【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 差的方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)自動(dòng)控制原理可知，凡是被反饋通道所包圍的前向通道中所有誤差都能被反饋所補(bǔ)償，因此，這類數(shù)控系統(tǒng)可以獲得很高的精度和速度。但是由于它將絲杠、螺母副、導(dǎo)軌以及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣量環(huán)節(jié)或齒隙非線性環(huán)節(jié)都包含在閉環(huán)內(nèi)，給設(shè)計(jì)和調(diào)試造成困難，系統(tǒng)穩(wěn)定性得不到保證。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般應(yīng)用于高精度和超高精度數(shù)控機(jī)床中，如圖 所 示： 圖 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)原理圖 （ 3） 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 這類數(shù)控系統(tǒng)也帶有檢測(cè)反饋裝置，但檢測(cè)元件被安裝在電動(dòng)機(jī)軸或絲杠軸端處，通過(guò)角位移的測(cè)量間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置（直線位移），并將其與數(shù)控裝置計(jì)算出的指令位置（或位移）相比較， 5 用差值進(jìn)行控制。由于閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包含絲杠、螺母副、導(dǎo)軌及機(jī)床工作臺(tái)這些大慣量環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)造成的誤差不能被反饋信號(hào)所補(bǔ)償，因而其綜合精度不如全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。但半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)環(huán)路短，剛性好，調(diào)試方便，容易獲得比較穩(wěn)定的控制特性，因此這種半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 被實(shí)際生產(chǎn)所廣泛使用，如圖 所示： 圖 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)原理圖 按數(shù)控機(jī)床功能水平分類 （ 1）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)又稱簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)通常僅能滿足一般精度的加工，能加工形狀比較簡(jiǎn)單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件，采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為單板機(jī)或單片機(jī)系統(tǒng)，具有數(shù)碼顯示、 CRT 或 LCD字符顯示功能，機(jī)床進(jìn)給由步進(jìn)電機(jī)實(shí)行開環(huán)驅(qū)動(dòng)，控制的軸數(shù)和聯(lián)動(dòng)軸數(shù)在 3 軸或 3 軸以下，進(jìn)給分辨率一般為 10um，快速進(jìn)給不超過(guò) 10m/min。這類機(jī)床一般結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，精度中等，價(jià) 格也比較低廉。 （ 2）普及型數(shù)控系統(tǒng) 普及型數(shù)控系統(tǒng)又稱全功能數(shù)控系統(tǒng)。這類數(shù)控系統(tǒng)功能比較多，但不追求過(guò)多，以實(shí)用為準(zhǔn)，除了具有一般數(shù)控系統(tǒng)的功能以外，還具有一定的圖形顯示功能及面向用戶的宏程序功能等，采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為 16位或 32 位微處理器，具有 RS232 通信接口，機(jī)床的進(jìn)給多用交流或直流伺服驅(qū)動(dòng)，一般系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn) 4 軸或 4 軸以下聯(lián)動(dòng)控制，進(jìn)給分辨率一般為1um，快速進(jìn)給速度最大為 10～ 20m/min，其開關(guān)量輸入輸出控制一般由可編程控制器來(lái)完成，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和控制的靈活性。 （ 3）高檔型數(shù) 控系統(tǒng) 高檔型數(shù)控系統(tǒng)一般是指加工復(fù)雜形狀的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，并且其工序集中、自動(dòng)化程度高、功能強(qiáng)，具有高度柔性。采用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為32 位以上控制器，機(jī)床的進(jìn)給大多采用交流伺服驅(qū)動(dòng)，除了一般數(shù)控系統(tǒng)的功能外，應(yīng)該至少能實(shí)現(xiàn) 5 軸或 5 軸以上的聯(lián)動(dòng)控制，最小進(jìn)給分辨率為 ，最大快速移動(dòng)速度可以達(dá)到 100m/min 或更高，具有三維動(dòng)畫圖形功能和宜人的圖形用戶界面，同時(shí)具有豐富的刀具管理功能、寬調(diào)速主 6 軸系統(tǒng)、多功能智能化監(jiān)控系統(tǒng)和面向用戶的宏程序功能，還有很強(qiáng)的職能診斷和智能工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)加工條件的自動(dòng)設(shè) 定，并能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)和通信。 數(shù)控加工中心 的優(yōu)缺點(diǎn) 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)有 50 多年的歷史了，經(jīng)過(guò)多次修正，如今它已經(jīng)很成熟了。在這 50 年里，它沒有被社會(huì)發(fā)展所陶汰，證明著它有許多優(yōu)點(diǎn)，而且它的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)可取代的。它的優(yōu)點(diǎn)有高精度、定位準(zhǔn)確性、對(duì)操作者的技術(shù)要求低、能增加生產(chǎn)力、減少人為錯(cuò)誤、能適應(yīng)中、小批量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高的加工、對(duì)工時(shí)估算容易、生產(chǎn)精度掌握容易。 數(shù)控技術(shù)發(fā)展回顧及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控（ NC）階段（ 19521970 年） 早期的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度低，這對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì) 算和數(shù)據(jù)處理影響不大，但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。于是，人們不得不采用數(shù)字邏輯控制電路，組成機(jī)床專用計(jì)算機(jī)。這種數(shù)控裝置稱為硬件連接數(shù)控裝置(HARDWIRED NC)，簡(jiǎn)稱為數(shù)控 (NC)。隨著電子元器件的發(fā)展，這個(gè)階段又經(jīng)歷了三代： 1952 年的第一代 — 電子管計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置；1959 年的第二代 — 晶體管計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置； 1965 年的第三代 — 小規(guī)模的集成電路計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控裝置。 計(jì)算機(jī)數(shù)控（ CNC）階段（ 1970 年 至今） 1970 年研制成功了大規(guī)模集成電路，并將其用于通用小 型計(jì)算機(jī)。此時(shí)的小型計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度比以往的計(jì)算機(jī)有了大幅度的提高，比專用計(jì)算機(jī)成本低、可靠性提高。于是，小型計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，數(shù)控機(jī)床進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控（ CNC） 階段。 1971 年，美國(guó) INTEL 公司在世界上的第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件 運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模的集成電路控制技術(shù)，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(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。 雖然早期的微處理器速度和功能對(duì)數(shù)控裝置來(lái)說(shuō)有局限性，但可以通過(guò)多處理器結(jié)構(gòu)來(lái)解決 相應(yīng)的問題。由于微處理器是通過(guò)計(jì)算機(jī)的核心部件，故此時(shí)的數(shù)控系統(tǒng)仍然成為計(jì)算機(jī)數(shù)控。到了 1990 年， PC 機(jī)的性能已發(fā)展到很高的水平，可滿足數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且 PC 機(jī)的生產(chǎn)批量很大，軟件資源豐富，價(jià)格便宜，可靠性高，數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入基于 PC 的階段。 未來(lái)的發(fā)展 7 當(dāng)今的計(jì)算機(jī)業(yè)的高速發(fā)展，并且計(jì)算機(jī)業(yè)已經(jīng)基本成熟，所以數(shù)控系統(tǒng)還是以 PC 為基礎(chǔ)，開發(fā)以 PC 為基礎(chǔ)的控制器，這種控制器可以將數(shù)控系統(tǒng)與 PC 直接連接，這樣可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)構(gòu)架，這樣數(shù)控機(jī)床也可以像今日的計(jì)算機(jī)業(yè)一樣，用戶可以根據(jù)需要自行對(duì)數(shù)控機(jī)床的軟、硬件進(jìn)行配置，這樣數(shù)控機(jī)床的功能提升了，價(jià)格降低了。同時(shí)數(shù)控機(jī)床還向小型化發(fā)展。 總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970 年的第四代 — 小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)； 1974 年的第五代 — 微處理器組成的數(shù)控系統(tǒng)； 1990 年的第六代 — 基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng) 。 數(shù)控系統(tǒng)半個(gè)世紀(jì)經(jīng)歷了兩個(gè)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(shù)控系統(tǒng)可靠性低、價(jià)格昂貴、應(yīng)用很不方便等極為關(guān)鍵的問題。因此，即使在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床 大規(guī)模地得到應(yīng)用和普及也是在 20 世紀(jì)的 70 年代末、 80 年代初的事情，也就是說(shuō)，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和普及經(jīng)過(guò)了近 30 年。 數(shù)控 系統(tǒng)介紹 三菱數(shù)控產(chǎn)品簡(jiǎn)介 三菱公司是國(guó)際上有影響力的著名企業(yè)，其生產(chǎn)的產(chǎn)品以性能好、質(zhì)量穩(wěn)定可靠獲得廣大用戶的一致好評(píng)，近幾年來(lái)，三菱電機(jī)公司加大了在中國(guó)大陸推廣 CNC 數(shù)控系統(tǒng)的力度。 數(shù)控機(jī)床的核心是控制器，三菱公司推出了高質(zhì)量、高性價(jià)比的 CNC系統(tǒng)，它提供了豐富而先進(jìn)的功能。目前在中國(guó)市場(chǎng)推廣使用的有普及型的 E60 系列，高性能的 M60S 系列數(shù)控系統(tǒng)，以及用于汽 車生產(chǎn)線的高檔C64 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，今年又推出了 E6 M700 等系列 CNC 數(shù)控系統(tǒng)。 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 數(shù)控加工中心結(jié)構(gòu) 數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示 ： 8 圖 數(shù)控加工中心電氣組成結(jié)構(gòu)框圖 由圖 結(jié)構(gòu)框圖可知，加工中心電氣組成分別由 CNC 數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)給伺服軸，主軸及其他軸電力電器、電機(jī)等組成。 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)規(guī)格 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)主要規(guī)格參數(shù)見下表 ： 表 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)主要規(guī)格 車削系統(tǒng) 鉆削 系統(tǒng)、銑削系統(tǒng) 型號(hào) M64SL M64SM 最大控制軸數(shù) 14 7 最大 NC 軸數(shù) 12 6 最大主軸數(shù) 4 最大 PLC 軸數(shù) 2 同時(shí)聯(lián)動(dòng)軸數(shù) 4 輔助軸數(shù) 4 PLC 開發(fā)工具 GX Developer 程序存儲(chǔ)容量（標(biāo)準(zhǔn) /最大） 40/5120 顯示單元 單色 CRT （ 9 寸） 單色 LCD（ 寸 寸） 彩色 LCD（ 寸） MELSEC 網(wǎng)絡(luò) CCLINK M64S 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)具有一般通用數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ,分別由控制單元 /數(shù)控裝置（ CNC） 機(jī) 床 控 制 電 器 主軸伺服器 X軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng) Z軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 刀臂電機(jī)控制 主軸冷卻電機(jī) Y軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng) 刀架電機(jī)控制 排屑電機(jī) 切削液電機(jī)控制 9 顯示單元、基本 I/O 單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)、遠(yuǎn)程 I/O 單元、 RS232等設(shè)備組成，如圖所示： 圖 (a) 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三菱 M64S 數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)的功能強(qiáng)大故當(dāng)其用于加工中心時(shí)的各功能組件也很多，有些組件在本次設(shè)計(jì)中并未遇到，所以在此次設(shè)計(jì)中可將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)稍作簡(jiǎn)化，如圖 （ b） 所示，每一個(gè)單元的安裝與連接在下面章節(jié)均有介紹。 10 （ b） 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) （ 1）所有 M64S 系列控制器都標(biāo)準(zhǔn)配備了 RISC 64 位 CPU，具備目前世界上最高水準(zhǔn)的 硬件性能。 （ 2）高速高精度即能對(duì)應(yīng)，尤為適合模具加工。 （ 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(shí)間要求。 （ 4）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)藏對(duì)應(yīng)全世界主要通用的 12 種多國(guó)語(yǔ)言操作界面。 （ 5）可對(duì)應(yīng)內(nèi)含以太網(wǎng)絡(luò)和 IC 卡界面，即使在程序運(yùn)轉(zhuǎn)中，所有內(nèi)藏資料都可以傳輸對(duì)立。 （ 6）坐標(biāo)顯示轉(zhuǎn)換可自由切換（程序值顯示或手動(dòng)插入量顯示切換） （ 7）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)藏波形顯示功能，工件位置坐標(biāo)及中心點(diǎn)測(cè)量功能。 （ 8）緩沖區(qū)修正機(jī)能擴(kuò)展，可對(duì)應(yīng) HPS/計(jì)算機(jī)鏈接 B/DNC/記憶 /MDI等 模式。 （ 9）圖形顯示機(jī)能改進(jìn)；可含有刀具路徑資料，以充分顯示工件坐標(biāo)及刀具補(bǔ)償?shù)膶?shí)際位置。 （ 10）簡(jiǎn)易式對(duì)話程序軟件。 （ 11）可對(duì)應(yīng) 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， 等。 （ 13）新機(jī)能擴(kuò)展追加，根據(jù)市場(chǎng)，滿足客戶請(qǐng)求，詳細(xì)給營(yíng)業(yè)單位。 11 第二章 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng)硬件 組成 在本 次 畢業(yè)設(shè)計(jì)中 所用的 三菱 M64S 數(shù)控 系統(tǒng)的配置 是標(biāo)準(zhǔn)配置，包括插口與配線，這為我 畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究 提供 了方便。在 本章中 重點(diǎn)介紹 了控制單元、基本 I/O 單元、伺服單元的安裝與 連接。 三菱 M64S 數(shù)控系統(tǒng) NC 單元 控制 及顯示單元 控制單元 控制單元是數(shù)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)與顯示單元、鍵盤單元、基本 I/O單元、手動(dòng)脈沖發(fā)生器、 RS232 儀器等設(shè)備的信息進(jìn)行交換和處理。 （ 1） 控制單元外型及接口 電氣設(shè)備的接地是十分重要的， M64S數(shù)控系統(tǒng)也是不例外的，并且它的接地不同于其他， M64S 的 HR171 通訊卡的 FG 必需單獨(dú)接地，不能與 M64S 控制器進(jìn)行串聯(lián)接地，如 圖 （ a） 所示 ： 圖 （ a） 控制器外型圖 我們對(duì) M64S 控制器與各種設(shè)備間的連接作詳細(xì)的說(shuō)明?？刂破鲌D見圖 （ b） 所示： 12 圖 （ b） 控制器外型圖 注： ① HR171 卡 FG 端子 ② NCNO：通常設(shè)為 0 ③ SW2：通常為 ON ④ AUX2 接頭：通常不使用 ⑤ AUX1 接頭：接顯示器 ⑥ DC1N 直流 24V 電源接口 ⑦ EMG 急停信號(hào)輸入接口 ⑧ AUX1 顯示屏幕連接接口，與顯示屏幕的 CR02 連接 （ 2） 控制單元開關(guān)設(shè)定 NC SYS 設(shè)定見表 表 NC SYS 設(shè)定 設(shè)定 操作模式 內(nèi)容 0 正常系統(tǒng)執(zhí)行 系統(tǒng)動(dòng)作時(shí) 1 PLC 停止 PLC 程式的停止 7 SRAM 全消除 B 系統(tǒng)版本更新 顯示 單元 顯示單元可以是 CRT 顯示也可以是 LCD 顯示，該系統(tǒng)采用的顯示單元是 ”color LCD 顯示器 FCU6DUN33+KB20/KB30，與 CRT 顯示相比較，畫面更清晰，色彩更新，可視性更突出。并且不需要額外提供電源。顯示單元的電路如圖 所示： 13 圖 顯示單元的連 接 開關(guān) 電源 及急停按鈕配線 開關(guān)電源 電源模塊主要是將三相交流電轉(zhuǎn)換 成直流電，為主軸模塊和伺服模塊提供直流電流?，F(xiàn)在我們的電源單元通常使用通用穩(wěn)壓電源，電源的規(guī)格要求是輸出電壓 DC 24V177。 5%，波紋 200MV MAX，輸出電源 3A。電源單元連接圖見圖 圖 電源