)控系統(tǒng)與加工過程作為一個整體，實現(xiàn)機電光聲綜合控制，測量造型、加工一體化，加工、實時檢測與修正一體化，機床主機設計與數(shù)控系統(tǒng)設計一體化。 E網(wǎng)絡化 實現(xiàn)多種通訊協(xié)議，既滿足單機需要，又能滿足FMS(柔性制造系統(tǒng))、CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))對基層設備的要求。配置網(wǎng)絡接口，通過Internet可實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制加工，進行遠程檢測和診斷，使維修變得簡單。 F 智能化 現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)將是一個高度智能化的系統(tǒng)。具體是指系統(tǒng)應在局部或全部實現(xiàn)加工過程的自適應、自診斷和自調(diào)整；多媒體人機接口使用戶操作簡單，智能編程使編程更加直觀，可使用自然語言編程；加工數(shù)據(jù)的自生成及智能數(shù)據(jù)庫；智能監(jiān)控；采用專家系統(tǒng)以降低對操作者的要求等。 1.4機床數(shù)控化改造的必要性 我國目前機床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機床數(shù)控化率不到3%。近10年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6%。我國機床役齡10年以上的占60%以上；10年以下的機床中，自動/半自動機床不到20%，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機床占60%以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機床的數(shù)控化率。 經(jīng)過大量實踐證明普通機床數(shù)控化改造具有一定經(jīng)濟性、實用性和穩(wěn)定性。所以很多企業(yè)紛紛將現(xiàn)有機床改造成經(jīng)濟型數(shù)控機床，這種做法具有投資少、見效快的特點。事實證明：用較少的資金，將普通機床改造升級為數(shù)控機床，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。 二. 機床數(shù)控技術的基本概念 2.1概述 數(shù)控技術，簡稱數(shù)控(NumericalControl)。它是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。用數(shù)控技術實施加工控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控機床。 數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程序控制器、主軸驅(qū)動及進給裝置等部分。 要實現(xiàn)對機床的控制，需要用幾何信息描述刀具和工件間的相對運動以及用工藝信息來描述機床加工必須具備的一些工藝參數(shù)，如：進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、主軸正反轉(zhuǎn)、換刀、冷卻液的開關等。這些信息按一定的格式形成加工程序，通過數(shù)控系統(tǒng)的譯碼，從而使機床準確地動作和加工出優(yōu)質(zhì)的零件。 2.2數(shù)控機床的工作流程 數(shù)控機床工作時根據(jù)所輸入的數(shù)控加工程序，由數(shù)控裝里控制機床部件的運動零件加工輪廓，從而滿足零件形狀的要求。 數(shù)控加工程序的編制：在零件加工前，首先根據(jù)被加工零件圖樣所規(guī)定的零件形狀、尺寸、材料及技術要求等，確定零件的工藝過程、工藝參數(shù)、幾何參數(shù)以及切削用量等，然后根據(jù)數(shù)控機床編程手冊規(guī)定的代碼和程序格式編寫零件加工程序。對于比較簡單的零件，通常采用手工編程；對于形狀復雜的零件，則在編程機上進行自動編程，或者在計算機上用CAD/CAM軟件自動生成零件加工程序。 譯碼：數(shù)控裝置接受程序，譯碼程序按照一定的語法規(guī)則將信息解釋成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式。 刀具補償：零件加工程序通常是按零件輪廓軌跡編制的。刀具補償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡運動加工出所要求的零件輪廓。 插補：插補的目的是控制加工運動，使刀具相對于工件作出符合零件輪廓軌跡的相對運動。 位置控制和機床加工：位置控制的任務是在每個采樣周期內(nèi)，將插補計算出的指令位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制伺服電機，電動機使機床的運動部件帶動刀具相對于工件按規(guī)定的軌跡和速度進行加工 2.3數(shù)控機床的組成和分類 組成；數(shù)控機床一般由輸入輸出設備、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、測量反饋裝置和機床本體組成，： (1)輸入輸出設備 輸入輸出設備主要實現(xiàn)程序編制、程序和數(shù)據(jù)的輸入以及顯示、存儲和打印 。 (2)數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。它接受來自輸入設備的程序和數(shù)據(jù)，并按輸入信息的要求完成數(shù)值計算、邏輯判斷和輸入輸出控制等功能。 (3)伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是接受數(shù)控裝置的指令，驅(qū)動機床執(zhí)行機構運動的馭動部件。它包括伺服電路和伺服電機組成。一般來說，數(shù)控機床的伺服驅(qū)動要求有好的快速響應性能，能靈敏而準確地跟蹤由數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號。 (4)測量反饋裝置 該裝置由測量部件和響應的測量電路組成，其作用是檢測速度和位移，并將信息反饋給數(shù)控裝置，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 (5)機床本體 機床本體是數(shù)控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分。 分類；按伺服系統(tǒng)的控制原理可分為：開環(huán)控制的數(shù)控機床、半閉環(huán)控制的數(shù)控機床和閉環(huán)控制的數(shù)控機床。 (1)開環(huán)控制的數(shù)控機床 這類數(shù)控機床不帶有位置檢測裝置，數(shù)控裝置將零件程序處理后，輸出數(shù)字信號給伺服系統(tǒng).驅(qū)動機床運動。指令信號的流程是單向的。如圖1-2所示。 圖1-2 開環(huán)控制的數(shù)控機床 (2)閉環(huán)控制的數(shù)控機床 這類機床帶有檢測裝置。它隨時接受在工作臺端測得的實際位置反饋信號，將其與數(shù)控裝置發(fā)來的指令位置信號相比較，由其差值控制進給軸運動，直到差值為零，進給軸停止運動。如圖1-3。 圖1-3 閉環(huán)控制的數(shù)控機床 閉環(huán)控制可以消除包括工作臺傳動鏈帶在內(nèi)的誤差，從而定位精度高、速度調(diào)節(jié)快，但由于工作臺慣量大，給系統(tǒng)的設計和調(diào)整帶來很大的困難，主要是系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到不利影響。 (3)半閉環(huán)控制的數(shù)控機床 半閉環(huán)控制的數(shù)控機床與閉環(huán)控制得到數(shù)控機床的區(qū)別在于檢測反饋信號不是來自工作臺。而是來自電動機端或絲杠端連接的測量元件。 2.4數(shù)控機床的特點 (1)加工零件的適應性強，靈活性好。 (2)加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)皿穩(wěn)定。 (3)生產(chǎn)率高。 (4)減少工人的勞動強度。 (5)生產(chǎn)管理水平高。 三. 車床的總體改造和設計 3.1 CA6140車床改造的總休方案 數(shù)控系統(tǒng)的總體框架 (1) PC機：可采用工控PC機，可滿足該控制系統(tǒng)的控制要求。 (2)運動控制卡：采用PCL運動控制卡，該卡是一種高速三軸步進電機運動控制卡，它有16位的數(shù)字輸入、輸出口，可實現(xiàn)三軸聯(lián)動。因此，它可以滿足車床X、Z軸聯(lián)動，實現(xiàn)直線，圓弧插補。 (3)光電耦合電路的作用是能夠隔離外部干擾信號對運動控制卡的信號沖擊，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 (4)機床本體是由CA6140改造而來，拆除原來的絲桿，溜板箱，變速箱等。 (5)步進電機及其驅(qū)動器要能夠達到0.005mm的加工精度要求。 (6)各種限位開關：減速開關，回零開關均安裝在機床本體上，限位開關起著硬件硬限位的作用，當車床加工工件超出加工范圍時，車床自動停止加工。減速開關的作用是當車床刀架回零并走到車床零點附近時，減速開關被開啟并通知車床減速走到零位置。 3.2進給系統(tǒng)的設計 考慮到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。本車床的X、Z兩軸進給系統(tǒng)去掉了原來的進給系統(tǒng)的中間傳動環(huán)節(jié)，直接采用了步進電機+剛性聯(lián)軸器+滾珠絲桿的傳動方案。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副。 3.3控制系統(tǒng)的軟件部分 該車床控制系統(tǒng)采用GSK980T系統(tǒng)。其功能主要有讀取零件的加工G代碼，編輯和編譯G代碼，仿真加工(包括加工前仿真和與加工同步仿真)，回參考點，手工對刀，加工中斷，超程軟限位等功能。它可處理進給速度，主軸速度及轉(zhuǎn)速方向，刀具信息，M功能等多種加工信息。加工過程中，軟件界面的狀態(tài)欄還可以顯示出刀具當前的坐標，加工狀態(tài)，加工時間等信息。 3.4改造后機床的特點 (1)具有與原機床一致的剛度與強度. (2)具有與原機床一致的加工范圍。 (3)縱向進給直線度與原機床一樣，其運動精度則有數(shù)控系統(tǒng)和縱向電機、滾珠絲杠的精度保證。 (4)橫向進給的直線度和運動精度全部有改造部分的制造和裝配精度保證。 (5)可充分利用機床床身部分的已加工表面作為改造部分的定位和測量基準。 (6)改造后的機床外型將類似于國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床，整體較美觀、大方。 四. 機床的電氣改造 4.1數(shù)控系統(tǒng)的選擇 機床數(shù)控系統(tǒng)(CNC系統(tǒng))是數(shù)控機床的控制核心，隨著機床數(shù)控技術的不斷發(fā)展與進步，提高了數(shù)控機床的整體性能，尤其是它的加工精度和生產(chǎn)效率提高得更為顯著，現(xiàn)在，數(shù)控機床已在機械工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。 目前市場上流行的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC、西門子、GSK980TD等都配置有車床數(shù)控系統(tǒng)，能夠勝任車、削加工的大部分工作，并具有價格低廉、可靠性強、功能強大等特點。在對多家數(shù)控系統(tǒng)進行比較后!我們選擇了GSK980TD型數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控機床應能長期連續(xù)加工，其數(shù)控系統(tǒng)必須能夠長期無故降連續(xù)運行。為保證機床長期可靠地運行，數(shù)控系統(tǒng)必須有抵抗惡劣環(huán)境的高可靠運行特性。 常年的工作考臉證明GSK980TD系統(tǒng)是最可靠的數(shù)控系統(tǒng)之一，它能在一般車間環(huán)境下運行。其工作場地的室溫為0-45℃，相對濕度75%短時可達95%,抗震為0.5g ，電網(wǎng)電壓波動為10%-15%,經(jīng)對使用中系統(tǒng)的實際統(tǒng)計，GSK980TD系統(tǒng)的故障率為0.008，比較好地滿足了我國市場的要求。 GSK980TD系統(tǒng)之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素： (1)可靠的高質(zhì)量的元器件及良好的老化篩選工藝。 (2)大規(guī)模及超大規(guī)模的專用集成電路芯片：GSK980TD系統(tǒng)采用了許多由富士通公司制造的高度集成的專用功能芯片。 (3)全自動化工廠生產(chǎn)制造：多層印刷板的制板、元件的插裝、焊接、印刷板的檢查、系統(tǒng)的組裝、電機投料、沖片、精鑄、機械加工、裝配、成品的包裝出廠全部為自動化，這就使得在生產(chǎn)過程中避免了外界(人)的不穩(wěn)定因素的干預。所以產(chǎn)品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制軟件設計：GSK980TD系統(tǒng)經(jīng)過在國內(nèi)各地數(shù)年的運行，積累了豐富的數(shù)據(jù)，因此在軟件設計時考慮了可能出現(xiàn)的各種故障情況，加入了許多保護和提高可靠性的措施，如開機和狀態(tài)切換時的層層檢側(cè)、過壓、過流、反饋斷線等報警，使得機床運行中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能及時處理，從而進免了元部件的損壞。 (5)數(shù)字式進給伺服和數(shù)字式主軸驅(qū)動：數(shù)字控制、數(shù)據(jù)的串行傳輸大大提高了運行的可靠性。主軸控制信號的傳送使用光纜，使信號免受外界干擾。 3.1.1 硬件結(jié)構 采用CISC（超大規(guī)模集成電路）技術的GSP主板，主板上連接可插接(分離的)小模板。 對于數(shù)控系統(tǒng)，由于其是弱電電路，如果采用十24VDC為電源輸入，可以大大降低其熱源和不穩(wěn)定因素。用戶可以把+24V穩(wěn)壓電源放在電氣柜內(nèi)，從而大大提高了整個數(shù)控系統(tǒng)的可命性能。 GSK980TD系統(tǒng)的可靠性好，性能/價格比高，在全國各地己銷售10余萬臺。隨著大規(guī)棋集成電路芯片的發(fā)展，GSK980TD系統(tǒng)的破件結(jié)構已經(jīng)改進過多次。目前銷售的TA和TD，其硬件結(jié)構基本一樣，只是控制軸數(shù)不同，所配置的進給軸驅(qū)動電機不同。 GSK980TD系統(tǒng)的CNC單元為大板結(jié)構?；九渲糜兄靼濉⒋鎯ζ靼?、I/O板、伺服軸控制板和電源。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，從1998年起改用 80486/DX2。此外，顯示的CRT控制也在該板上。 (2)存儲器板 該板上有：①系統(tǒng)的控制軟件ROM(共5片)。GSK980TD系統(tǒng)可控制車床。不同類型的機床控制軟件不同；②伺服控制軟件ROM I片；③PMC-L的ROM芯片2片，用于存儲機床的強電控制邏輯程序；④RAM芯片，用于寄存CPU的中間運算數(shù)據(jù)，根據(jù)需安裝；⑤COMSRAM，用于存儲系統(tǒng)和機床參數(shù)、零件加工程序，根據(jù)用戶要求配置，最大可為128K字節(jié)。CMOSRAM與4.5V 電池相連，關機時保存信息。 (3)I/O板 該板是CNC單元與機床強電柜的接口，接收或輸出24V直流信號，由PMC實施輸入/輸出控制，I/O點數(shù)可根據(jù)機床的復雜程度選擇，標準配置為104個輸入點，72個輸出點。 (4)進給伺服控制板 GSK980TD系統(tǒng)全部用數(shù)字式交流伺服控制。其控制板裝在CNC單元內(nèi)，插在主板上，即CNC單元與進給伺服為一體化設計。伺服板上有2個CPU(TMS320)，用于伺服的數(shù)字控制。每個CPU控制2個軸，一塊板可控制4個軸。該板接受主CPU分配的伺服控制指令，輸出6個相位各差60的脈寬調(diào)制信號(每軸)，加于各軸的伺服驅(qū)動的功率放大器上。TD系統(tǒng)為4軸(最大配里)控制，2軸聯(lián)動，只用一塊伺服板。 (5)電源 主要有5V直流電，用于各板的供電。24V直流電，用于單元內(nèi)各繼電器控制。除上述這些板外，還有圖形控制板、PMC-M板、遠程緩沖器(REMOTE BUFFER)板，這些板用戶可根據(jù)自身要求選訂。 (6)PLC功能的內(nèi)部集成 PLC功能的內(nèi)部集成化，提高了PLC和CNC的內(nèi)部通訊能力，增強了機床的邏輯控制，PLC的32輸入和24輸出模塊，陽M的32輸入和24輸出模塊，可以和外圍的電路相連接，而這種模塊，通過陽M提供的電纜和剛M數(shù)控系統(tǒng)連接。這就提高了整個機床的可靠性。同時又提高了數(shù)控系統(tǒng)的保護(如果有間題，只能損壞這種模塊，不會對數(shù)控系統(tǒng)造成破壞)。光纖技術的通訊，可以擴展PLC輸入輸出點，通過光纖進行連接，簡化和線路的連接。 (7)軸轉(zhuǎn)接模塊 GSK980TD提供了軸轉(zhuǎn)接模塊，機床的編碼器和到伺服的線路可以直接聯(lián)到此模塊，通過它再和數(shù)控系統(tǒng)的軸板進行連接。提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，如果機床的軸有問題，可以直接把軸模塊上的插頭相對換，就能很快的查出問皿所在(系統(tǒng)內(nèi)部或外部)。 3.1.2 軟件功能 (1)CNC功能 系統(tǒng)軟件的開放性和友好界面，幫助性的編程方式。定義的固定循環(huán)并使用戶很方便地根據(jù)其加工特性進行編寫自己的固定循環(huán)，用戶集成的G代碼功能。M功能和PLC功能的調(diào)用子程序，E參數(shù)(用戶可以通過E參數(shù)來讀取或改變CNC的數(shù)值)。 強大的通訊功能(RS232IRS4221RS485) ，邊加工邊傳輸功能。提高了計算機的CAD/CAM程序的加工能力。 完善的絲杠螺距補償。FANUC的螺距補償為線性補償，補償中僅把相應的拐點坐標值輸入即可。并且沒有固定的距離和補償值的限制。 (2)PLC功能 梯形圖的PLC程序，多任務的PLC程序的編程結(jié)構，提高了PLC程序的編寫和可讀性。梯形圖PLC程序在屏幕上的動態(tài)顯示，方便了最終用戶的維修。豐富的PLC和CNC交換信息量, PLC圖形界面的管理。 (3)強大的編程軟件 GSKCC軟件。Windows環(huán)境下并運行在PC計算機上，PLC程序的編寫工具，方便的機床程序管理。簡便的通訊能力(PCIONC間為主從關系，所有操作均在PC側(cè)完成)，動態(tài)的PLC程序顯示(PC側(cè))。 GSKCC軟件Windows環(huán)境并運行在PC計算機。調(diào)整NC的機床參數(shù)和伺服系統(tǒng)，圖形的動態(tài)響應，強大的優(yōu)化功能，方便地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。 3.1.3 顯示 GSK980TD系統(tǒng)的顯示器320 240點陣，用單色液晶顯示器(LCD),標準為 5.7″,也可配彩色顯示器。 GSK980TD系統(tǒng)有圖形顯示功能：①對編制的加工程序進行加工前的圖形模擬，模擬刀尖的軌跡或加工件的三維實體形狀:②在加工過程中顯示刀尖的軌跡，使操作員能夠監(jiān)視切削過程。圖形可局部放大，以便觀察細部。顯示圖形必須用圖形控制板，該板為專用微機，CPU用80186。 3.1.4 PMC控制 PMC就是可編程序機床控制器，是專門用于控制機床的PLC。GSK980TD系統(tǒng)的PMC只有47條指令〔基本指令有12條，功能指令有35條)?；局噶顬?進制位的邏輯運算，功能指令主要有數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)變換、譯碼和代數(shù)運算。 GSK980TD系統(tǒng)用梯形圖編制PMC順序邏輯程序。由于有功能指令，使得PMC程序編制非常容易，簡捷。 梯形圖可用下述兩種方法編制：①用專用的編輯卡利用LCD液晶顯示畫面在系統(tǒng)上現(xiàn)場編制。②在計算機上裝入專用軟件用計算機編制，然后經(jīng)RS-232C口將梯形圖程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)。調(diào)試好的程序要用寫入器寫入EPROM。 GSK980TD系統(tǒng)PMC控制有FMC-L和PMC-M2種。PMC-L的處理機與主機共用，其處理時間為6 /步，最大步數(shù)為5000步。PMC-M為專用處理機，徽處理器為80186，專用一塊板，插在主板上，處理時間為2us步，最大步數(shù)為8000步。2種PMC的掃描周期均為I6ms。 3.1.5 進給伺服驅(qū)動 GSK980TD系統(tǒng)進給軸的驅(qū)動使用交流同步電動機，目前為a系列。根據(jù)其負載特性和快速性分為:a(標準型)、am(高加速特性)、ac(經(jīng)濟型)和aL(低慣量型)。最大力矩為400Nm。 0-C配a型;0-D配置ac型。am加速特性好，從0至最高轉(zhuǎn)速的啟動過程為24ms，故用于高速加工。 電機軸上裝有脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)發(fā)出65536個脈沖(經(jīng)電路倍頻)，用做位置反饋和速度反饋。這種位置反饋，是間接測量工作臺的直線位移，所以稱為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。但是，只要設定相應的參數(shù)GSK980TD系統(tǒng)可以使用直線光柵尺，使系統(tǒng)接成全閉環(huán)。除此之外，還可接成雙位置反饋，即同時具有上述2個閉環(huán)。這樣，既可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可以提高系統(tǒng)的快逮性和加工精度。 進給伺服單元的控制用前述的軸控制板，該板輸出控制指令信號到功率放大器。功率放大器為模塊化結(jié)構，分為整流模塊和逆變模塊，使用IPM元件。 LSI是專用位置控制大規(guī)模集成電路芯片。ROM中存儲的控制程序主要有同步電機的快速響應矢量控制、IP調(diào)節(jié)器、速度和位里的反饋控制、前饋和提前前饋控制和狀態(tài)觀測器。此外，還有許多非線性補償與控制，如單脈沖抑制、超調(diào)抑制、反向間隙加速補償、機床的速度反饋等。還有運行過程的監(jiān)測及保護。由于有這些控制，使GSK980TD系統(tǒng)運行可靠、快速、平穩(wěn)、精度高。 3.1.6 主軸驅(qū)動 GSK980TD系統(tǒng)可以同時控制2個主軸電動機，可以是2個數(shù)字式控制的電機，也可以一個為數(shù)字式，另一個為模擬式控制電機。模擬控制指令是0-10V的直流電壓。 該系統(tǒng)的主軸電機為異步電機，目前為a系列。有以下品種;a:標準型，恒功率調(diào)速范圍4:1; aP：恒功率寬調(diào)速范圍型(8:1); aC經(jīng)濟型;aT：與主軸直連型。主軸電機的最大功率為37kW，最高轉(zhuǎn)速可達15000r/min，用數(shù)字式矢量控制。 主軸驅(qū)動有速度控制和位置控制2種工作方式，普通加工為速度控制。主軸電機軸上裝有圓型的磁性傳感器，用做速度反饋。位置控制用于主軸同步、主軸定向、剛性攻絲、Cs軸輪廓控制。因此需要控制主軸的轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)位，輪廓控制時要與其它軸插補。此時需在機床的主軸上裝位置編碼器，位置編碼器有光電式和磁性傳感器。普通為每轉(zhuǎn)發(fā)出1024個脈沖，高精度的發(fā)出360000個脈沖/轉(zhuǎn)。 主軸控制用單獨的CPU控制，處理器為TMS-320。從CNC單元輸出的控制指令用一條光纜送到主軸的控制單元，數(shù)據(jù)為串行傳送，因此可靠性比較高。 3.1.7 RS-232C口及數(shù)據(jù)通訊 GSK980TD系統(tǒng)有2個串口(RS-232C)，分4個通道，用于系統(tǒng)與外部設備的數(shù)據(jù)交換。交換的數(shù)據(jù)包括:系統(tǒng)及機床的設定參數(shù)、PMC參數(shù)、零件加工程序、刀具補償值、設定的工件坐標系、絲杠的螺補值等。與計算機相連時，計算機內(nèi)必須裝有數(shù)據(jù)傳送軟件。最快的傳送速率為9600bps。 除上述的信息交換外，利用串行通訊還可實現(xiàn)下列方式的在線加工與機床的DNC管理: (1)紙帶方式的加工:加工復雜零件時，加工程序非常長，CNC的內(nèi)存容量不夠用，可將程序存于外設，如計算機的軟盤。用電纜將PC機與CNC經(jīng)串口連接后，啟動自動加工，CNC預讀15個程序段，開始加工。此后加工一段讀入一段，直至結(jié)束。 (2)遠程緩沖(REMOTEBUFFER):上述方式雖然解決了長程序的存儲問題，但由于數(shù)據(jù)的邊讀入、邊處理、邊加工，所以加工速度慢。對于小程序段、快速加工，走刀有停頓現(xiàn)象，為此，開發(fā)了REMOTEBUFFER功能。 該功能可實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的傳送，有2種工作方式:①計算機存儲的加工程序是通常的加工代碼指令方式。緩沖器接受后變?yōu)?進制，然后送到CNC執(zhí)行。②計算機存儲的加工程序是按2進制編制的。緩沖器收到后不經(jīng)轉(zhuǎn)換即送往CNC執(zhí)行。這2種方式都比紙帶方式的加工速度快，數(shù)據(jù)傳送速率最快為77900bps.最訣加工速度為15m/s，電纜最長可達100m(無調(diào)制解調(diào)器時)。 (3)DNC2:它可使8臺CNC機床與主計算機遠程相連，實現(xiàn)多臺機床的加工監(jiān)控與管理。連接方式為點—點式，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為LVS2，傳送速率最高為19200bps。CNC與主計算機交換的信息除了系統(tǒng)和機床的參數(shù)、加工程序、加工的設定值外，還可傳送機床的工作狀態(tài)，如自動加工啟動、停止、加工中暫停、報警等。DNC2 共設計了60多條指令。主計算機必須根據(jù)這些指令格式編制相應的處理程序，編程語言用C。為方便用戶，可提供宏指令庫。 3.1.8 調(diào)機、維護與故障診斷 (1)伺服參數(shù)設定與調(diào)整:為了方便調(diào)機，系統(tǒng)的CRT有進給伺服參數(shù)設定畫面和調(diào)整畫面。在參數(shù)的設定畫面上，只需設定初始化位、電機代碼等參數(shù)即可設定好所用電機的標準參數(shù)，使電機穩(wěn)定運行。其中的柔性變速比可設定電機與滾珠絲杠及位置反饋傳感器(脈沖編碼器)之間的齒輪傳動比。該變比可以不為整數(shù)。在伺服調(diào)整畫面上可以定量地讀出機床工作臺移動時各軸的伺服增益、伺服誤差及其變動情況。據(jù)此，可判斷系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定、有無爬行以及跟隨精度等，根據(jù)情況進行適當?shù)恼{(diào)整。有故降時該畫面還顯示伺服的報警。 (2)主軸參數(shù)設定:輸入主軸電機的代碼及初始化位即可設定好主軸電機的標準參數(shù)，電機即可穩(wěn)定運行。主軸運行有監(jiān)視畫面，在該畫面上可讀出主軸電機的轉(zhuǎn)速、負載百分比及主軸的轉(zhuǎn)速，從而可以省去通常的轉(zhuǎn)速表和負載表。 (3)加工程序錯誤顯示:程序出錯時，CRT上顯示報警號。根據(jù)報警號可由說明書中查出錯誤原因，報警表是多年經(jīng)驗的積累，幾乎所有的編程錯誤都可從該表中查出。 (4)運行故障顯示:CNC控制軟件的運行、硬件的各主要元件、伺服控制、主軸控制等出現(xiàn)故障時，CRT上均顯示相應的報警號。GSK980TD系統(tǒng)對這些故障有較好的保護。例如，伺服反饋斷線形成大開環(huán)時，既不會撞車，也不會損壞元件。 (5)I/O信號診斷。CRT可顯示梯形圖，在該圖上可以檢查機床強電信號的工作。CRT還有診斷畫面，通過該畫面，根據(jù)信號的地址檢查0/1狀態(tài)變化，可判斷其是否正常工作。 3.1.9 系統(tǒng)的功能 GSK980TD系統(tǒng)為全功能型，下列一些功能增加了系統(tǒng)的應用范圍和操作的方便: ①Cs軸輪廓控制:可以省掉Cf軸，用主軸的轉(zhuǎn)動作為回轉(zhuǎn)坐標與其它直線軸插補，加工輪廓曲線。②剛性攻絲:Z軸進給與主軸轉(zhuǎn)動同步，不用彈簧卡頭實現(xiàn)攻絲，從而提高了螺紋的加工精度。③PMC軸控制:用梯形圖程序控制伺服進給軸，用于回轉(zhuǎn)軸分度或定量位置進給。0-C系統(tǒng)PMC可控制2個進給軸。④主軸雙刀架。⑤0.1um分辨率:系統(tǒng)分辨率標準設定為1urn。可用參數(shù)設定為其1/10.⑥加工程序的后臺編輯:自動切削過程中可以編輯新的程序。⑦菜單編程。⑧圖形會話在線自動編程:有多種形式，最新的是符號指令形式，易學，易操作。有工藝參數(shù)語句。⑨用戶宏程序:一種參量編程軟件包，用來編制加工程序(適合于成組工藝)或者用其接口變量編制PMC程序，控制CNC的運行狀態(tài)。 CNC是本系統(tǒng)的核心部分，用以完成人機對話與通訊，解釋機械加工語言，分配加工任務，以及協(xié)調(diào)各功能模塊的工作等。進給控制部分選用NUMDRIVE交流伺服系統(tǒng)，根據(jù)計算以及參考同類型機床，縱向(Z軸)選36N.m交流何服電機，橫向(X軸)選用22N.m電機，實現(xiàn)位置、速度雙閉環(huán)控制，以實現(xiàn)機床精確的進給運動。輔助控制部分包括機床的冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)與主軸運動等方面的控制。同時在主軸箱內(nèi)安裝編碼器，以構成加工螺紋所需的主輸系統(tǒng)(c軸)。選用IOO Opmr的編碼器，由于主軸大齒輪為128齒(m=5)，故編碼器前端齒輪選用20齒，其速比為6.4:1,則主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，編碼器將返回6400個脈沖，經(jīng)四分頻后，每轉(zhuǎn)計數(shù)脈沖為25600，分辨率為50.625秒/脈沖，完全滿足數(shù)控系統(tǒng)對C軸的反饋精度要求。 4.2數(shù)控系統(tǒng)電氣控制線的連接 原機床已有一個電控柜，里面放置了開關、繼電器、接觸器等。根據(jù)改造后的電氣原理圖，設計制作電控柜，淘汰了原有的電控柜。 GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)外圍接口棋塊如下: (1)RS-232通訊接口。 (2)X軸,Z軸及主軸控制接口:用來控制X軸、Z軸伺服電機的運動及主軸的轉(zhuǎn)速。 (3)編碼器反饋信號接口:用于與主軸電機的編碼器的連接，編碼器的作用是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，從而實現(xiàn)了對主軸轉(zhuǎn)速的檢測，這在螺紋加工的時候是不可缺少的。 (4)手搖脈沖發(fā)生器接口:實現(xiàn)手動、聯(lián)動切削。 (5)開關量輸入輸出接口:輸入信號主要用于X、Z方向是否超程的檢測，刀架的位置檢測，坐標原點位置檢測等。輸出信號主要用于主軸的轉(zhuǎn)速控制，主軸的正、反轉(zhuǎn)或停止控制，主軸的冷卻液的開、閉控制，刀架正、反控制等，另外，輸入模塊除接受一般的24VDC開關量外，還可以接三線式的接近傳感器信號。這樣對該機床的一些三線式接近開關，提供了方便可靠的連接。 (6)機床操作面板接口，F(xiàn)ANUC機床操作面板有多達39個自定義鍵。面板與系統(tǒng)采用光纖連接，結(jié)合該機床控制操作的自身特點要求，在機床立板上定義了一些操作鍵，完全滿足了機床控制的要求。 (7)模擬輸入輸出及外部中斷接口.此接口為機床提供了一個靈活的模擬輸出口，便于與其它模塊相連。 (8)密集型面板接口?？赏ㄟ^密集型面板進行參數(shù)設定。輸入零件加工程序，實時跟蹤加工情況。 4.3數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上數(shù)據(jù)信息的傳輸 數(shù)控系統(tǒng)與功能模塊間的數(shù)據(jù)交換可方便地利用總線進行，系統(tǒng)中總線上的數(shù)據(jù)信息傳遞是通過公共數(shù)據(jù)區(qū)進行的，如數(shù)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入進給控制模塊的公共數(shù)據(jù)區(qū)，供模塊內(nèi)CPU隨時讀取，同樣進給控制模塊CPU發(fā)出數(shù)據(jù)信息也要寫入公共數(shù)據(jù)區(qū)，供數(shù)控系統(tǒng)隨時讀取。 為了保證系統(tǒng)的高效運行，要求所傳輸?shù)拿總€數(shù)據(jù)信息都應選用最有效率的信息，即是必須傳輸?shù)?，意義準確完整的，和盡量選用使用頻率高的信息，這有助于提高系統(tǒng)的可靠性，運行效率和減少信息傳輸費用。以下為機床數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部總線上傳輸?shù)母鞣N信息。 3.3.1數(shù)控系統(tǒng)與進給控制模塊間信息傳輸 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出:設定值。 控制參數(shù) :PID調(diào)節(jié)參數(shù)，行程極限，速度極限。 控制字 : 進給控制運行(運行、停止等)。 進給控制給定:位置進給量、速度進給量 進給控制模塊發(fā)出: 運行狀態(tài): 正常運行，加工受阻，停止加工。 運行參數(shù): 實測位置，實測轉(zhuǎn)速。 3.3.2數(shù)控系統(tǒng)與輸入輸出模塊間信息傳輸 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出:主軸轉(zhuǎn)速設定值。 邏輯控制 :控制刀架，冷卻泵，冷卻閥等。 輸入輸出模塊發(fā)出:實測主軸轉(zhuǎn)速值。 運動邏輯狀態(tài):刀具到位識別，氣動卡盤夾緊，主軸超速，機床原點，越位限制等。 對上列數(shù)據(jù)信息，根據(jù)其表示方式與內(nèi)容要求，在控制系統(tǒng)中為它們各自分配存儲空間，設計傳輸通道。 五. 可編程控制器PLC的控制及設計 5.1PLC的基本結(jié)構及工作原理 PLC采用的是典型的計算機結(jié)構，主要包括CPU,RAM,ROM和輸入、輸出接口電路等。其內(nèi)部采用總線結(jié)構，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。如果把PLC看作一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)由輸入變量->PLC->輸出變量組成，外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入變量:它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運算或其他各種運算、處理后送到輸出端子，他們是PLC的輸出變量。由這些輸出變量對外圍設備進行各種控制。這里可將PLC看作一個中間處理器或變換器，以將輸入變量變換為輸出變量。 4.1.1 PLC控制系統(tǒng)組成 (1)輸入部分:如按鈕開關、限位開關等，直接與PLC輸入端子相連接，用以產(chǎn)生輸入控制信號，這些信號來自操作臺上的人工指令。 (2)控制部分Z反復執(zhí)行根據(jù)被控對象的實際控制要求所編制的用戶程序，并產(chǎn)生各種輸出控制信號。 (3)輸出部分z如接觸器、電磁閥等，它們直接與PLC輸出端子相連接，用以控制被控對象的動作。 4.1.2 PLC工作過程分三段進行 (1)輸入處理:PLC以重復掃描方式執(zhí)行用戶程序，在執(zhí)行程序前首先按地址編碼順序?qū)⑺休斎攵俗拥耐〝酄顟B(tài)(輸入信號)讀入輸入映象寄存器中，然后開始執(zhí)行用戶程序，在執(zhí)行過程中，即使輸入信號發(fā)生變化，輸入映象寄存器的內(nèi)容也不變，直到下一個掃描周期的輸入處理階段才重新讀取輸入狀態(tài)。 (2)程序控制:在程序執(zhí)行階段，PLC順序掃描用戶程序，每執(zhí)行一條程序所需要的信息都從輸入映象寄存器和其他內(nèi)部寄存器中讀出并參與計算，然后將執(zhí)行結(jié)果寫入有關物出映象寄存器中。 (3 )輸出處理:當全部指令執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)全部傳送到輸出鎖存寄存器中，構成PLC的實際物出并有輸出端子送出。 5.2PLC與CNC機床的聯(lián)接方式 CNC數(shù)控系統(tǒng)的控制信號有兩類:一類是高速信號,主要用于各個坐標軸的插補運動;另一類是低速信號，主要用于控制主軸電機的正、反運轉(zhuǎn)、接觸器、電磁閥的通斷等開關t，低速信號的控制對象主要一些商電壓或大電流的強電設備，其控制采用可編程序控制器，具有可靠性高，柔性好等特點，而且隨粉可編程控制器本身性能價格比不斷提高，在現(xiàn)代CNC, FMS系統(tǒng)中的應用有不斷上升的趨勢。目前，數(shù)控機床PLC的形式有兩種:一種是采用單獨的CPU完成PLC功能，即配有 專門的PLC, PLC在CPU外部，稱為外裝型PLC;第二種是采用數(shù)控氛統(tǒng)與PLC合用一個CPU的方法.PLC在CPU內(nèi)部，稱為內(nèi)裝型PLC. FANUC數(shù)控系統(tǒng)采用內(nèi)裝型PLC。 可編程控制器與CNC機床的聯(lián)接方式本質(zhì)上是外電路聯(lián)接方法，系統(tǒng)I/0口發(fā)出控制指令，使可編程控制器輸入端無觸點開關通斷，通過CNC數(shù)控完成可編程控制器對機床強電的邏輯控制。CNC機床的被控對象有帶動主軸旋轉(zhuǎn)的主電機、大量開關量、伺服電機等，可編程控制器與CNC機床的強電、CNC數(shù)控裝里1/0口的聯(lián)接可歸納為三部分。 4.2.1 PLC輸入輸出端與機床面板信號聯(lián)接 FANUC機床操作面板有多達39個自定義鍵。面板與系統(tǒng)采用光纖連接。結(jié)合該機床控制操作的自身特點要求，在機床面板上定義了一些操作鍵，完全滿足了機床控制的要求。 CNC數(shù)控機床操作面板上有按鈕、旋鈕開關、波段開關和指示燈等.按鈕、旋鈕開關和波段開關直接與可編程控制器的愉入端接線柱相連，指示燈接線直按與PLC輸出端接線柱相連，指示燈的亮暗取決于相應的PLC輸入端的開關狀態(tài)及固化在PCROM卡中的梯形圈程序。 4.2.2 PLC輸出端與機床強電信號聯(lián)接 PLC在CNC機床中的主要作用是控制強電部分.如:主控電源、伺服電源、刀架電機正反轉(zhuǎn)、主軸風扇、潤滑電機勢。由于流過強電電路的電流很大，在PLC輸出瑞都接有保護用繼電器。在每一個交流緣圈兩側(cè)并聯(lián)阻容電路以吸收由于線圈通斷時產(chǎn)生的浪涌電流.為了提商電機運行的可非性，在接觸移線翻電路中加有互鎖 保護觸點。同理，每個電機的運行程序控制邏輯都固化在PCROM卡中，受機床操作面板開關和數(shù)控系統(tǒng)軟件的控制。 4.2.3 PLC輸入端與CNC機床數(shù)控裝盆I/O接口的聯(lián)接 可編程控制器物出端的通斷是由其物入端通斷狀態(tài)及梯形圖程序決定的，CNC機床數(shù)控裝I與可編程控制器的聯(lián)接是通過軟開關直接控制PLC粕入端的通斷.以決定PLC輸出端的狀態(tài).從數(shù)控裝置I/0口的信息流向分析，可以分為兩種情況:一是數(shù)控裝!從1/0口輸出指令，控制PLC完成相應的動作;另一種是檢測PLC輸入口的開關狀態(tài)，數(shù)控裝里的I/0口是輸入信號，數(shù)控裝登根據(jù)輸入信號的性質(zhì)做出相應的控制。