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一种新型数控系统的研制与开发

一种新型数控系统的研制与开发 2011年12月04日 来源： 我国开发高功能数控系统主要是采用标准数控系统产品，开发时只需要编写PMC 软件，完成逻辑控制，驱动伺服轴实现进给准确定位即可，可选数控系统有FANUC、西门子等系统，该方案的优点是CNC 核心软件及操作界面已由数控系统开发商完成，研制难度较低，缺点是数控内核对使用者是保密的，没有自主知识产权，成本较高。随着电子技术、计算机技术、材料技术和信息控制技术的飞速发展，我国数控系统的开发也从低水平经济型数控系统走向高功能数控系统研发。其发展趋势为高可靠性、高柔性化、高加工精度、复合化和制造系统自动化等。本项目致力研究基于数控机床控制系统的软件及相关硬件。针对高精度内圆磨床的数控问题，采用带有定位、模拟量控制、远程网络控制功能的PLC 产品为控制核心，积木式地加上定位、模拟量、网络等模块，利用人机界面通过CNC 软件开发实现磨床的数控功能。该技术途径的内部变量、核心软件及CNC触摸屏操作界面均由自己定义，开发难度较高，但拥有自主知识产权，可直接实现网络控制，适合制造业的柔性化发展方向；从成本上核算，降低了数控机床生产成本。因此，目前的方案是一种可持续开发的、具有创新性的CNC 系统软件构建开发方案。项目实施后，对数控机床的控制方案增加了选项。1、控制系统设计本磨床是用于磨削高圆度内圆的半自动精密磨床，适用于各类元件的批量加工，根据加工要求，本机床有3 种工作状态：调整状态、半自动状态和参数整定状态。本系统主要采用可编程控制器( PLC) 和触摸屏2 级控制的结构， PLC 负责按钮和其他开关量信号的输入以及发出信号去控制接触器、继电器和变频器等电气元件，进而控制各电机的运行。同时控制相应指示灯的显示。触摸屏用来进行参数的修改与设定、自动控制、在线监视和传送信息等工作。PC 机(触摸屏) 通过串行口与PLC 相连，进行相互通信，所以触摸屏是通过发出命令去控制PLC的运行，以达到进行半自动控制的目的。本机床共有13 台电动机和1 台变频器来驱动有关部件。包括主轴冷却电动机、磁性分离电动机、工件冷却电动机、液油泵电动机、动静压油泵电动机、油雾分离电动机、动静压油泵循环电动机、砂轮主轴电动机、工件轴电动机、砂轮往复电动机、液压油冷却电动机、动静压油冷却电动机、砂轮修整器电动机和变频器。在这些电机中，砂轮主轴电动机采用中频变频器进行无级调速；进给分为砂轮轴(轴向) 进给和车头轴(径向) 进给，其中车头(径向) 进给轴X 采用伺服控制。X 轴进给要求：移动距离70 mm ，位置控制精度0. 003 mm ， 电动机丝杠直联， 丝杠螺距5 mm。要求采用中惯量电动机，功率400 W。液压油冷却电动机，动静压油冷却电动机，砂轮修整器电动机为直流电动机。其中砂轮的往复运动由它激式直流电动机驱动，通过可控硅完成调速。机床有关部件的直线(回转) 运动由液压系统完成，共由10 个电磁阀组成。为了保证可编程控制器的可靠性，在可编程控制器的输出端与执行元件之间增加了接口电路。控制系统如图1 所示。控制模块使用FX2N 系列，PLC 为控制主机，以三菱970GOT 触摸屏为人机界面，选择伺服定位单元型号为FX2N210GM ，X轴伺服驱动器型号为MR2J 2S260A ，伺服电动机型号为三菱中惯量HC2SFS252 ，编码器分辨率为131072 脉冲/ 转，其它部件不再累述。

图1 控制系统

2、系统软件开发精密内圆磨床控制系统的软件设计分3 部分：内部变量的合理规划、人机界面画面设计和PLC 程序设计和伺服进给程序设计，由于篇幅所限，给出PLC和伺服程序设计流程， 如图2所示。图中系统上电，指电源总开关；强电开启是为了安全起见，设置的强电总开关，只有此开关闭合，整个系统才能正常工作；工作方式后面将叙述；为了保证机床动作的可靠性，本系统采用了逻辑控制与输出驱动分步进行的方法；系统初始化包括PLC 和定位参数的初始化。

图2 PLC 和伺服程序设计流程

3、数控操作界面设计数控操作面板应该具备界面友好、操作方便、自诊断功能强和适合磨床的工艺特点。精密数控内圆磨床有动作调整、磨削循环、砂轮单次修整循环、砂轮多次修整循环和新砂轮修整循环共5 种工作方式，这些工作状态必须在总启动以后才能执行，机床的每一步动作都有一定的连锁条件，只有在这些条件满足时，该动作才能被执行，为了使操作者方便操作机床，在人机界面上设计了多种指示信息和必要的提示。触摸屏的主控制界面设计主要提供进入这5 种工作方式或进入参数设置的操作入口，为了增强自诊断能力，在操作入口的界面上按键右侧设置了若干操作或故障提示信息，但它们是在符合条件的情况下才出现的，平时则处于消隐状态。在精密内圆磨床的4 种自动循环中，“磨削循环”是最典型的自动循环。本设计以磨削循环为例介绍其控制功能，其余控制功能相应的设计思路与此类似。磨削循环控制功能如下：在符合多重串并联磨削循环条件时，按下外部循环开始按纽，自动循环开始：首先进给系统自动回到电气零位——按工作条件逐步启动纵滑板前进电磁阀、主轴电动机、冷却电动机、往复电动机——进给系统按预置进给到磨削起始位——按进给预置次数及进给量、进给速度要求完成进给过程——进给系统回复原位——按动作顺序及条件逐步停止纵滑板前进电磁阀、冷却电动机、主轴电动机和往复电动机，并进行往复刹车——结束循环。围绕上述控制功能要求，设计出自动磨削循环控制界面。在磨削循环进行过程中，在触摸屏上可以监控循环条件、循环进程、动作状态、X 轴当前位置、进给量和进给速度。当不满足循环条件启动时，自动磨削环控制界面左上方会提示“循环条件不满足”；而在循环进行中，画面上会出现“循环中断”按纽，以便操作人员随时中断该循环。4、结语目前该方案已实施，完成了界面友好的数控磨床操作与显示画面，控制了逻辑符合数控磨床的加工过程动作要求，优化了修整砂轮工艺要求的进给曲线，满足了工艺要求的准确定位。加工精度符合要求。实践证明，本设计是一种可持续开发的、具有创新性的CNC 系统软件构建开发方案。项目实施以后，对数控机床的控制方案增加了选项，降低了数控机床生产成本。(end)

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