PLC控制专用的数控铣床研究
PLC控制专用的数控铣床研究
1引言
随着时代的发展，现代技术日益完善，人们对零件的加工精度、零件生产的自动化程度要求越来越高，数控机床越来越多的应用到产品生产制造的各个领域。中国的数控技术与国外相比起步比较晚，在技术和运用方面还有一定的差距，但近年来数控机床的运用也得到了飞速的发展。数控机床已经开始逐步代替人工手动的机床，与普通机床相比，数控机床生产效率极高，加工的工件精度比普通机床高很多倍，可以完成许多非常复杂的产品和零件，有很强的适用性。两轴专用数控铣床是数控机床的一种，采用PLC控制系统可以很好的提高数控铣床的生产效率。
1.1 两轴专用数控铣床的控制系统的研究情况
与普通的通用CNC数控铣床相比，采用以PLC和定位模块为控制核心的两轴专用数控铣床来加工一些特殊的零件有很好的优越性。以PLC为控制系统的两轴专用数控铣床在实现两轴联动的同时，可以实现X、Y轴方向位移和速度控制，还可以对液压系统、刀具旋转及进给伺服系统进行很好的控制。由于数控铣床的主要运动是铣刀的旋转运动，切削速度很高，且又是多刀连续切削，加上其自动化程度很高，所以以PLC为核心的控制系统会很大程度的提高生产效率。
1.2 PLC的发展趋势及PLC电气控制的优点
1.2.1 PLC的发展趋势
可编程控制器，简称PLC。是在二十世纪七十年代以来，在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上，发展起来的一种新型工业自动控制设备。它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，目前被广泛应用于自动化控制的各个领域中，目前常用的有日本的东芝、三菱和欧姆龙、德国的西门子、美国通用等。
可编程控制器在机械制造行业的应用已有很大发展，它是介于继电接触控制系统的固定接线控制装置与电子计算机控制装置之间的一种新型控制器。应用可编程控制器可以大大缩短机床、自动线、机械手电气设计、安装和调试周期，并且可使工作程序易于修改。因此，采用可编程序控制使控制器系统具有较大的灵活性和较强的控制功能。PLC兼有计算机和简易顺序控制器的一系列优点，目前国外机床与其它机械设备的电控已逐渐完全为PLC所取代。可编程控制器与CNC技术有机的结合起来，可以进行数值控制。由于PLC的处理速度不断提高和存储容量不断地扩大，使CNC的软件不断丰富，用户对机械加工的程序编制越来越方便。
1.2.2 PLC电气控制的优点
PLC是一种用于工业自动化控制专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC 与普通微机一样。以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点位运算与控制。与传统的控制器相比，PLC控制具有可靠性高、易操作、维修。编程简单、灵活性强等特点。
PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。在 PLC 的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
PLC 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，有助于编程人员的编程。在维修方面，PLC 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
另外，PLC的抗干扰是极其强的，我们根本不用更多的关心它的使用寿命和工作环境的恶劣，电气工程师不必在电气的硬件上花费太多的心思，只要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC的输入端就能解决问题，通过输出端连接接触器或继电器来控制大。
1.3 论文研究的目的和内容
设计一个基于PLC两轴专用数控铣床的控制系统，利用PLC技术控制两个坐标轴的伺服驱动系统，实现X、Y两轴联动，使两轴专用铣床的自动化程度得到提高，工件的加工精度大大提升，操作便捷简单，控制系统更加稳定可靠。
本论文研究的主要内容：
（1）机床系统的总体设计：PLC的选型、定位模块与伺服驱动器的配置选型设计以及机床电其原理图的研究设计。
（2）关键技术方面的设计：主轴旋转控制、主轴转速控制、X、Y轴的联动控制、工件的夹紧和松开控制以及闭环控制功能的设计。
（3）PLC控制程序的设计。
（4）系统的调试与测试。
2 两轴专用数控铣床的控制要求和控制系统的选择
2.1两轴专用数控铣床的控制概述
2.1.1加工零件要求
本课题要求利用专用数控铣床大批量加工图2-1所示轮廓的零件。该零件的加工需要X、Y两轴联动。
图2-1 加工零件图
2.1.2 设备控制要求
a）两轴专用数控铣床概述
两轴专用数控铣床是有普通铣床发展而来的。是多轴数控铣床的基础，可用来对工件平面（水平面X、Y，正平面X、Z及侧平面Y、Z）、曲面、台面及沟槽等进行加工。加工中学要实现两轴联动的控制。
b）主要结构及运动分析
两轴专用铣床一般由数控系统、主轴转动系统、伺服进给系统系统和冷却润滑系统等几大部分组成。
1）主轴箱 包括主轴箱箱体及主轴转动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴的转速和输出的转矩对加工有直接影响。
2）进给伺服系统 由伺服驱动器、进给电动机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现工件与刀具之间的相对运动。
3）控制系统 控制系统是数控铣床的运动控制中心，用于执行加工程序和控制控制铣床进行零件加工。
4）辅助装置 包括气动系统、液压系统、冷却系统、润滑系统、防护装置及排尘装置。
5）铣床的基础件 包括立柱、底座及工作台等。
c）两轴专用铣床的控制要求
1）控制系统得电起动，按下“回零”按钮时，工作台回到原点。
2）工作台回到原点之后能够实现如下控制操作：工作台快进、工进、执行辅助操作、快退。
3）为满足加工要求需要实现X、Y两轴同步位置的控制。
4）工作台在工作时可以通过“停止”按钮来暂停动作。
5）工作台可以手动控制前进和后退。
2.2 控制系统的选择
为了满足两轴专用数控铣床对零件的加工要求以及完成大批量的生产，本课题采用以PLC和定位模块为核心来设计铣床的控制系统。
1引言
随着时代的发展，现代技术日益完善，人们对零件的加工精度、零件生产的自动化程度要求越来越高，数控机床越来越多的应用到产品生产制造的各个领域。中国的数控技术与国外相比起步比较晚，在技术和运用方面还有一定的差距，但近年来数控机床的运用也得到了飞速的发展。数控机床已经开始逐步代替人工手动的机床，与普通机床相比，数控机床生产效率极高，加工的工件精度比普通机床高很多倍，可以完成许多非常复杂的产品和零件，有很强的适用性。两轴专用数控铣床是数控机床的一种，采用PLC控制系统可以很好的提高数控铣床的生产效率。
1.1 两轴专用数控铣床的控制系统的研究情况
与普通的通用CNC数控铣床相比，采用以PLC和定位模块为控制核心的两轴专用数控铣床来加工一些特殊的零件有很好的优越性。以PLC为控制系统的两轴专用数控铣床在实现两轴联动的同时，可以实现X、Y轴方向位移和速度控制，还可以对液压系统、刀具旋转及进给伺服系统进行很好的控制。由于数控铣床的主要运动是铣刀的旋转运动，切削速度很高，且又是多刀连续切削，加上其自动化程度很高，所以以PLC为核心的控制系统会很大程度的提高生产效率。
1.2 PLC的发展趋势及PLC电气控制的优点
1.2.1 PLC的发展趋势
可编程控制器，简称PLC。是在二十世纪七十年代以来，在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上，发展起来的一种新型工业自动控制设备。它以微处理器为核心，集自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，目前被广泛应用于自动化控制的各个领域中，目前常用的有日本的东芝、三菱和欧姆龙、德国的西门子、美国通用等。
可编程控制器在机械制造行业的应用已有很大发展，它是介于继电接触控制系统的固定接线控制装置与电子计算机控制装置之间的一种新型控制器。应用可编程控制器可以大大缩短机床、自动线、机械手电气设计、安装和调试周期，并且可使工作程序易于修改。因此，采用可编程序控制使控制器系统具有较大的灵活性和较强的控制功能。PLC兼有计算机和简易顺序控制器的一系列优点，目前国外机床与其它机械设备的电控已逐渐完全为PLC所取代。可编程控制器与CNC技术有机的结合起来，可以进行数值控制。由于PLC的处理速度不断提高和存储容量不断地扩大，使CNC的软件不断丰富，用户对机械加工的程序编制越来越方便。
1.2.2 PLC电气控制的优点
PLC是一种用于工业自动化控制专用计算机，实质上属于计算机控制方式。PLC 与普通微机一样。以通用或专用CPU作为字处理器，实现字运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器），进行点位运算与控制。与传统的控制器相比，PLC控制具有可靠性高、易操作、维修。编程简单、灵活性强等特点。
PLC 是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的编程语言，编程错误率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。在 PLC 的硬件方面，采用了一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性的元件；采用先进的工艺制造流水线制造；对干扰的屏蔽、隔离和滤波等；对电源的断电保护；对存储器内容的保护等。
PLC 有多种程序设计语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。采用布尔助记符编程语言，有助于编程人员的编程。在维修方面，PLC 具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求减低。当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。
另外，PLC的抗干扰是极其强的，我们根本不用更多的关心它的使用寿命和工作环境的恶劣，电气工程师不必在电气的硬件上花费太多的心思，只要将按钮开关或感应器的输入点连接到PLC的输入端就能解决问题，通过输出端连接接触器或继电器来控制大。
1.3 论文研究的目的和内容
设计一个基于PLC两轴专用数控铣床的控制系统，利用PLC技术控制两个坐标轴的伺服驱动系统，实现X、Y两轴联动，使两轴专用铣床的自动化程度得到提高，工件的加工精度大大提升，操作便捷简单，控制系统更加稳定可靠。
本论文研究的主要内容：
（1）机床系统的总体设计：PLC的选型、定位模块与伺服驱动器的配置选型设计以及机床电其原理图的研究设计。
（2）关键技术方面的设计：主轴旋转控制、主轴转速控制、X、Y轴的联动控制、工件的夹紧和松开控制以及闭环控制功能的设计。
（3）PLC控制程序的设计。
（4）系统的调试与测试。
2 两轴专用数控铣床的控制要求和控制系统的选择
2.1两轴专用数控铣床的控制概述
2.1.1加工零件要求
本课题要求利用专用数控铣床大批量加工图2-1所示轮廓的零件。该零件的加工需要X、Y两轴联动。
图2-1 加工零件图
2.1.2 设备控制要求
a）两轴专用数控铣床概述
两轴专用数控铣床是有普通铣床发展而来的。是多轴数控铣床的基础，可用来对工件平面（水平面X、Y，正平面X、Z及侧平面Y、Z）、曲面、台面及沟槽等进行加工。加工中学要实现两轴联动的控制。
b）主要结构及运动分析
两轴专用铣床一般由数控系统、主轴转动系统、伺服进给系统系统和冷却润滑系统等几大部分组成。
1）主轴箱 包括主轴箱箱体及主轴转动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴的转速和输出的转矩对加工有直接影响。
2）进给伺服系统 由伺服驱动器、进给电动机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现工件与刀具之间的相对运动。
3）控制系统 控制系统是数控铣床的运动控制中心，用于执行加工程序和控制控制铣床进行零件加工。
4）辅助装置 包括气动系统、液压系统、冷却系统、润滑系统、防护装置及排尘装置。
5）铣床的基础件 包括立柱、底座及工作台等。
c）两轴专用铣床的控制要求
1）控制系统得电起动，按下“回零”按钮时，工作台回到原点。
2）工作台回到原点之后能够实现如下控制操作：工作台快进、工进、执行辅助操作、快退。
3）为满足加工要求需要实现X、Y两轴同步位置的控制。
4）工作台在工作时可以通过“停止”按钮来暂停动作。
5）工作台可以手动控制前进和后退。
2.2 控制系统的选择
为了满足两轴专用数控铣床对零件的加工要求以及完成大批量的生产，本课题采用以PLC和定位模块为核心来设计铣床的控制系统。
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