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1、河南机电高等专科学校毕业设计 FANUC数控车床的刀架控制系统设计摘 要本次主要是研究FANUC数控车床的刀架控制系统。其中分析了FANUC数控车床的基本组成，数控车床六工位刀架控制系统的机械机构和电气控制以及六工位刀架的PLC程序；测绘FANUC数控车床六工位刀架部分的电气原理图、接线图；对六工位刀架的动作过程的分析。关键词：刀架控制原理；刀架电气控制系统目 录毕业设计说明书（论文）1目 录i第1章 绪论11.1 FANUC数控刀架研究的背景及现状11.2 课题的意义21.3 课题的内容2第2章 FANUC数控车床的基本组成32.1 主控制系统32.2 FANUC伺服单元52.3 辅助装置7
2、第3章 机械结构83.1 刀架总述83.2 刀架的基本结构83.3 刀架的分类93.4 刀架的几种典型结构93.5 FANUC数控车床刀架换刀工作原理11第4章 数控车刀架电气控制系统设计144.1 刀架的控制和接口144.2 霍尔原理在刀架中运用的简单概述144.3 六工位刀架PLC接线原理图154.4 PLC编程的基本步骤及基本编程174.5 六工位刀架梯形图及调试19第5章 结论23参 考 文 献24致 谢25附录26附录一26第1章 绪论1.1 FANUC数控刀架研究的背景及现状从 2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国。在世界这么多的数控制造行业中，目
3、前在我国国内配置的FANUC系统的数控机床约占国内数控机床很大的比例。到目前为止FANUC数控系统的销售还不断在增长。数控车床的外形与普通车床相似，即由床身、主轴箱、刀架、进给系统压系统、冷却和润滑系统等部分组成。数控车床的进给系统与普通车床有质的区别，传统普通车床有进给箱和交换齿轮架，而数控车床是直接用伺服电机通过滚珠丝杠驱动溜板和刀架实现进给运动，因而进给系统的结构大为简化。随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电、液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前我国数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方
4、向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度等。目前，行业上应用的数控刀架按照与主机配套场合主要有分如下高、中、低三个档次。低挡数控刀架结构简单，容易设计和制造。是我国的特色产品，已经形成规模化生产。中档数控刀架可双向选刀，刚性好，但结构复杂，对制造加工设备要求高，此类刀架在我国初具规模。高档数控刀架包括伺服刀架和动力刀架。伺服刀架控制器是伺服刀架和动力刀架的技术核心。高档刀架采用伺服电机驱动源，实现位置、速度的双闭环控制，容易加工制造、
5、精度高、转位快等特点。伺服刀架的控制器即伺服刀架的伺服电机控制是高档数控刀架的关键技术。1.2 课题的意义通过FANUC数控车的刀架控制系统的研究，让我对FANUC数控刀架控制系统有了更全面的了解，比如数控系统的组成部分、刀架的机械结构、车床的进给、刀架控制原理等内容。现在通过做FANUC数控车床刀架控制的毕业课题更加深入的了解数控车床上刀架部分的知识，更好的加强自己在这方面的专业技能。通过研究，让我在大学里面学习的知识在该课题里面得到锻炼，例如：CAD制图，PLC等。让我养成自学能力，培养了自己爱思考、分析问题的好习惯。1.3 课题的内容（1）测绘FANUC数控车床的原理图、接线图：在实验室
6、里进行实物测绘，同时查阅其相关资料进行FANUC数控车床电气原理图、接线图的绘制。（2）分析刀架控制系统：在原有的FANUC数控车床的刀架控制系统的基础上，对其进行深入的研究。（3）有关数控车床六工位刀架机械结构分析，以及数控车床六工位刀架的电气控制。（4）有关数控车床六工位PLC程序分析：在原有的FANUC数控车床PLC程序的基础上，加以改进和完善。（5）撰写有关毕业设计说明书：经过老师的指导，撰写和整理毕业设计说明书。本设计重点和难点是FANUC数控车床六工位刀架的机械结构及工作原理以及FANUC数控车床刀架电气控制分析和PLC程序的调试，需要对刀架的结构非常了解，清楚刀架上的传感器信号的
7、输入输出。第2章 FANUC数控车床的基本组成FANUC数控机床由主控制系统、FANUC驱动与反馈、PMC与接口电路三个重要部分组成。2.1 主控制系统CNC结构及功能介绍。1主控制系统:CNC主控制系统可分为FS Oi-D和FS Oi Mate-D系列两种类型。FANUC Oi MD系列FANUC Oi-D系统的外观如下图21所示。 图21FANUC Oi-D 系统外观图数控系统由主CPU、存储器、数字伺服轴控制卡、主板、显示卡、内置PMC、LCD显示器、MDI键盘等构成，Oi-D系统已经把显示卡集成在主板上。（1）主CPU负责整个系统的运算、中断控制等。（2）存储器包括FROM、SRAM、
8、DRAM:存储器板如图22所示。FROM存放FANUC公司的系统软件和机床厂应用软件，主要是包括插补控制软件、数字伺服软件、PMC控制软件、PMC应用软件（梯形图）、网络通信控制软件、图形显示软件、加工程序等。SRAM存放机床厂及用户数据，主要包含系统参数、用户宏程序、PMC参数、刀具补偿及工件坐标系补偿、螺距误差补偿数据等。DRAM作为工作存储器，在控制系统中起到缓存作用。 图22 存储器板（3）主板：主板包含CPU外围电路、I/O Link、数字主轴电路、模拟主轴电路、RS232数据输入输出电路、MDI接口电路、高速输入信号、闪存卡接口电路等。（4）数字伺服轴控制卡：全数字的运算以及脉宽调
9、制已经以软件的形式打包装入CNC系统内（FROM）,支撑伺服软件运行的硬件环境由DSP以及周边电路组成，这就是常说的轴控制卡（简称轴卡），如下图23所示。图23 轴控制卡2.常见CNC系统配置:FS Oi Mate-D和FS Oi-D的在功能上有区别：FS Oi Mate-D的功能是通过软件方式进行整体打包，可以满足常规的使用，而不带Mate的FS Oi-D系统配置需要根据功能来选择。常见CNC系统配置如下图24所示。3CNC功能模块图（1）CNC控制工作机械的位置和速度，可用于加工、搬运及印刷机的控制等，应用范围十分广泛。CNC控制软件于出厂前装入，机床生产厂和最终用户都不能进行修改。使用宏
10、执行程序和C语音执行程序时，可附加专用界面和循环加工。（2）PMC主要用于机床控制而装在CNC内部的顺序控制器。（3）机床操作面板的开关和指示灯、机床上的限位开关均通过I/O Link与NC进行通信。根据机床规格和使用目的，由机床生产厂家编制顺序程序。（4）CNC控制软件、PMC控制软件和顺序程序等都存在快速只读存储器F-ROM中。通电时，BOOT系统把这些控制软件传送到DRAM中，并根据程序进行CNC处理。断电时，DRAM中的数据全部消失。（5）CNC考虑了通用性，能在各种机床上使用。对于进给轴的快速速度和轴名称等，不同的机床有不同的值，可以在CNC参数中进行设定。此外，设定的刀具长度及半径
11、补偿量等，在机床开发完成后进行修改的数据，均被保存在SRAM内。SRAM采用后备电池，因此断电后，其内存储的数据不会丢失。（6）轴移动指令的加工程序记录在F-ROM中，加工程序的目录记录在SRAM中。（7）CNC控制软件读取SRAM内的加工程序，并经插补处理后把移动指令发给数字伺服软件。（8）数字伺服CPU控制机床的位置、速度和电动机的电流。通常，一个CPU控制四个轴。由数字伺服CPU运算的结果通过FSSB的伺服串行通信总线送到伺服放大器。伺服放大器对伺服电动机通信，驱动电动机回转。（9）伺服电动机的轴上装有脉冲编码器产生脉冲。由脉冲编码器把电动机的移动量和转子角度送给数字伺服CPU。（10）
12、脉冲编码器有断电后还能监视机床位置的绝对脉冲编码器和上电后检测移动量的增量脉冲编码器两种。（11）手摇脉冲发生器通过I/O Link进行连接。（12）SRAM中存储的各种数据的输入和输出可以使用阅读机/穿孔机接口或存储卡。（13）使用阅读机/穿孔机接口时，为便于操纵者连接或者脱开输入输出设备，接口应该安置在机床操作面板附件，并设置名为穿孔面板的连接器。2.2 FANUC伺服单元数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是位置随动系统。它的作用是接受来自数控装置中插补器或计算机插补软件生成的进给脉冲，经变换、放大将其转化为数控机床移动部件的位移
13、，并保证动作的快速和准确。伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的定位精度、跟踪精度、最高移动速度等重要指标。伺服系统由执行元件和驱动控制电路构成。伺服系统按其控制方式分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。在开环伺服系统中，一般采用步进电机、功率步进电机、或电液脉冲马达作为执行元件，而在闭环和半闭环伺服系统中，采用直流伺服电动机、交流伺服电动机或电液伺服阀液压马达作为执行元件。驱动控制电路的作用是先将数控装置发出的进给脉冲进行功率放大转化为执行元件所需的信号形式。数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床各坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另
14、一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。1. i系列伺服系统:i系列是一种可靠性强。性价比卓越的伺服系统，用于机床的进给轴和主轴。通过最新的控制伺服HRV控制和主轴HRV控制，可实现高速。高精度和高效率控制。SVSP伺服放大器具有以下特点：平滑的进给和机身设计紧凑的伺服电动机;高分辨率的脉冲编码器;机身设计紧凑、基本性能卓越的主轴电动机;实现“伺服3轴+主轴1轴”或“伺服2轴+主轴1轴”一体化设计的伺服放大器;具有最新的伺服、主轴控制和伺服调试工具SERVOGUIDE。 图24 SVSP伺服放大器与i系列伺服2. i系列伺服驱动器: FANUC数控系统常用的高性能伺服驱动产品
15、，采用模块化的结构形式，驱动由电源模块、伺服驱动模块、主轴驱动模块组成。主轴模块是用于控制主轴电机的模块，其结构和功能与伺服驱动器类似。主轴驱动模块可分为 200V和高压400V两大系列，实际使用中选用200V的居多。各模块及说明如图25所示。i系列伺服放大器的选型与iS系列的伺服放大器基本相似，所不同的是需要先选择控制轴数，再选择伺服模块、直流短路棒 图25 i系列伺服放大器2.3 辅助装置辅助功能包括各种支持机床操作的功能，像主轴的启动、换刀、程序启停和切削液的开停等。执行辅助功能的基本步骤1.辅助功能的信号处理流程：（1）假设在指令程序中指令了MXXX。XXX可以通过参数为每个功能指定最大位数，指令超过该最大位数时，会有报警发出。（2）输出代码信号M00-M31,经过由参数设定的时间TMF后，选通脉冲代码信号MF成为“1”。代码信号以二进制来表述程序指令值XXX。辅助功能与其他功能指令移动指令一起运行时，同时进行。
