【正文】 1 第一章 緒 論 數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)，其水平高低關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的水平，近年來(lái)， PLC在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用愈來(lái)愈廣，它在控制性能、組機(jī)周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢(shì)是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著 PLC 技術(shù)的發(fā) 展 , 它在位置控制、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。在機(jī)床的實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高數(shù)控機(jī)床加工的精度，對(duì)其定位控制裝置的選擇就顯得尤為重要。 FBS 系列 PLC 的 NC 定位功能較其它 PLC 更精準(zhǔn)，且程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試相當(dāng)方便 。本文提出的是如何應(yīng)用 PLC的 NC定位控制實(shí)現(xiàn)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制功能的方法來(lái)滿足控制要求，在實(shí)際運(yùn)行中是切實(shí)可行的。整機(jī)控制系統(tǒng)具有程序設(shè)計(jì)思路清晰、硬件電路簡(jiǎn)單實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的性能價(jià)格比等顯著優(yōu)點(diǎn)，其軟硬件的設(shè)計(jì)思路可供工礦企業(yè)的相關(guān)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)改造借鑒。 PLC 取代繼電器控制電路，適合于執(zhí)行邏輯運(yùn)算和順序控制等操作，控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的工業(yè)控制中。數(shù)控機(jī)床的控制部分可分為數(shù)字控制和順序控制兩部分。數(shù)字控制是對(duì)各坐標(biāo)軸位置的連續(xù)控制，這個(gè)任務(wù)由計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 實(shí)現(xiàn)；順序控制是在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù) CNC內(nèi)部 標(biāo)志以及機(jī)床各操作開關(guān)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的信號(hào)狀態(tài)，按照預(yù)先規(guī)定的邏輯順序，對(duì)諸如主軸起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停止、沖動(dòng)、制動(dòng)，刀庫(kù)管理、工件的夾緊、松開，冷卻液系統(tǒng)的運(yùn)行等功能的控制這類任務(wù)由 PLC實(shí)現(xiàn)。 國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 世界制造業(yè)在 20 世紀(jì)末的十幾年中經(jīng)歷了幾次反復(fù)，曾一度幾乎快成為夕陽(yáng)工業(yè)，所以美國(guó)人首先提出了要振興現(xiàn)代制造業(yè)。 90 年代的全世界數(shù)控機(jī)床制造業(yè)都經(jīng)過(guò)重大改組。 20 世紀(jì)人類社會(huì)最偉大的科技成果是計(jì)算機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用，計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)在機(jī)械制造設(shè) 備中的應(yīng)用是世紀(jì)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展的最重大的技術(shù)進(jìn)步。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床制造業(yè)在 80 年代曾有過(guò)高速發(fā)展的階段，許多機(jī)床廠從傳統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)向數(shù)控化產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型。但總的來(lái)說(shuō)，技術(shù)水平不高，質(zhì)量不佳，所以在90 年代初期面臨國(guó)家經(jīng)濟(jì)由計(jì)劃性經(jīng)濟(jì)向市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)移調(diào)整，經(jīng)歷了幾年最困難的蕭條時(shí)期，那時(shí)生產(chǎn)能力降到 50％，庫(kù)存超過(guò) 4個(gè)月。從 1995年 “ 九五 ” 2 以后國(guó)家從擴(kuò)大內(nèi)需啟動(dòng)機(jī)床市場(chǎng)，加強(qiáng)限制進(jìn)口數(shù)控設(shè)備的審批，投資重點(diǎn)支持關(guān)鍵數(shù)控系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)攻關(guān)，對(duì)數(shù)控設(shè)備生產(chǎn)起到了很大的促進(jìn)作用，尤其是在 1999 年以后，國(guó)家向國(guó)防工業(yè)及關(guān)鍵 民用工業(yè)部門投入大量技改資金，使數(shù)控設(shè)備制造市場(chǎng)一派繁榮。從 2020 年 8 月份的上海數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)和 2020年 4月北京國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，也可以看到多品種產(chǎn)品的繁榮景象。但也反映了下列問(wèn)題： （ 1） 低技術(shù)水平的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，互相靠壓價(jià)促銷； （ 2） 高技術(shù)水平、全功能產(chǎn)品主要靠進(jìn)口； （ 3） 配套的高質(zhì)量功能部件、數(shù)控系統(tǒng)附件主要靠進(jìn)口； （ 4） 應(yīng)用技術(shù)水平較低，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒(méi)有完全推廣使用； （ 5） 自行開發(fā)能力較差，相對(duì)有較高技術(shù)水平的產(chǎn)品主要靠引進(jìn)圖紙、合資生產(chǎn)或進(jìn)口件組裝。 數(shù)控技術(shù) 的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)（ IT、汽車、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。從目前世界 上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面 。 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本先端技術(shù)研究會(huì)將其列為 5 大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（ CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一。 5 軸聯(lián)動(dòng)加工 bsp 采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含 5面加工機(jī)床）的發(fā)展 3 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控 系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等；簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化，如智能化的自動(dòng)編程、智能化的人機(jī)界面等；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 柔性化 包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能覆 蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。 工藝復(fù)合性和多軸化 以減少工序、輔助時(shí)間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺(tái)機(jī)床上一次裝夾后，通過(guò)自動(dòng)換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺(tái)等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。 功能發(fā)展方向 1) 用戶界面圖形化 用戶界面是數(shù)控系統(tǒng)與使用者之間的對(duì)話接口。 2) 科學(xué)計(jì) 算可視化 科學(xué)計(jì)算可視化可用于高效處理數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)，使信息交流不再局限于用文字和語(yǔ)言表達(dá)，而可以直接使用圖形、圖像、動(dòng)畫等可視信息。 3) 插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化 4) 內(nèi)裝高性能 PLC 數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝高性能 PLC 控制模塊，可直接用梯形圖或高級(jí)語(yǔ)言編程，具有直觀的在線調(diào)試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標(biāo)準(zhǔn) PLC 用戶程序?qū)嵗脩艨稍跇?biāo)準(zhǔn) PLC 用戶程序基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯修改，從而方便地建立自己的應(yīng)用程序。 5) 多媒體技術(shù)應(yīng)用 多媒體技術(shù)集計(jì)算機(jī)、聲像和通信技術(shù)于一體，使計(jì)算機(jī)具有綜合處理聲音、文字、 圖像和視頻信息的能力。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用多媒體技術(shù)可以做到信息處理綜合化、智能化，在實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障診斷、生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)監(jiān)測(cè)等方面有著重大的應(yīng)用價(jià)值。 4 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 1) 集成化 采用高度集成化 CPU、 RISC芯片和大規(guī)?？删幊碳呻娐?FPGA、 EPLD、CPLD以及專用集成電路 ASIC芯片，可提高數(shù)控系統(tǒng)的集成度和軟硬件運(yùn)行速度。通過(guò)提高集成電路密度、減少互連長(zhǎng)度和數(shù)量來(lái)降低產(chǎn)品價(jià)格，改進(jìn)性能，減小組件尺寸，提高系統(tǒng)的可靠性。 2) 模塊化 硬件模塊化易于實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的集 成化和標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)不同的功能需求，將基本模塊，如 CPU、存儲(chǔ)器、位置伺服、 PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標(biāo)準(zhǔn)的系列化產(chǎn)品，通過(guò)積木方式進(jìn)行功能裁剪和模塊數(shù)量的增減，構(gòu)成不同檔次的數(shù)控系統(tǒng)。 3) 網(wǎng)絡(luò)化 機(jī)床聯(lián)網(wǎng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和無(wú)人化操作。通過(guò)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，可在任何一臺(tái)機(jī)床上對(duì)其它機(jī)床進(jìn)行編程、設(shè)定、操作、運(yùn)行，不同機(jī)床的畫面可同時(shí)顯示在每一臺(tái)機(jī)床的屏幕上。 4) 通用型開放式閉環(huán)控制模式 采用通用計(jì)算機(jī)組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴(kuò)展和升級(jí)，可組成不同檔次、不同類型、不同集成 程度的數(shù)控系統(tǒng)。 本文設(shè)計(jì)的任務(wù)和目的 1) 主軸為三相異步電動(dòng)機(jī)，由交流接觸器控制正 /反轉(zhuǎn)。主軸的控制包括正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、制動(dòng)和沖動(dòng)等。按停止按鈕時(shí)電機(jī)停止，并控制制動(dòng)器制動(dòng) 2s；按下沖動(dòng)按鈕，電機(jī)正傳 ；然后停止。 2) 液壓卡盤和液壓尾座都在 JOG 方式下進(jìn)行，液壓卡盤的夾緊個(gè)松開時(shí)由一個(gè)腳踏開關(guān)控制 。液壓尾座的伸出和退回由按鈕控制。 3) 冷卻耶的開 /關(guān)由手動(dòng)旋鈕個(gè) M功能指令共同控制。潤(rùn)滑泵的啟動(dòng) /停止在無(wú)急停報(bào)警的情況下每 30min 潤(rùn)滑一次，每次 10s。 4) 在執(zhí)行換刀指令時(shí)，刀架電機(jī)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)到預(yù)定刀 位時(shí)，刀架下降鎖緊，執(zhí)行換刀動(dòng)作。 5) 當(dāng)出現(xiàn) X、 Z 軸限位，油泵過(guò)載、主軸過(guò)載或者伺服電機(jī)過(guò)熱時(shí)，發(fā)出急停信號(hào)，通知 CNC 進(jìn)行急停處理。 5 第二章 數(shù)控 系統(tǒng)及 PLC 簡(jiǎn)述 系統(tǒng) 分析 數(shù)控機(jī)床采用數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合繼電氣、接觸器等硬件電路實(shí)現(xiàn)功能控制，存在固有缺陷，如：繼電氣依靠觸點(diǎn)動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生火花和抖動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性、使用壽命較短、響應(yīng)速度較慢、功能靈活性較差、系統(tǒng)硬件規(guī)模較大等。數(shù)控的功能控制，一般采用匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、專業(yè)編程系統(tǒng)或面向?qū)ο蟮鹊木幊碳夹g(shù)編制，要么程序結(jié)構(gòu)差，功能不易擴(kuò)展；要么專業(yè) 技術(shù)要求高，難被一般的用戶掌握。 PLC采用微電子技術(shù)，開關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成，可取代繼電器控制電路，適合于執(zhí)行邏輯運(yùn)算和順序控制等操作，控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。目前 PLC編程技術(shù)已被普通用戶所掌握，但是，在數(shù)控機(jī)床復(fù)雜的功能控制中，國(guó)產(chǎn) PLC的應(yīng)用還只停留在輔助功能 M、刀具功能 T、主軸功能 S和開關(guān)量的控制及一些單一化功能的應(yīng)用上，對(duì)于數(shù)控前、后臺(tái)控制的其他功能還沒(méi)有完全開發(fā)