基于三菱电机E60数控车床电气控制电路设计

基于三菱电机E60数控车床电气控制电路设计 本科毕业设计( 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ) 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目: 基于三菱电机E60数控车床 电气控制电路设计 Graduation Design (Thesis) Based on The Mitsubishi Electric E60 CNC Lathe Electrical Control Circuit Design 摘 要 数控技术是现代制造业机电一体化的核心，其水平高低关系到生产力的发展状况，在如今社会发挥着越来越重要的作用。而数控机床是数控技术的重要运用，是先进制造技术的重要装备。 本论文的主要任务是将三菱数控系统(E60)应用在数控车床上。课题以普通数控车床电气控制系统开发设计为研究任务，分析三菱电机数控系统结构特征和工作原理，对E60数控系统进行深入研究。通过三菱E60数控系统的硬件连接与系统的PLC控制程序的编写，实现车床X、Z轴的进给，主轴的旋转以及油泵冷却等基本功能。 本论文主要成果包括:三菱E60数控系统的硬件连接，包括控制单元连接、I/O单元连接等;数控车床的电气原理图的绘制，包括强电回路、控制回路等;系统控制PLC程序的设计，以此实现车床的多种功能;软件GX-Developer的运用，来实现计算机与数控系统的通信等。 关键词:三菱E60;数控车床;电气控制;三菱PLC I ABSTRACT Numerical control technology is the core of the modern manufacturing mechanical and electrical integration and its level is related to the development of productive forces . Now it is playing an increasingly important role in today's society. NC machine tools is an important use of numerical control technology ，and it is an important equipment of advanced manufacturing technology. The duty of my thesis is using the Mitsubishi CNC system (E60) in CNC lathe. Its research task is the development and design of the common NC lathe electrical control system, and then analyzing Mitsubishi CNC system structure characteristics and working principle so that I can have a profound understanding of E60. Realizing the lathe’s feeding of X and Z axis, the rotation of the spindle and the basic function such as oil pump cooling through the Mitsubishi E60 CNC system hardware connection and the writing of the PLC control program. The main achievements of this thesis include the following aspects. Firstly, the Mitsubishi E60 CNC system hardware connection, including the connection of control unit and I/O units. Besides, the Numerical control lathe electrical schematic drawing, including heavy current of main circuit, control circuit, etc. What’s more, the PLC program design of system control to achieve a variety of lathe functions. Using the software GX-Developer to achieve the communication with the computer numerical control systems and so on. Key words: Mitsubishi E60; Numerical control lathe; Electrical control; Mitsubishi PLC II 目 录 第一章 绪 论 ......................................................................................... 1 1.1 引言 .............................................................................................................. 1 1.2 选题背景与意义 .......................................................................................... 1 1.3 研究现状 ...................................................................................................... 2 1.4 理论基础 ...................................................................................................... 3 1.4.1 CNC数控基本概念 ............................................................................. 3 1.4.2 数控车床的组成 ................................................................................. 3 1.4.3 数控车床的分类 ................................................................................. 4 1.4.4 数控技术的发展简介 ......................................................................... 8 1.4.5 三菱数控系统的优点 ......................................................................... 9 1.5 三菱E60数控系统的介绍........................................................................... 9 1.5.1 三菱数控产品简介 ............................................................................. 9 1.5.2 E60数控系统简介 ............................................................................ 10 第二章 三菱E60数控系统的硬件连接.............................................. 11 2.1 设备间的连接 ............................................................................................ 11 2.1.1 E60总系统图 .................................................................................... 11 2.1.2 控制单元的连接 ............................................................................... 12 2.1.3 显示单元的连接 ............................................................................... 13 2.1.4 手动脉冲发生器的连接 ................................................................... 14 2.2 I/O界面的连接 ........................................................................................... 15 2.2.1 I/O界面概略 ..................................................................................... 15 2.2.2 基本I/O单元的连接系统 ................................................................ 15 2.2.3 基本I/O单元与控制面板的连接 .................................................... 17 2.2.4 基本I/O单元伺服驱动单元的连接 ................................................. 17 2.2.5 基本I/O单元电源的连接 ................................................................ 18 第三章 数控车床电气原理图设计 ...................................................... 19 3.1 数控车床电气控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计概述 ............................................................. 19 3.1.1 电气系统框图设计 ........................................................................... 19 3.1.3 主轴变频器的确定 ........................................................................... 21 3.2 车床电气原理图设计 ................................................................................. 21 3.2.1 强电主回路的设计 ........................................................................... 21 3.2.2 控制回路电路图 ............................................................................... 23 3.2.3 伺服电路电气设计 ........................................................................... 24 第四章 数控车床PLC控制程序设计 ................................................. 25 4.1 数控系统的系统构成 ................................................................................. 25 4.1.1 PLC开发时的系统构成 .................................................................... 25 4.1.2 系统信号流程图 ............................................................................... 26 III 4.3.1 急停，运行准备 ............................................................................... 33 4.3.2 模式选择 .......................................................................................... 33 4.3.4 主轴倍率设定 ................................................................................... 37 4.4 数控车床PLC控制程序............................................................................ 41 第五章 E60数控系统联机调试 .......................................................... 42 5.1 RS232通讯 ................................................................................................. 42 5.1.1 通讯的基本概念 ............................................................................... 42 5.1.2 RS232串行通讯 ................................................................................ 42 5.1.3 RS232接口的不足 ............................................................................ 42 5.1.4 RS232接口引脚定义 ........................................................................ 43 5.2 GX Developer软件使用说明 ...................................................................... 43 5.2.1 GX Developer软件的安装 ............................................................. 43 5.2.2 GX Developer软件的开启步骤与设定 .......................................... 44 5.2.3 GX Developer软件的编程操作说明 .............................................. 44 5.3 CNC与GX Developer连接 ....................................................................... 46 5.3.1 E60的RS232串行通讯接口 ............................................................ 46 5.4 联机通讯 .................................................................................................... 48 5.4.1 NC相关参数设定 ............................................................................. 48 5.4.2 PLC控制程序的传输 ........................................................................ 49 第六章 结 论 ..................................................................................... 50 6.1 论文总结 .................................................................................................... 50 6.1.1 主要工作及结论 ............................................................................... 50 6.1.2 存在的问题 ...................................................................................... 51 6.2 感想 ............................................................................................................ 52 致 谢 ............................................................................................... 53 IV 第一章 绪 论 1.1 引言 当前，机械制造业发展的一个明显趋势是越来越广泛地应用数控技术。在机械制造工业中，单件、小批量声生产的零件约占机械加工总量的80%左右。此外，市场竞争日趋激烈，致使机械产品不断更新换代，对其质量要求也越来越高，传统的普通加工设备已难于适应高效率、高质量连接、多样化的加工要求、机床数控技术的应用，一方面可以致使机械加工全过程实现自动化;另一方面又使得机械加工的柔性不断提高，即提高了机械制造系统适应各种生产条件变化的能力。同时，数控技术又是柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)的重要技术基础，是机电一体化的重要组成部分。 1946年世界上诞生了第一台电子计算机，它标志着人类创造了可部分代替脑力劳作的工具。它与人类在生产活动中创造的那些只是改善或减轻体力劳动的工具相比起了质的变化，它为人类进入信息社会奠定了基础。在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。20世纪80年代后，微型计算机数控系统的出现，数控系统的性能和品质也得到了极大的提高。近年来，各种数控系统更新也越来越快，功能也越来越完善，其中FANUC、西门子和三菱的数控系统都处于世界领先的地位。 现代数控系统的技术几乎覆盖了自动控制技术、电子技术、数字技术、通信技术、机械制造技术等诸多领域。三菱E60系列数控系统则是高性能的新概念CNC系统。 1.2 选题背景与意义 数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。它的运用和发展，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业格局发生了巨大变化。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等技术都是建立在数控技术之上。随着数控技术的不断完善，通过现代化的数字信号对设备运行及全面的加工过程进行整体的控制，这种技术是一种自动化的技术，通过数控技术的自动化控制，能有效实现机械的自动化处理，因此，数控技术在加工行业中的运行具有很大的实际意义。数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已成为当今制造业的发展方向。 1 本次课题是基于三菱电机E60的数控车床电气控制电路设计，主要设计数控车床电气控制硬件电路设计，并编写PLC程序实现部分功能。能够很好的将大学期间所学课程结合起来，尤其是电路原理、PLC、数控原理等重要课程。课题贴近实际，在工业中应用愈加广泛，具有比较重要的意义。 1.3 研究现状 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。 当前数控系统有着以下几方面的发展趋势: 1.数控系统向开放式体系结构发展。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统。 2.数控系统向软数控方向发展。对不同类型的数控系统进行分析后发现，数控系统不但从封闭体系结构向开放体系结构发展，而且正在从硬数控向软数控方向发展的趋势。 3.数控系统控制性能向智能化方向发展。智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统随之引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理。 4.数控系统向网络化方向发展。数控系统的网络化，主要指数控系统与外部的其它控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。数控系统一般首先面向生产现场和企业内部的局域网，然后再经由因特网通向企业外部，这就是所谓Internet/Intranet技术。 5.数控系统向高可靠性方向发展。随着数控机床网络化应用的日趋广泛，数控系统的高可靠性已经成为数控系统制造商追求的目标。 6.数控系统向复合化方向发展。目前，主流的数控系统开发商都能提供高性能的复合机床数控系统。 7.数控系统向多轴联动化方向发展。最近，国外主要的系统开发商在6轴联动控制系统的研究上已经取得和很大进展，在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。 电子技术、信息技术、网络技术、模糊控制技术的发展使新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术的快速发展。数控机床性能在高速度、高精度、高可靠性和复合化、网络化、智能化、 2 柔性化、绿色化方面取得了长足的进步。现代制造业正在迎来一场新的技术革命。 1.4 理论基础 1.4.1 CNC数控基本概念 1.数控技术 数字控制(NC，Numerical Control,简称数控)技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术。 2.数控系统 采用数控技术的控制系统称为数控系统。 3.数控机床 装备了数控系统的机床即为数控机床。数控机床是集机床、计算机、电机、自动控制、传感检测等技术于一体的自动化设备，使传统的加工工艺发生了质的变化。这个变化的本质就在于用数控系统实现了加工工程的自动化操作。 1.4.2 数控车床的组成 数控车床一般由输入装置、数控系统CNC、伺服驱动系统、辅助控制装置、位置检测装置以及车床本体组成，如图1.1所示。 图1.1数控车床的组成 1.输入装置 输入装置的作用是将数控代码传递并存入数控系统内。根据存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读器、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统;数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。 零件加工程序输入过程有两种不同的方式:一种是边读入边加工(数控系统 3 内存较小时);另一种是将零件加工程序全部读入数控系统内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段调出进行加工。 2.数控系统 数控系统是数控机床的核心。数控系统从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。 3.伺服驱动系统 伺服驱动装置接受来自数控系统的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。伺服驱动系统包括控制器(含功率放大器)和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电机作为执行机构。 4.辅助控制装置 辅助控制装置的主要作用是接收数控系统输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经过功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧等辅助动作。 5.位置检测装置 位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控系统之后，数控系统将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。 6.车床本体 车床本体与传统车床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控车床特别是车削中心在整体布局、外观造型、传统系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了较大的变化。这种变化的目的是为了满足数控车床的要求和充分发挥数控车床的特点。 1.4.3 数控车床的分类 目前数控车床品种齐全、规格繁多，可以从不同的角度进行分类 1.按控制方式分类 (1)开环控制系统 这类控制系统不带检测装置，也没有反馈电路，一般以步进电机和电液脉冲 4 马达作为执行元件。数控装置输出的指令脉冲经驱动电路功率放大后，转换成为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机旋转，再经过机床传动机构带动工作台移动。这种方式只有前向通道，没有反馈通道、控制单元，调试维修方便，价格低廉，但精度和速度受到限制，如图1.2所示。 图1.2 开环控制系统原理图 (2)全闭环控制系统 这类控制系统带有位置检测反馈装置，把直流或者交流电动机作为执行元件。位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线运行)，并将其与数控装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，驱动工作台朝着减小误差方向运动。根据自动控制原理可知，凡是被反馈通道所包围的前向通道中所有误差都能被反馈所补偿，因此，这类控制系统可以获得很高的精度和速度。但是由于它将丝杠、螺母副、导轨以及机床工作台这些大惯量环节或齿轮非线性环节都包含在闭环内，给设计和调节造成困难，系统稳定性得不到保证。全闭环控制系统一般应用于高精度数控机床中，如图1.3所示。 图1.3 全闭环控制系统原理图 (3)半闭环控制系统 这类控制系统也带有检测反馈装置，但检测元件被安装在电动机轴或丝杠轴端处，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运动位置(直线位移)，并将其与数控系统计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。由于闭环的环路内不包含丝杠、螺母副、导轨及机床工作台这些大惯量环节，这些环节造成的误差不能被反馈信号所补偿。因而其综合精度不如全闭环控制系统。但半闭环控制系统环路短，刚性好，调试方便，容易获得比较稳定的控制特性，因此这种半闭环控制系统被实际生产所广泛使用，如图1.4所示。 5 图1.4 半闭环控制系统原理图 2.按数控系统的功能分类 按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三类。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 也会不同。就目前的发展水平来看，可以根据表1-1的一些功能及指标，将各种类型的数控系统分为低档、中档、高档三类。其中，中档一般称为全功能数控或标准型数控。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等。 表1-1 数控系统不同档次的功能和指标 功能 低档 中档 高档 系统分辨率 10μm 1μm 0.1μm G00速度 3-8m/min 10-24m/min 24-100m/min 伺服类型 开环及步进电动机 半闭环及直、交流伺服 闭环及直、交流伺服 联动轴数 2-3轴 2-4轴 5轴或5轴以上 通信功能 无 RS232C或DNC RS232C、DNC、MAP 显示功能 数码管显示 CRT:图形、人机对话 CRT:三维图形、自诊断 内装PLC 无 有 强功能内装PLC 主CPU 8位、16位CPU 16位、32位CPU 32位、64位CPU 结构 单片机或单板机 单微处理器或多微处理器 分布式多微处理器 3.按加工工艺方法分类 (1)普通数控车床 数控车床是在普通车床基础上，增加了数控系统和伺服驱动系统，从而形成 6 能够按照预定程序，自动完成预定加工过程的车床。普通数控车床是指加工用途、加工工艺、相对单一的数控车床，在机械制造行业数量较多，通常称之为经济型数控车床。 普通数控车床采用较低的配置形式使其具有较大的价格优势，与传统的同类车床相比，具有精度一致性好、生产率和自动化程度高的特点。但在机械结构上没有改变普通车床Z向驱动力偏心引起的执行机构变形和导轨承载面不均匀磨损问题，普遍使用的滑动导轨也不能适应高负载系数的自动化生产过程，四方形刀架较少的装刀数量也限制了车床工艺能力的范围。 (2)多功能数控车床 多功能数控车床采用倾斜床身或平床身-斜滑板，具有回轮式刀塔，是用滚动导轨支承刀塔溜板。在回轮刀塔上可以安装10组以上车削刀具或孔加工刀具，回轮刀架上刀具的转位可由液压马达或伺服电机驱动，尾架可以根据需要有液压装置控制其运动。 采用倾斜床身的多功能数控车床刚性好、排屑方便，高温切削对运动导轨的不均匀变形影响减小;倾斜床身的截面可以形成封闭的腔形结构，其型腔内部可以充填泥芯或混凝土等阻尼 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ，在加工中利用阻尼材料的相对摩擦来耗散振动能量，减少振动对表面加工质量的影响。在多功能数控车床上通常配置有自动排屑器，主轴电机和进给电机功率更大，其性能配置更适合精密、大批量生产模式。 (3)车削加工中心 数控车床可以加工各种回转表面，但是如果圆周表面或端面上需要加工键槽或端面孔，就要移到其他机床上去加工。在很多情况下，出于加工精度的考虑，零件是不允许拆卸、重新定位装夹和更换机床的。对于这种以回转面为主要加工内容，兼有圆周表面或端面上加工的零件，车削中心就比较得心应手。 车削加工中心床身均为倾斜结构，主轴使用交流伺服电机驱动或电主轴结构，主轴的最高转速可达6000r/min以上，以满足精加工的需要。为了扩展其工艺范围，在回轮式刀架上配备有多功能的动力刀头，不但可以装夹内外圆车刀，还可装夹自驱动的铣刀、钻头、丝锥等刀具，以完成圆周表面或端面上的各种加工;回轮刀塔的转位使用交流伺服电机驱动，换刀时间短;机床的尾架使用PLC可编程逻辑控制器控制其工作位置，使用方便;对直径尺寸影响较大的X轴多采用光栅闭环控制，以提高加工精度;在机床上通常设置自动对刀仪，由控制指令使其完成对加工刀具的测量，并将测量结果自动补偿到加工过程中。 车削加工中心除具有常规的X轴、Z轴控制外，均具有C轴功能(主轴在加工过程中同时作为旋转坐标轴使用)，与铣削动力头的配合可以再工件上完成特殊型面的加工，如圆柱面凸轮槽、端面凸轮槽。在部分车削加工中心上，还具 7 有Y轴功能和B轴功能，使得机床的工艺范围进一步的扩大。 4.按主轴的配置形式分类 (1)卧式数控车床 主轴轴线处于水平位置的数控车床。它能自动加工各种轴类、套类、盘类等复杂的内外回转表面的零件，是其他类型车床所不能代替的。但该车床车削工件直径的大小受到床身导轨的限制，工件越大，主轴及其轴承承受的弯矩越大，难以保持精度。 (2)立式数控车床 主轴轴线处于垂直位置的数控车床。该车床工作台装在底座上，工件装卡在工作台上，并由工作台带动旋转。进给运动由垂直刀架和侧刀架实现。该车床将主轴立起来，工件装卸、观察方便，主轴轴承不承受工件、花盘等重力产生的弯矩，工件及工作台的重量由导轨或推力承受。 立式数控车床和卧式数控车床相比，在加工大型盘类、套类、壳体类工件时具有较高的精度和生产率，工件越大这种特点越突出。 1.4.4 数控技术的发展简介 -1970年) 1.数控(NC)阶段(1952 早期的计算机运算速度低，这对当时的科学计算和数据处理影响不大，但不能适应机床实时控制的要求。于是，人们不得不采用数字逻辑控制电路，组成机床专用计算机。这种数控装置称为硬件连接数控装置(HARD-WIRED NC)，简称为数控(NC)。随着电子元器件的发展，这个阶段又经历了三代:1952年的第一代 — 电子管计算机组成的数控装置;1959年的第二代 — 晶体管计算机组成的数控装置;1965年的第三代 — 小规模的集成电路计算机组成的数控装置。 2.计算机数控(CNC)阶段(1970年-至今) 1970年研制成功了大规模集成电路，并将其用于通用小型计算机。此时的小型计算机，其运算速度比以往的计算机有了大幅度的提高，比专用计算机成本低、可靠性提高。于是，小型计算机作为数控系统的核心部件，数控机床进入了计算机数控(CNC)阶段。1971年，美国INTEL公司在世界上的第一次将计算机的两个最核心的部件-运算器和控制器，采用大规模的集成电路控制技术，将其集成在一块芯片上，称为微处理器(Microprocessor)，又称中央处理单元CPU。1974年，微处理器应用于数控系统。 虽然早期的微处理器速度和功能对数控装置来说有局限性，但可以通过多处理器结构来解决相应的问题。由于微处理器是通过计算机的核心部件，故此时的数控系统仍然成为计算机数控。到了1990年，PC机的性能已发展到很高的水平，可满足数控系统核心部件的要求，而且PC机的生产批量很大，软件资源丰富， 8 价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入基于PC的阶段。 1.4.5 三菱数控系统的优点 三菱数控系统的优越性如下所述: 1.灵活性大 三菱数控系统的数控功能大多由软件在通用性较强的硬件支持下来实现的，其功能的修改、扩充和适应性方面都具有较大的灵活性，如果要改变、扩充其功能，只要通过对软件的修改和扩充便可以满足。 2.通用性强 三菱数控系统大多采用模块化的结构。按模块化方法组成的系统基本配置是通用的，不同的数控机床，只要配置相应的功能模块，就可以满足这些机床的特定控制功能，这对数控机床的培训和学习以及维护、维修也是十分方便的。 3.数控功能丰富 三菱数控系统利用计算机的高度计算能力，可实现许多复杂的数控功能，如高次曲线插补、动静态图形显示、多种补偿功能，数字伺服控制功能等。 4.可靠性高 三菱数控系统很多功能由软件实现，硬件结构大大简化，采用大规模和超大规模通用和专用集成电路，使可靠性更进一步。 5.易于实现机电一体化 由于采用计算机，使硬件数量相应减少，加之电子元件集成度越来越高，使硬件的体积不断减小，控制柜的尺寸也相应减小。因此，三菱数控系统的结构非常紧凑，使其与机床结合在一起成为可能，又由于通讯功能的增强，容易组成数控加工自动线，如FMC、FMS、DNC和CIMS等。 6.使用维护方便 操作使用方便:机床的操作采用菜单结构，用户只需根据菜单的提示，进行操作。 编程方便:具有多种编程的功能，并且具有程序自动校验和模拟仿真功能。 维护维修方便:数控机床的许多日常维护各种都有数控装置承担;而且，数控机床的自我诊断功能，可迅速使故障定位，方便维修人员。 1.5 三菱E60数控系统的介绍 1.5.1 三菱数控产品简介 三菱公司是国际上有影响力的著名企业，其生产的产品以性能好、质量稳定可靠获得广大用户的一致好评，近几年来，三菱电机公司加大了在中国大陆推广 9 CNC数控系统的力度。 数控机床的核心是控制器，三菱公司推出了高质量、高性价比的CNC系统，它提供了丰富而先进的功能。目前在中国市场推广使用的有普及型的E60系列，高性能的M60S系列数控系统，以及用于汽车生产线的高档C64CNC数控系统，后期又推出了E68、M700等系列CNC数控系统。 1.5.2 E60数控系统简介 1.三菱E60数控系统规格 三菱E60数控系统主要规格参数见表1-2。 表1-2 三菱E60数控系统主要规格 NC规格 E60 控制器型号 M L 最大轴数(NC轴+主轴+PLC轴) 5 5 最大伺服轴数(NC轴+PLC轴) 4 4 最大NC轴数(系统合计) 3 3 最大主轴数 1 1 最大PLC轴数 1 1 最大同时轮廓控制轴数 3 3 2.三菱E60数控系统特点 (1)内含64位CPU的高性能数控系统，采用控制器与显示器一体化设计，实现了超小型化; (2)伺服系统采用薄型伺服电机和高分辨率编码器(131,072脉冲/转)，增量/绝对式对应; (3)由参数选择车床或铣床的控制软件，简化维修与库存; (4)全部软件功能为标准配置; (5)标准具备1点模拟输出接口，用以控制变频器主轴; (6)可使用三菱电机 MELSOFT开发软件GX-Developer，简化PLC梯形图的开发; (7)可采用新型2轴一体的伺服驱动器MDS-R系列，减少安装空间; (8)开发伺服自动调 整软件，节省调试时间及技术支援之人力。 10 第二章 三菱E60数控系统的硬件连接 在本次毕业设计中所用的三菱E60数控系统的配置是标准配置，包括插口与配线，这为我毕业设计的研究提供了方便。在本章中重点介绍了控制单元、基本I/O单元、伺服单元的安装与连接。 2.1 设备间的连接 2.1.1 E60总系统图 图2.1 E60总系统图 E60系统的构成单元包括以下几个部分: 1.控制单元FCU6-MU071，有主卡HR761、存储卡HR741、主轴连接选件HR753等; 2.显示单元FCU6-DUE71-1; 3.基本I/O单元FCU6-HR341/FCU6-HR351; 4.远程I/O单元FCUA-DX1; 5.手动脉冲发生器; 6.RS232C设备等等。 11 2.1.2 控制单元的连接 将显示单元、键盘单元、基本I/O单元、远程I/O单元、手动脉冲发生器、RS-232C设备等连接到控制单元。 1.控制单元的连接系统图 图2.2控制单元的连接系统图 控制单元是数控系统的核心，负责与显示单元、键盘单元、基本I/O单元、手动脉冲发生器、RS-232仪器等设备的信息进行交换和处理。 下表是对控制单元的插头进行说明。 表2-1 插头说明 FCU6-MU071 CF10 连接基本I/O单元 HANDLE 连接手动脉冲发生器 SIO 连接RS232C设备 RIO 连接远程I/O单元 EMG 连接紧急停止信号 CRT 连接显示单元(使用FCU6-DUE71时连接) LCD 连接显示单元(使用FCU6-DUT11时连接) NCKB 连接键盘单元 DCIN 连接DC24V电源 CF01 连接电源切断信号(ACFAIL)(使用通用电源时开) 12 2.控制单元的插头配置图 控制单元的背面外观实物图如图2.3所示。 图2.3控制单元的插头配置图 2.1.3 显示单元的连接 显示单元可以是CRT显示也可以是LCD显示，本次设计采用的是10.4寸CRT单色显示器FCU6-DUE71，相比彩色显示器成本较低，显示效果也能满足平时所需。 由于采用的是各单元分离结构，所以必须进行如图2.4所示的连接。 请将F590电缆连接到控制单元的CRT插座，将菜单按键附属电缆连接到控制单元下层键盘单元的插座上。 此外，必须通过FCUA-R100电缆向显示单元的CRT2插座提供AC100V电源。 13 图2.4 显示单元FCU6-DUE71的连接 2.1.4 手动脉冲发生器的连接 手动脉冲发生器连接到控制单元的插头HANDLE。 本单元能够连接DC5V电源型与DC12V电源型的手动脉冲发生器。最多可 连接2台手动脉冲发生器。 通信端口为控制单元上的插头，如图2.5所示。 图2.5 手动脉冲发生器的连接图 14 2.2 I/O界面的连接 2.2.1 I/O界面概略 I/O界面分为两种。第一种为基本I/O，用于DI/DO、伺服驱动单元、同期进给编码器、跳跃信号、远程I/O单元的连接，必须对每1台控制单元安装1台基本I/O单元。第二种为远程I/O，连接到基本I/O单元或控制单元的RIO插座，除DI/DO外，还能够进行模拟输入、模拟输出。 通常使用1台基本I/O单元。当1台I/O单元不足时，将远程I/O单元连接到RIO插座，构成符合机械制造商规格的I/O点数。如图2.6所示。 图2.6 使用远程I/O单元时的连接 2.2.2 基本I/O单元的连接系统 基本I/O单元是用于DI/DO、伺服驱动单元、同期进给编码器、跳跃信号、远程I/O单元的连接必须对每1台控制单元安装1台基本I/O单元。 1.基本I/O单元的连接系统图 图2.7 基本I/O单元的连接系统图 15 基本I/O单元的连接系统插头说明如表2-2所示。 表2-2 插头说明 FCU6-HR341 FCU6-HR351 SV1 连接伺服驱动单元 1系统 SV2 连接伺服驱动单元 2系统 ENC 连接同期进给编码器 SKIP 连接跳跃信号输入(最多可使用4点) 连接远程I/O单元 RIO/RIO1 (由于基本I/O单元占用2中断，所以可使用另外6个中断的占 用通道号。) AO 连接模拟输出信号(1点) CF31 DI32(0V共接/24V共接) DI32(0V共接/24V共接) CF32 DI32(0V共接/24V共接) DI32(0V共接/24V共接) CF33 DO32(0V共接) DO32(0V共接) CF34 DO32(0V共接) DO32(0V共接) CF10 连接控制单元 DCINF 连接DC24V稳压电源 2.基本I/O单元的插头配置图 FCU6-HR341/HR351基本I/O单元外观 图2.8基本I/O单元的插头配置图 16 2.2.3 基本I/O单元与控制面板的连接 基本I/O单元FCU6-HR341是三菱数控系统的最基本的配置之一输入插口为CF31、CF32，两个插口共有64点，输出插口CF33、CF34，CF33有32点，CF34有16点，共48点，根据系统的规定在机床侧接DC24V电源。 机械控制信号与基本I/O单元控制信号连接如图2.9所示。 图2.9 控制信号连接 2.2.4 基本I/O单元伺服驱动单元的连接 基本I/O单元具有两个伺服驱动的接口SV1(1系统)、SV2(2系统)，伺服驱动单元连接到基本I/O单元的SV1插座(伺服轴、PLC轴、主轴)、SV2插座。具体连接如图2.10所示。 图2.10 伺服驱动单元的连接 17 2.2.5 基本I/O单元电源的连接 通过DCIN插座向基本I/O单元提供DC24V电源。此外，在FCU6-HR341/HR351单元中，输入输出电路用的电源是不同的系统，所以请向 CF34插座进行所需的电源、GND配线。CF31,CF34插座的电源、GNDCF31, 针脚已在内部被连接在一起。 图2.10 基本I/O单元电源的连接图 18 第三章 数控车床电气原理图设计 本次数控车床的电气原理图的设计部分是所必须掌握的。本章电气原理图的设计着重介绍了车床机械部分包括电机等电气设备的设计。 3.1 数控车床电气控制方案设计概述 本次数控车床的电气控制要求主要包括:进给轴采用交流伺服电机控制;主轴采用变频器控制，能实现主轴正转、反转及停止功能;能实现自动冷却，润滑功能等等。 3.1.1 电气系统框图设计 图3.1 电气系统框图 由图可知，数控车床分别由数控装置(CNC)，机床控制电气X、Z轴进给驱动，电动机主轴变频器，刀架电动机控制，冷却控制及其他信号控制电路组成。 19 3.1.2 交流伺服电机的确定 三菱电机的伺服电机根据使用目的、电机惯量 (电机惯性) 的大小、编码器分辨率区分电机系列。伺服电机的控制精度由编码器的分辨率、电机特性、参数调整确定。本次X轴和Z轴的伺服电机采用小功率的HA系列的电机，选用的是HA33N的伺服电机，自带有抱闸功能。其主要规格参数见下表所示。 表3-1伺服电机规格表 伺服电机型号 HA33N 对应伺服驱动器型号 MDS-B-SVJ2-03 额定输出 [KW] 0.45 额定电流 [A] 2.2 连续特性 额定扭矩 [N?m] 1.43 静态电流 [A] 3.0 静态扭矩 [N?m] 1.96 额定回转速度 3000 [r/min] 最大回转速度 3000 [r/min] 最大电流 [A] 8.1 最大扭矩 [N?m] 5.6 电机惯量 [kg,cm2] 1.96 电机惯量 (带制动器) [kg,cm2] 2.16 电机轴换算推荐负荷惯量比 电机惯量的3 倍以下 电源设备容量 [KVA] 0.9 速度, 位置编码器 25,000 (脉冲/转) 由于伺服驱动器需要提供三相220V交流电压，故还需采用专门的伺服变压器，输入端为三相380V交流电，输出端为三相220V交流电。 20 3.1.3 主轴变频器的确定 主轴可采用变频器控制也可采用伺服电机，本次设计采用的是变频器进行调速和正反转控制。 ，其基本规格主轴电机采用的是普通三相异步交流电动机，型号为YS-6314如下:三相Y:380V/50HZ，Δ:220V/50HZ的额定电压及频率;额定功率0.12KW;额定转速1400r/min;额定电流0.48A。 变频器采用三菱S500型号的变频器,型号为FR-S540SE-0.4K-CH，主要参数如下:适用电机容量0.4KW;额定容量0.9KVA;额定电流1.1A;额定输入交流电压三相 380,480V，频率50Hz;电源容量1.5KVA。 变频器的标准接线图如下所示。 图3.2 变频器电气接线图 3.2 车床电气原理图设计 3.2.1 强电主回路的设计 下面列出强电部分的电路图，在下图中,从电网中接入三相380V交流电，通过总电源开关QF0给各个部分供电。实现到开关电源、刀架电机、油泵电机、伺服强电、主轴驱动的总电路。电路中，空气开关QF1-5是被用来对整个动力线路进行过载及短路保护的。至于灭弧的RC装置，则被用来保护交流接触器的主触点，防止主触点断开时，在动静触电间产生强烈电弧烧坏主触点。而KM则起到欠压保护的作用。再有就是辅助触点，输入到PLC作为QF的状态信号。空开的保护电流是可调节的，可根据电动机的额定电流来调节，空开的设定值起到过流保护的作用。 21 图3.3 强电主回路 开关电源是一种电压转换电路，利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。在上图中，为CNC控制单元的主轴模块和伺服模块提供直流电。现在我们的电源单元通常使用通用稳压电源，电源的规格要求是输出电压DC 24V?5%，输出电流3A。 刀架电机功率0.25KW，通过KM1，KM2的通断可以实现刀架的正反 22 转。油泵电机的功率0.15KW，为单方向控制。主轴则通过变频器实现控制。伺服进给驱动方面，由于伺服驱动器为三相220V供电，故需要专门伺服变压器实现三相220V的输出。 3.2.2 控制回路电路图 图3.4 控制回路图 图示左边一部分是直流弱电控制回路，SB2为启动按钮，SB1为急停按钮，当按下启动按钮时，机床开始运作，KA0通电，控制主轴变频器得电正常工作，伺服变压器也开始工作。 右侧为交流电气控制回路，通过与PLC的连接控制车床的相应动作。比如图中油泵冷却控制对应的PLC输出地址为YA，当系统需要油泵冷却时，PLC的YA输出有效，从而油泵电机输出继电器闭合，KA3闭合，KM3线圈得电，KM3主触点吸合，此时油泵电机开始转动正常工作。 图中刀架的控制和油泵电机的控制类似，并且刀架的正反转控制运用了一个互锁原理，当刀架正转有请求信号时，KA1得电，KM1得电同时KM2不得电，刀架电机正转，反转也一样。当同时有正、反转请求时，KA1、KA2同时得电，这样KM1、KM2都不得电，刀架不动。 23 3.2.3 伺服电路电气设计 在伺服电路中输入电压三相380V交流电压，通过变压器获得伺服驱动所需的三相220V，KM4为伺服强电部分的交流接触器主触点，在驱动器中L1、L2、 、L12控制电路电源连接单项电源，L3 为主回路电源，用于电路电源输入，L11 L11应与L1同相、L12与 L2同相，PE端接地，P、C、D接回生选件，在本次实际中使用的是标准内置回生电阻，故只需将P-D间短接即可。U、V、W伺服电机输出，连接到伺服电机电源端(U、V、W)。图中连接NC单元的CN1A是与基本I\O单元中的SV1连接的，通过这个线来完成NC指令到伺服驱动的传输，如图3.5所示。 图3.5 伺服单元电气连接图 24 第四章 数控车床PLC控制程序设计 本章主要研究的是数控车床的软件编程，数控系统的输入和输出信号，并且对系统的配置进行简单介绍。数控车床完成各种功能依赖于硬件基础，但软件程序的支持也是车床能够完成指令的关键。因此，必须设计出相应的车床PLC控制程序。 4.1 数控系统的系统构成 4.1.1 PLC开发时的系统构成 图4.1 PLC开发时的系统构成 25 上图为PLC开发时的系统构成，个人电脑通过RS232C接口与CNC通信，利用电脑上的开发工具软件进行上传下载。 4.1.2 系统信号流程图 图4.3 E60数控系统信号流程图 从信号流程图可以看出，一台数控车床内部信号的交换大体可以划分三部分，即控制器、机器/机器操作面板和可编程逻辑控制器(PLC)。其中控制器与 PLC之间信号使数控系统内部规定的，不提供开发，控制器向PLC输入X信号(X180之后的信号) ，用于系统向PLC输入执行命令，PLC向控制器输出Y信号(Y180之后的信号)，要具体得应用通过查阅PLC接口手册;机器/机器操作面板与可编程逻辑控制器的信号只有X、Y信号，即一些开关量的输入输出信号，这些信号要通过工程人员的开发实现某种功能;控制器与机器/机器操作面板之间不存在直接的信号交换。 26 4.2 输入输出地址 用户 PLC 中所使用的输入输出信号，包括如下内容。 (1) 与控制装置之间的输入输出 (2) 与操作板之间的输入输出 (3) 与机械端之间的输入输出 用户 PLC 并不是将这些信号直接读/写到硬件或控制装置加以使用，而是对映像内存进行读/写操作。对硬件或控制装置的读/写操作，是由控制装置根据主处理、高速处理的等级，将输入输出汇总之后再加以进行。 三菱E60数控系统输入输出的硬件有基本I/O单元、远程I/O单元。 三菱E60数控系统提供给工程技术人员开发的最大数字输入信号256个，最大数字输出信号240个，包括基本I/O单元和远程I/O单元。要做说明的是PLC开关，我们在屏幕上可以设定32点PLC开关并执行开/关操作。这些开关可以作为机床操作开关的一部分，其用途可以由PLC程序自由定义，每个开关的名称可以随PLC确定并显示在屏幕画面上。 控制面板如下图所示: 图4.4 控制面板图 至于CNC到PLC的信号和PLC到CNC的信号，由于信号都是固定，工程人员一般是不可以开发的。在三菱数控系统PLC查阅便可。 根据操作面板与数控装置I/O单元的连接，定义操作面板的地址信号如下: 27 表4-1 控制面板信号CF31(输入) 插头 信号简称 信号说明 地址 插头 信号简称 信号说明 地址 B20 MODE(A) 模式选择1 X0 A20 F5 F5功能 X10 B19 MODE(F) 模式选择2 X1 A19 +X X轴正向 X11 B18 MODE(B) 模式选择3 X2 A18 保留 X12 RAPID 快速进 B17 X3 A17 -X X轴负向 X13 TRAVERSE(A) 给倍率1 RAPID 快速进 过行程 B16 X4 A16 O.T.REL X14 TRAVERSE(F) 给倍率2 解除 SPINDLE B15 主轴倍率1 X5 A15 +Y Y轴正向 X15 OVERRIDE(A) SPINDLE B14 主轴倍率2 X6 A14 -Z Z轴负向 X16 OVERRIDE(F) SPINDLE 第四轴正B13 主轴倍率3 X7 A13 +4 X17 OVERRIDE(B) 向 B12 保留 X8 A12 F6 F6功能 X18 FEEDRATE 手动进 B11 X9 A11 ORI 主轴定位 X19 OVERRIDE(A) 给倍率1 FEEDRATE 手动进 B10 XA A10 SP CCW 主轴反转 X1A OVERRIDE(F) 给倍率2 FEEDRATE 手动进 B09 XB A09 SP STOP 主轴停止 X1B OVERRIDE(B) 给倍率3 FEEDRATE 手动进 B08 XC A08 SP CW 主轴正转 X1C OVERRIDE(E) 给倍率4 单节程 B07 -4 第四轴负向 XD A07 S.B.K X1D 式执行 选择性 B06 +Z Z轴正向 XE A06 M01 X1E 停止 B05 -Y Y轴负向 XF A05 D.R.N 空运行 X1F B04 reserve A04 reserve B03 COM A03 COM B02 DC24V A02 0V(RG) B01 DC24V A01 0V(RG) 28 表4-2 控制面板信号CF32(输入) 插头 信号简称 信号说明 地址 插头 信号简称 信号说明 地址 B20 B.D.T 程序跳段 X20 A20 F4 F4功能 X30 B19 M.L.K 机器锁固 X21 A19 保留 X31 B18 ZLOCK Z轴锁固 X22 A18 保留 X32 辅助机 B17 AFL X23 A17 保留 X33 能锁固 B16 F1 F1功能 X24 A16 保留 X34 B15 FEED HOLD 暂停 X25 A15 保留 X35 B14 CYCLE START 程式启动 X26 A14 保留 X36 B13 保留 X27 A13 保留 X37 EDIT B12 EDIT ON/OFF X28 A12 保留 X38 钥匙 冷却水 B11 AUTO X29 A11 保留 X39 自动 冷却水 B10 MAN X2A A10 保留 X3A 手动 B09 AIR BLOW 气压 X2B A09 保留 X3B 卷切削 B08 CHIP CVY X2C A08 保留 X3C 动作 B07 MAGCW 刀臂旋转 X2D A07 保留 X3D B06 F2 F2功能 X2E A06 保留 X3E B05 F3 F3功能 X2F A05 保留 X3F B04 reserve A04 reserve B03 COM A03 COM B02 DC24V A02 0V(RG) B01 DC24V A01 0V(RG) 29 表4-3 控制面板信号CF33(输出) 插头 信号简称 信号说明 地址 插头 信号简称 信号说明 地址 X轴归 B20 Y0 A20 F5 F5功能 Y10 原点 Y轴归 B19 Y1 A19 +X X轴正行程 Y11 原点 Z轴归 B18 Y2 A18 Y12 原点 第四轴 B17 Y3 A17 -X X轴负行程 Y13 归原点 CLAMP 过行程 B16 Y4 A16 O.T.REL Y14 (夹松刀) 解除 B15 M02/M30 Y5 A15 +Y Y轴正行程 Y15 B14 NC? NC报警 Y6 A14 -Z Z轴负行程 Y16 第四轴 B13 Mfail Y7 A13 +4 Y17 正行程 润滑油 B12 LuBe? Y8 A12 F6 F6功能 Y18 异常 B11 Y9 A11 ORI 主轴定位 Y19 油泵电机 B10 YA A10 SP CCW 主轴反转 Y1A 输出继电器 机床准备 B09 YB A09 SP STOP 主轴停止 Y1B 好指示灯 B08 YC A08 SP CW 主轴正转 Y1C 第四轴 单节程 B07 -4 YD A07 S.B.K Y1D 负行程 式执行 选择性 B06 +Z Z轴正行程 YE A06 M01 Y1E 停止 B05 -Y Y轴负行程 YF A05 D.R.N 空运行 Y1F B04 reserve A04 reserve B03 COM A03 COM B02 DC24V A02 0V(RG) B01 DC24V A01 0V(RG) 30 表4-4 控制面板信号CF34(输出) 插头 信号简称 信号说明 地址 插头 信号简称 信号说明 地址 B20 B.D.T 程序跳段 Y20 A20 Y30 B19 M.L.K 机器锁固 Y21 A19 Y31 B18 ZLOCK Z轴锁固 Y22 A18 Y32 辅助机 B17 AFL Y23 A17 Y33 能锁固 B16 F1 F1功能 Y24 A16 Y34 B15 FEED HOLD 暂停 Y25 A15 Y35 B14 CYCLE START 程式启动 Y26 A14 Y36 B13 Y27 A13 Y37 B12 Y28 A12 Y38 冷却水 B11 AUTO Y29 A11 Y39 自动 冷却水 B10 MAN Y2A A10 Y3A 手动 B09 AIR BLOW 气压 Y2B A09 Y3B 卷切削 B08 CHIP CVY Y2C A08 Y3C 动作 B07 MAGCW 刀臂旋转 Y2D A07 Y3D B06 F2 F2功能 Y2E A06 Y3E B05 F3 F3功能 Y2F A05 Y3F B04 reserve A04 reserve B03 COM A03 COM B02 DC24V A02 0V(RG) B01 DC24V A01 0V(RG) 31 表4-5 M辅助寄存器的定义 地址 注释 地址 注释 M0 ON M501 M01程序选择停 M2 开机脉冲 M502 M02程序停止 M30 (自动)模式中 M503 M03主轴正传 M32 (手动)模式中 M504 M04主轴反转 M46 主轴手动操作有效 M505 M05主轴停止 M75 M01选停 M508 M08冷却液开 M99 紧停状态 M509 M09冷却液关 M156 第一轴回零 M519 M19主轴定位 M157 第二轴回零 M530 M30程序结束 M158 第三轴回零 M600 M00、M01、M02、M30完成 M200 主轴正转指令 M601 M03、M04、M05、M19完成 M201 主轴反转指令 M602 M08、M09完成 M500 M00程序停止 M700 辅助功能完成 32 4.3 PLC控制程序说明 4.3.1 急停，运行准备 图4.5 急停，运行准备 这部分是运行前的准备，根据系统内文件寄存器R69定义，当没有急停时，R69=B 1111 1111 1111 1111=K-1，若人为按下紧停按钮后，R69=B 1111 1111 1110 1111。当系统没有急停时，M99紧停状态为ON。 4.3.2 模式选择 模式的选择是通过操作面板上的NDS波段开关来实现的，其对应的输入地址为X2、X1和X0。而PLC的输出方式信号地址则通过查E60的PLC接口说明书而得，具体见下表: 表4-6 模式选择列表 模式 X2 X1 X0 十进制值 纸带DNC模式(Y211) 1 1 1 K7 增量INC模式(Y20A) 1 1 0 K6 记忆(自动)AUTO模式(Y210) 1 0 1 K5 MDI模式(Y213) 1 0 0 K4 手轮模式(Y209) 0 1 1 K3 JOG模式(Y208) 0 1 0 K2 快速移动模式(Y22E) 0 0 1 K1 回原点ZRN(Y20C) 0 0 0 K0 33 34 图4.6 模式选择 上面的程序MOV K1X0 D0是指将X3、X2、X1、X0连续四位值送入16位的DO寄存器中，然后和7相与取低三位送入D1中，判断D1的值，输入到相应的系统PLC内部定义的地址。 然后定义点动模式、手轮模式、回零模式和增量模式为手动模式，定义记忆模式、纸带模式、MDI模式为自动模式。 35 4.3.3 JOG模式运行 图4.7 JOG模式运行 36 在手动模式下而且非手轮模式中，当按下X11按钮时，第一轴(X轴)正向移动;按下X13按钮，X轴反向移动。X11与X13采用了互锁控制， 同时按下将不起作用。 而M156指的是第一轴回零请求，是在回零模式中定义的辅助寄存器。这里先出现，主要是为了防止在回零模式程序中，因有回零请求使X轴Z轴正向移动，从而会出现双线圈输出。这样是不允许的。在回零模式中，先要第二轴(Z轴)已回零的前提下，第一轴才能回零，主要是出于安全考虑。 当按下相应按钮后，X、Z轴开始运动，对应的指示灯亮。 4.3.4 主轴倍率设定 主轴倍率的设定有两种方法。一种是普通的代码法，通过X7、X6、X5的各种不同组合实现8种倍率的选择。另外一种是文件寄存器法，这种方法可以在0%-200%进行倍率选择，增量为1%，它是将倍率值用二进制码存入文件寄存器R148中的。 本次设计采用的是文件寄存器方法，是通过Y28F信号来选择的。Y28F在E60系统中的说明是主轴倍率数值设定方式，当Y28F信号为1时，采用的是文件寄存器法，为0时采用代码法。 下面是主轴倍率的文件寄存器法的梯形图程序。 37 图4.8 主轴倍率设定 4.3.5 M功能指令的实现 M代码是经由PLC及NC的处理，来决定机台的动作，现以M码功能表的举例如下: 表4-8 M代码功能 代码 功能 代码 功能 M00 程序暂停 M05 主轴停止 M01 选择性程序暂停 M08 冷却液开 M02 程序停止 M09 冷却液关 M03 主轴正转 M19 主轴定位 M04 主轴反转 M30 程序结束 38 在M代码需要PLC输入信号X230-X233来选通，它是由NC给与的输入信号，这个信号表示，第一组MD代码是随着自动操作(存储器、MDI、纸带)加工程序或手动数字命令输入起了接受命令。下面以主轴正、反转和主轴停来说明其相应的梯形图，如图4.9所示。 39 40 图4.10 M功能的实现 4.4 数控车床PLC控制程序 由于PLC程序较多，在此不一一列举，详见附录部分。 41 第五章 E60数控系统联机调试 5.1 RS232通讯 5.1.1 通讯的基本概念 计算机与计算机或计算机与终端之间的的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行通讯两种。 1. 一条信息的各位数据在一根数据信号线上被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯，数据每一位数据都占据一个固定的时间长度。 2. 一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。 5.1.2 RS232串行通讯 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS232-C接口(又称EIA RS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准 ”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。 RS232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。 5.1.3 RS232接口的不足 由于RS232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点: 1.接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。 2.传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。 3.接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地 42 传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4.传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。 5.1.4 RS232接口引脚定义 目前较为常用的串口有9针串口(DB9)和25针串口(DB25)，RS232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座。一些设备与PC机连接的RS232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座。 表5-1 RS232引脚定义 针脚 针脚名 说明 1 CD 载波检测 2 RXD 接收数据 3 TXD 发送数据 4 DTR 数据终端准备完成 5 GND 信号地线 6 DSR 数据准备完成 7 RTS 发送请求 8 CTS 发送清除 9 RI 振铃指示 5.2 GX Developer软件使用说明 三菱公司提供的编程软件——GX Developer(PLC设计维护工具)是三菱电机的MELDAS系列可编程逻辑控制器设计的编程软件包，通过执行与对MELDAS系列所执行的类似操作，它能够完成Q系列、A系列(包括运动控制CPU)、FX系列PLC梯形图、指令表、SFC等的编辑。能够灵活对应各种语言、大幅度提高了编程效率。 5.2.1 GX Developer软件的安装 在PC上安装此软件，建议使用Version 4(SW4D5C_GPPW)或更新的版本。 43 这里以最新的GX Developer Version 8.0中文版安装步骤说明: (1)打开 \GXDeveloper8.0\EnvMEL 文件夹，双击 setup 图标，安装 GX Developer V8.03 运行环境。 (2)(当操作系统版本为Windows 98或以上时，需执行此步骤，否则直接执行第3步。)返回 \ GXDeveloper8.0 文件夹，打开 \Update 文件夹，双击 Axdist 图标，进行升级。 (3)返回 \ GXDeveloper8.0 文件夹，双击 setup 图标，按提示安装GX Developer Version 8.0。 (4)等待安装，结束后单击 finish 即可完成安装。 5.2.2 GX Developer软件的开启步骤与设定 (1)点击安装好的GX Developer软件应用程序图标 (2)打开一个新文档:工程—创建新工程 PLC 系列中选择“CNC(M6/M7)” PLC 类型中选择“Q4A” 按下“确定”即可 (3)测试是否在通讯状态:在线--传输设置 端口中选择“COM1(根据实际计算机中使用的为准)”，传输速度选择”19.2Kbps” PLC 模式中确定为 “QnACPU” 类型 按下“通讯测试”。当测试成功会出现提示对话框;若不成功，请仔细检查PC机与NC的设定情况 5.2.3 GX Developer软件的编程操作说明 在新建一个GX Developer工程时，要选择“PLC系列”，“PLC类型”，“程序类型”后单击“确定”即可。此次设计采用CNC(M6/M7)系列PLC，类型为 Q4A。如果选择“设置工程名”，即可将工程名输入后，就可将指定的文件保存在此工程中，如图5.1所示: 44 图5.1 新建工程界面 如图5.2所示为GX Developer编程软件的操作界面，该操作界面大致由下拉菜单、工具条、编程区、工程数据列表、状态条等。与FX-GP/WIN-C编程软件的操作界面相比，该软件取消了功能图、功能键、并将这两部分合并，作为梯形图标记工具条，新增加了工程参数列表、数据切换工具条、注释工具列表等，这样友好直观的操作界面使操作更加简便。 图5.2 GX Developer编程软件操作界面 45 图5.2 GX Developer编程软件操作界面中引出线所指示的名称、内容说明如表5-2所示: 表5-2 指示说明 序号 名称 内容 1 下拉菜单 包含工程、编辑、查找/替换、交换、显示、在线、诊断等 由工程菜单、编辑菜单、查找/替换菜单、在线菜单、工具菜2 标准工具条 单中的常用功能组成 3 数据切 换工具条 可在程序、参数、注释、编程元件内存这四个项目中切换 包含梯形图编辑所需的使用的常开常闭触点、常闭触点、应4 梯形图标记工具条 用指令等内容 可进行梯形图模式，指令表模式的转换;进行读出模式、写5 程序工具条 入模式、监视模式、监视写入模式的转换 6 SFC工具条 可对SFC程序进行块变换、块信息设置、排序、块监视操作 显示程序、编辑元件注释、参数、编程元件内存等内容，可7 工程参数列表 实现这些项目的数据设定 8 状态栏 提示当前的操作;显示PLC类型以及当前操作状态 9 操作编辑区 完成程序的编辑、修改、监控等的区域 5.3 CNC与GX Developer连接 5.3.1 E60的RS232串行通讯接口 请使用以下RS-232C连接图中所示的串行电缆连接到PC机上“COM1”口。RS-232C的针脚定义如表5-3(此电缆从机床外侧引出插头)。 46 表5-3 NC和PC的RS232C针脚连接 NC侧 PC机侧 (25针D-SUB) (9针 D-BUS) 信号名称 针脚号 电缆连接和 针脚号 信号名称 信号方向 CD 8 ------------------- 1 DC SD 2 2 RD RD 3 3 SD DR(DSR) 6 4 ER(DTR) SG 7 5 SG ER(DTR) 20 6 DR(DSR) CS(CTS) 5 7 RS(RTS) RS(RTS) 4 8 CS(CTS) 22 ------------------- 9 RI E60系统的SIO接口连接RS232C设备时针脚连接用的电缆F034的 接线方式如图5.2所示。 图5.2 F034电缆接线方式 47 5.4 联机通讯 5.4.1 NC相关参数设定 在NC侧的参数中有与GX-DEVELOPER相关的位选择参数，如果没有正确设定，则通讯时会出错。 传输PLC时，需用到软件GX-DEVELOPER ,7 ,6 ,5 ,4 ,3 #2 #1 修改参数将#6451 1 1 传输参数时，需用到Windows自带软件超级终端 ,7 ,6 ,5 ,4 ,3 #2 #1 修改参数将#6451 0 1 第4位:0:PLC4B 模式 1:GX-Developer 模式 第5位:0:串口不使用与GX-Developer的通讯 1:串口使用与GX-Developer的通讯 注:当参数设定从“0”到“1”，NC重启后方能生效。 E60输入/输出参数设定如表5-4所示: 表5-4 参数设定 # 项目 数值 # 项目 数值 9101 装置名 FDD 9111 DC2/DC4输出 3 9102 波特率 1 9112 CR输出 1 9103 停止位 3 9113 EIA输出 0 9104 校验有效 0 9114 馈送数 100 9105 奇偶校验 0 9115 奇偶校验V 0 9106 字串长度 3 9116 超时时间 30 9107 结束类型 3 9117 DR无效 0 9108 握手方式 3 9118 数据ASCII 1 9109 DC代码校验 1 9119 输入方式 0 9110 9120 48 5.4.2 PLC控制程序的传输 1.读出NC中的梯形图步骤如下: 打开在线—PLC读取 按下“远程操作”打开对话框，选择PLC“停止”，将PLC停止。然后按下“执行”在需要读出的梯形图、注释等前面方框内打?，按下“执行”即可读出NC中梯形图。保存梯形图:工程—另存为，选择保存文件名和路径，按下“保存”即可 2.将梯形图写入NC中步骤如下: 打开编译好的梯形图:工程—打开工程，浏览文件夹，选择文件后，按下“打开”，打开在线—PLC写入，按下“远程操作”打开对话框，选择PLC“停止”，将PLC停止。然后按下“执行”，按下“格式化PLC”打开对话框，默认选项，然后按下“执行”，将NC中原有的梯形图格式化。在需要写入的梯形图、注释等前面方框内打?，按下“执行”即可读出NC中梯形图。 读取NC中的梯形图:将NC参数#6451 bit5设回”0”，这样就能够在NC屏幕上显示梯形图。 注:1)一个梯形图文件包括7个文件与4个文件夹，请完整保存 2)NC中只能存储一个PLC梯形图程序，若没有格式化，新写入的将覆盖原来的梯形图 49 第六章 结 论 6.1 论文总结 6.1.1 主要工作及结论 转眼间，为期四个月的毕业设计即将结束，在此，我将本次的毕业设计做一个简单的总结。 在刚开始的两周，我们的主要任务就是熟悉课题内容，我的课题名称是基于三菱电机E60的数控车床电气控制电路设计。通过上网查阅和去图书馆借阅相关资料，我开始对自己所做的内容有了大概的了解，确定了自己接下来的任务。在接下来的时间里，我按照老师发放的任务书的要求，将自己的工作分为几个模块，开始一一进行突破，最后再整合到一起完成任务。 首先，我需要对数控车床的结构以及逻辑动作进行了解，了解车床机械和电气的组成，之后开始对机床伺服驱动和伺服电机的选型，然后开始车床的电气部分的设计并绘图，再后来对E60数控系统进行深入了解并设计系统控制的PLC梯形图，最后联机进行调试。此后我又进一步熟悉课题所需的理论知识。我在三菱官网上下载了E60系统的操作手册，接口手册以及PLC编程手册等，学习了E60系统的组成，接口连接，内部输入输出地址定义以及调试。这样，我对整个课题的硬件结构也有了全面的认识。 在第四周的时候，我们提交了开题报告以及英文翻译。开题报告是对整个课题的一个概述，包括了课题的任务，研究意义及现状等。在以后的时间中，我主要在实验室里看书，对数控系统进行更深的了解。接下来就开始绘制电气图了，主要包括车床的强电主回路部分，交流控制回路以及伺服驱动电路。再后来开始编写PLC控制程序，通过对三菱PLC编程的学习以及查阅相关资料最终编写出控制程序。 通过这段时间的研究与学习，对我来说最大的收获就是不仅系统的学习与了解了数控系统的结构，并且还锻炼了自己的动手实践与钻研能力。学会了将以前课本所学的理论知识运用到实际，并且发现了课本上的理论毕竟是理论知识，没有自己的钻研而将之应用到实际中去是不可能的。书本里的知识讲究方法为主，而在以后的工作学习中，实践才是最重要的。所以我还必须进一步的学习，努力完善知识体系的不足，刻苦钻研，立足实践，培养自己的动手能力。 毕业设计是大学四年所学知识的综合运用，历时近半年的毕业设计接近尾声，通过这次毕业设计，让我对所学专业有了更深层面的认识，同时还培养了自 50 己的学习能力和动手能力。 这次毕业设计过程中，我设计的是数控车床，选用的控制系统是三菱E60数控系统这是对三菱数控系统的二次开发与应用，我完成的设计包括加工中心结构的设计、数控系统的安装、电气原理图的设计、软件(PLC控制程序)的设计。 在设计过程中，首先需要对数控系统各部件，包括伺服驱动单元、伺服电机、控制单元和操作面板等的选择。 数控系统的安装相对来说是比较简单的，我们只要熟悉各个插头的标准接线，就能完成这项工作，这也是三菱数控系统最大的优点。 电气原理图的设计是本次设计是相当重要的，它是我以后进行调试的前提条件，在伺服电路的设计过程中要注意电源接线L1、L2、L3和控制线路L11、L12的连接，空气开关和接触器的选择，并且电机与驱动单元接同一地，这一点至关重要。接口电路的设计过程中还要分清漏极和源极输入/输出电路的区别。 PLC控制程序的设计是我这次毕业设计的重点内容，这不仅仅要掌握开发软件GX Developer的使用熟悉一般性的编程指令，还要对数控系统的内部资源有一定了解，包括一些固定的单元地址。在设计PLC程序时最重要的是要掌握加工中心各个动作的逻辑关系各个动作信号之间要有相应的自锁和互锁，因此完成本次毕业设计可以对数控车床有一个相当全面的认识。 6.1.2 存在的问题 在课题的设计过程中必不可少的存在这样或那样的问题，在我的课题中主要遇到了以下一些问题: 1.机床报警解除开关的设置，之前不太清楚其工作原理和如何接线。后来经过查阅资料发现这个是E60系统内部的接线，它的作用就是为了解除报警状态，让系统恢复正常工作。 2.系统的伺服电机的选型。这部分牵扯到机床工作时进给驱动机械部分的力和力矩以及功率的计算。一直没弄太清楚，只是通过查阅三菱MDS-B-J2系列伺服驱动手册，选择了比较合适的伺服电机以及对应的伺服驱动放大器。 3.系统强电主回路的电气图的设计方面，没有加入排屑电机，简化了数控车床的一些功能。 4.在PLC编程方面，之前出现了双线圈的现象，导致程序出错。双线圈输出指的是在用户程序中，同一个编程元件的线圈使用了两次或多次，称为双线圈输出。双线圈输出导致程序不稳定，系统一般默认第二次出现的线圈为有效程序输出，前面出现的作废。这样对程序来说会出现严重的错误，所以在编程中，一定要避免双线圈输出。但并不是所有双线圈输出都是错误的，比如在子程序中和主程序中同时出现，则不算双线圈，其他一些情况在此不做详细说明。 51 5.在联机调试方面，也出现过一些问题，比如通信错误，笔记本无法与CNC进行通讯等。主要原因是由于E60系统内的一些参数没有正确设置，比如需要将参数#6451的第4、5为设置为1才能正常进行通讯。 6.2 感想 在进行一系列的系统学习之后，我理解并掌握了自己没接触过的领域，原来我们学习的是西门子以及发那科的数控系统，对于三菱的系统的了解完全是一片空白，刚开始我们或许认为自己学不好，但经过长时间的学习以及老师的指导之后，我发现三菱的困难度不是我们刚开始想的那么困难，在有一些PLC的基础上，我们掌握起来还是蛮快的。不再是传统的死学习，而是在运用中学习，这种方式远比原来的学习模式效率高很多，我们由被动的接收知识，到现在的主动学习知识，理论与实际的完美结合，使我们对于所要研究的能更加彻底更加完善的掌握。 在此过程中，我学会了系统的学习方式，增强了自主学习的能力，对于一个任务，能从整体上把握它，之后再局部的完成它，最后再将它整合。这对于我们而言就是一次自身的提高，并且在学习中，掌握了不少软件的使用，能自主的解决所遇到的问题，将书本知识和实际运用结合在一起。并且在学习中发现自己存在的问题，努力地改正它，使自己更加充实。 52 致 谢 本设计工作是在我的导师的精心指导和悉心关怀下完成的，在整个论文实验和论文写作过程中，郁老师对我进行了耐心的指导和帮助，提出严格要求，引导我不断开阔思路，并为答疑解惑，鼓励我大胆创新。让我在这一段宝贵的时光中，既增长了知识、开阔了视野、锻炼了心态，又培养了良好的实验习惯和科研精神。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。 在我的设计(论文)撰写过程中，等对我提出了宝贵的意见和建议，在此我向他们表示深深的感谢。 在我多年的学习生活中，还得到了许多学院领导、和老师的热情关心和帮助。 我也要感谢我的父母和亲人，他们在我的学业中给了我莫大的鼓励、关爱和支持。 最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意～ 衷心地感谢在百忙之中评阅我的设计论文和参加答辩的各位老师～ 53 参 考 文 献 1、郁汉琪主编. 电气控制与可编程序控制器应用技术. 南京:东南大学出版 社.2003 2、郁汉琪主编. 机床电气及PLC实验指导书. 南京工程学院.2005 3、扬公源主编. 可编程序控制器[PLC]. 北京:电子工业出版社.2004 4、汪木兰主编. 数控原理与系统. 北京:机械工业出版社.2004 5、陈吉红. 数控机床电气控制. 上海:华东科技大学出版社 6、李 宁等编. 运动控制系统. 北京:高等教育出版社，2004 7、熊光华主编. 数控机床. 北京:机械工业出版社，2001 8、于春生等编. 数控机床编程及应用. 北京:高等教育出版社，2001 9、刘启新主编. 电机与拖动基础. 北京:中国电力出版社 2005 10、朱晓春主编. 数控技术应用. 北京:机械工业出版社，2001 11、 三菱交流伺服MDS-B-SVJ2系列规格和操作说明书 12、 三菱数控系统EZMOTION-NCE60 PLC 接口手册 13、 MITSUBISHI CNC E60系列入门手册 台湾三菱电机股份有限公司 14、 GX Developer Ver7/Simulator Ver.6 操作手册 15、三菱数控系统EZMOTION-NC E60 编程手册(M系) 54