1、浙江机电职业技术学院毕业设计说明书FANUC 0i D系统数控车床PMC程序设计摘 要为实现数控车床的自动化，根据FANUC 0i Mate-TD数控系统的电气控制特点和数控车床的电气控制要求, 运用FANUC PLC的使用和编程技术来完成冷却、润滑、刀架、主轴的PLC控制程序设计。其设计思路和方法可为其他机电一体化产品控制系统设计提供借鉴。关键词：数控系统；Fanuc；PLC；刀架22目 录摘 要I第1章 绪论11.1数控技术11.2数控机床专用PLC1第2章 FANUC数控系统介绍32.1数控系统的组成32.2 软件功能4第3章 机床数控化改造53.1数控机床的优越性53.2数控机床操作面

2、板53.3数控机床的工作流程63.4操作面板及I/O分配73.5选择PMC的型号，并分配地址73.6数控系统功能指令10第4章 操作面板梯形图114.1 控制梯形图114.1.1模式选择114.1.2主轴控制系统124.1.3润滑系统134.1.4冷却系统154.1.5刀架选择16 4.1.6切削进给速度倍率选择174.1.7进给系统的控制原理184.2 PMC软件调试18第5章 小结19参 考 文 献20致 谢21第1章 绪论1.1数控技术数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。世界各国信息产业、生物产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术，以提高

3、制造能力和水平，提高对市场的适应能力和竞争能力。工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅大力发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。因此大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。FANUC数控系统应用越来越广泛，FANUC数控系统的优越性表现越来越广泛。FANUC 数控系统以其高质量、低成本、高性能,得到了广大用户的认可,并得以大量使用, 就其系统本身而言,经受了连续长时间的工作考验,故障率较低。而故障多发于外围行程、限位开关等外围信号检测电

4、路上。1.2数控机床专用PLC可编程控制器(PLC)是将继电器控制的概念和设计思想与计算机技术及微电子技术相结合而形成的专门从事逻辑控制的微机系统，梯形图是PLC的程序主要表达方式之一，在工业上最为普级的控制器，它原以是来代替继电器控制回路的，发展到今天出现了通讯、模拟、运算、等功能，它的优点是：控制稳定、操作简单、编程效率高等优点；在PLC系统应用中，梯形图的设计往往是最主要的问题。梯形图不但沿用和发展了电气控制技术，而且其功能和控制指令已远远超过电气控制范畴。它不仅可实现逻辑运算，还具有算术运算、数据处理、联网通信等功能，是具有工业控制指令的微机系统。由于梯形图的设计是计算机程序设计与电气

5、控制设计思想结合的产物，因此，在设计方法上与计算机程序设计和电气控制设计既有着相同点，也有着不同点。对开关量控制系统梯形图的设计，常用的有以下几种常用方法。(1)替代设计法：所谓替代设计法，就是用PLC机的程序，替代原有的继电器逻辑控制电路。(2)逻辑代数设计法：由于电气控制线路与逻辑代数有一一对应的关系，因此对开关量的控制过程可用逻辑代数式 表示、分析和设计。利用这种方法设计，最大的特点是可以把很多的逻辑关系最简化。当然出于可靠和安全性角度考虑的冗余设计是另外一个问题。(3)程序流程图设计法：PC采用计算机控制技术，其程序设计同样可遵循软件工程设计方法，程序工作过程可用流程

6、0;图表示。由于PC的程序执行为循环扫描工作方式，因而与计算机程序框图不同点是，PC程序框图在进行输出刷新后，再重新开始输入扫描，循环执行。 (4)功能模块设计法:根据模块化设计思想，可对系统按控制功能进行模块划分，依次对各控制的功能模块设计梯形图。 当然，在设计中要注意模块之间的互相影响时、时序关系，以及联锁指令的使用条件。同一种控制功能可有不同的软件实现方法，应根据具体情况采用简单实用的方案，并应充分利用 不同机型所提供的编程指令，使程序尽量简洁。 当然还有经验法、随机逻辑编程等。在系统设计中对不同的环节，可根据具体情况，采用不同的设计方法。通常在全

7、局上采用程序框图及功能模块方法设计；在旧设备改造中，采用替代法设计；在局部或具体功能的程序设计上，采用逻辑代数法和经验法。第2章 FANUC数控系统介绍2.1数控系统的组成FANUC系统是由主模块和I/0模块组成。主模块的功能是用于主轴控制(模拟量和数字串行主轴)的信号接口、各个伺服进给控制信号接口、伺服进给轴的位置反馈信号接口(光栅尺或分离型编码器)、存储卡和编辑卡接口等。I/0模块的功能是为机床提供信号的输入/输出信号接口、LCD(或CRT)视频信号接口、系统MDI键盘信号接口、机床手摇脉冲发生器的信号接口及系统通信信号接口等。系统结构图见图2-1， FANUC系统主轴及I/O模块结构图见

8、图2-2。图2-1 FANUC系统结构图图2-2 FANUC系统主轴及I/O模块结构图(1)系统主模块系统主模块包括系统主板和各功能小板(插接在主板上)。系统主板上安装有系统主CPU、系统管理软件存储器ROM、动态存储器DRAM、伺服l/2轴的控制卡等。功能小板有用来实现PMC控制的PMC模块、用来存储系统控制软件/PMC顺序程序及用户软件(系统参数、加工程序、各种补偿参数等)的FROM/SRAM模块、用于主轴控制(模拟量主轴或串行主轴控制)的扩展SRAM/主轴控制模块以及3/4伺服轴控制模块。如图所示，为PMC控制模块为扩展SRAM/主轴控制模块为FROM/SRAM模块为3/4伺服轴控制模块

9、。(2)系统I/0模块 系统I/0模块内有系统用的电源单元板(为系统提供各种直流电源)、图形显示板(为可选配件)、用于机床输入/输出控制的DI/D0、系统显示(视频信号)接口、通信接口(JD5A、JD5B)、MDI控制接口及手摇脉冲发生器控制接口等。2.2 软件功能(1)CNC功能系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的G代码功能。M功能和PLC功能的调用子程序，E参数(用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值)。强大的通讯功能(RS232IRS4221RS485)，边加工边传输功能。提高了计算机的CAD/C

10、AM程序的加工能力。完善的丝杠螺距补偿。FANUC的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。并且没有固定的距离和补偿值的限制。(2)PLC功能梯形图的PLC程序，多任务的PLC程序的编程结构，提高了PLC程序的编写和可读性。梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的PLC和CNC交换信息量,PLC图形界面的管理。(3)强大的编程软件GSKCC软件。Windows环境下并运行在PC计算机上，PLC程序的编写工具，方便的机床程序管理。简便的通讯能力(PCIONC间为主从关系，所有操作均在PC侧完成)，动态的PLC程序显示(PC侧)。GSKCC软件Windows

11、环境并运行在PC计算机。调整NC的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。第3章 机床数控化改造3.1数控机床的优越性数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。数控机床改造后，在功能上都优于原机床，这主要是微电子技术

12、飞速的发展，原控制装置、伺服装置、在技术上己大大落后，新的控制装置在硬件和软件方面都比原装置大大提高了档次。 数控机床改造的经济价值明显，实践证明，旧数控机床改造费用一般是原值的10%50%，改造后，精度能保持和新机床一样或接近。 从产品生产周期考虑，生产一台新机床，从制造毛坯件开始，一般需要一年甚至更长时间，而改造一台机床，从合同签定开始，一般需半年左右，甚至更短时间，这对于企业尽快得到完好的设备，完成生产任务，十分可取。从整个国家考虑，制造一台新机床，特别是机械部分，生产钢铁原材料要耗费大量能源，造成很严重的污染。旧设备改造，将机械部分主体保留，要比生产新机床，综合意义

13、大很多，这方面的价值不可低估。  3.2数控机床操作面板控制面板是数控机床整体造型的重要组成部分, 利用CRT/MDI控制面板上的功能键和机床操作面板上的有关按钮,使.G17、G18、G19分别指定空间坐标系中的XY平面、ZX平面和YZ平面,作用是让机床在指定坐标平面上进行插补加工和加工补偿。  本设计是对普通车床进行数控化改造的前提下进行数控控制面板的操作。首先，参照以往的设计资料对数控机床操作面板进行硬件的连接，连接见图3-1 图3-1 FANUC机床操作面板连接图3.3数控机床的工作流程数控机床工作时根据所输入的数控加工程序，由数控装里控制机床部件

14、的运动零件加工轮廓，从而满足零件形状的要求。数控加工程序的编制：在零件加工前，首先根据被加工零件图样所规定的零件形状、尺寸、材料及技术要求等，确定零件的工艺过程、工艺参数、几何参数以及切削用量等，然后根据数控机床编程手册规定的代码和程序格式编写零件加工程序。对于比较简单的零件，通常采用手工编程；对于形状复杂的零件，则在编程机上进行自动编程，或者在计算机上用CAD/CAM软件自动生成零件加工程序。译码：数控装置接受程序，译码程序按照一定的语法规则将信息解释成计算机能够识别的数据形式。刀具补偿：零件加工程序通常是按零件轮廓轨迹编制的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹运动加工出所要求

15、的零件轮廓。插补：插补的目的是控制加工运动，使刀具相对于工件作出符合零件轮廓轨迹的相对运动。位置控制和机床加工：位置控制的任务是在每个采样周期内，将插补计算出的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电机，电动机使机床的运动部件带动刀具相对于工件按规定的轨迹和速度进行加工。3.4操作面板及I/O分配对FANUC数控机床状态，其开关信号的输入/输出地址是由系统I/O Link模块进行分配的，由于FANUC数控机床采用内置式PLC，与CNC的连接不需进行外部连线。该机床操作面板由以下两部分组成，通过I/O Link与CNC连接。连接见图3-2。图3-2操作面板结构3.5选择PMC

16、的型号，并分配地址由于进行数控化改造，为降低成本，在满足设计功能的前提下，选择FANUC-0i系列PMC，参照其使用说明，FANUC-Oi 系统PMC的性能和规格如表1所示，地址分配见表2。表1 FANUC 0i系统的PMC的性能和规格系统FANUC-0IA系统FANUC-0IB/0IC系统PMC类型SA3SA1SB7编辑方法梯形图梯形图梯形图程序级数222第一级程序扫描周期8ms8ms8ms基本指令执行时间0.15us/步5us/步0.33us/步程序容量-梯形图最大约12000步最大约12000步最大约64000步符号和注释1128KB1128KB不限制信息显示864KB864K

17、B不限制基本指令数141214功能指令数664869内部继电器（R）100字节1000字节8500字节外部继电器（E）无无8500字节信息显示请求位（A）25字节25字节500字节非易失性储存区数据表（D）1860字节1860字节10000字节可变定时器（T）40个（80字节）40个（80字节）250个（1000字节）固定定时器（T）100个100个500个计时器（C）20个（80字节）20个（80字节）100个（400字节）固定计数器（C）无无100个（200字节）保持性继电器（K）20字节20字节120字节子程序(P)512无2000标号（L）999无9999I/0输入/输出最大1024点

18、/最大1024点最大1024点/最大1024点最大2048点/最大2048点内装I/0输入/输出模块最大96点/最大72点无无顺序程序储存Flash ROM 128KBFlash ROM 128KBFlash ROM 128KB768KB表2地址分配按键信号区号输入地址输出地址按键信号区号输入地址输出地址AUTOA1X4.0Y0.0EDITA2X4.1Y0.1MDIA3X4.2Y0.2DNCA4X4.3Y0.3HOMEA5X6.4Y2.4JOGA6X6.5Y2.5INCA7X6.6Y2.6MPGA8X6.7Y2.7其中，常用工作状态开关的操作面板如图3-3所示 图3-3 工作状态的操作面板编辑

19、状态：输入信号(面板操作开关)地址为X4.1，输出信号(指示灯)地址为Y4.1。 存储运行(又称自动运行)：输人信号(面板操作开关)地址为X4.0，输出信号(指示灯)地址为Y4.0。 远程运行(又称DNC)：输入信号(面板操作开关)地址为X4.3，输出信号(指示灯)地址为Y4.3。 手轮进给(又称手摇脉冲进给)：输入信号(面板操作开关)地址为Y4.0。手动数据输入：输入信号(面板操作开关)地，址为X4.2，输出信号(指示灯)地址为Y4.2。 手动连续进给(又称点动进给)：输入信号(面板操作开关)地址为X6.5，输 出信号(指示灯)地址为Y6.5。 返回参考点(又称回零)：输

20、入信号(面板操作开关)地址为X6.4，输出信号(指示灯)地址为Y6.4。 信号F3.6表示系统处于编辑状态；信号F3.5表示系统处于自动运行状态；信号F3.3表示系统处于手动数据输入状态；信号F3.4表示系统处于DNC状态；信号F3.2表示系统处于手动连续进给状态；信号F3.1表示系统处于手轮控制状态；信号F4.5表示系统处于返回参考点状态。工作方式见表3。工作方式系统确认工作方式编辑状态F3.6存储运行F3.5远程运行F3.4手轮进给F3.1手动进给F3.2手动数据输入F3.3返回参考点F4.5表3工作方式3.6数控系统功能指令定时器指令有三种形式：可设定定时器（TMR），在PMC

21、参数设定的TIMER页面实际上和它对应，它不可以在程序中指定和修改，只能在TIMER页面进行设定，它的定时器号在SA1中为1-40，在SA7中为1-250。定时时间为ms，定时器号T1-T8的实际定时单位为48ms,其设定值通过CNC自动转换为48倍数，设定范围为48-1572.8ms,T9-T250实际定时单位为8ms,因此它的设定值被自动转换为8的倍数，设定范围为8ms-262.136ms.当设定的不是单位的整数倍时，余数被忽略，在PMC中输入启动触点如X10.0 R200.0等，延时输出线圈MOC如Y4.0 R200.1等等。固定定时器（TMRB),它的设定可以在程序中直接给出，定时单位

22、为1ms，实际为8ms,设定范围为8ms-262.136ms其余同。，可变定时器（TMRC),功能和TMR相同，它的每一条定时指令通过2字节的存储器(数据存储器D)来设定，既可在MDI面板中设定也可在程序中指定，并且根据需要随时改变（改变数据存储器D的存储值）。定时器功能指令见图3-4。序号指令名称功能号功能1TMR3延时接通定时器2TMRB24固定延时接通定时器3TMRBF77固定延时关断时器4TMRC54延时接通定时器5TMRST221停表定时器（1ms精度）6TMRSS222停表定时器（1s精度）图3-4 定时器功能指令定时器精度见图3-5。设定值定时器精度设定时间范围0定时器号1-8:

23、48ms定时器9-:8ms48msec-1572.8秒11ms1msec-32.7秒210ms10msec-327.7秒3100ms100msec-54.6分41sec1秒-546分图3-5 定时器精度第4章 操作面板梯形图4.1 控制梯形图4.1.1模式选择手动连续进给状态(JOG)：在此状态下，持续按下操作面板上的进给轴及其方向选择开关，会使刀具沿着轴的所选方向连续移动。机床返回参考点（REF）：在此状态下，可以实现手动返回机床参考点的操作。通过返回机床参考点操作，CNC系统确定机床零点的位置。DNC状态（RMT）：在此状态下，可以通过阅读机或RS-232通信口与计算机进行通信，

24、实现数控机床的在线加工。编辑状态（EDIT）:在此状态下，编辑存储到CNC内存中的加工程序文件。存储运行状态（MEM）：在此状态下，系统运行的加工程序为系统存储器内的程序。手动数据输入状态（MDI）:在此状态下，通过MDI面板可以编制最多10行的程序并被执行，程序格式和通常程序一样。手轮进给状态（HND）:在此状态下，刀具可以通过旋转机床操作面板上的手摇脉冲发生器微量移动。模式选择梯形图见图4-1。图4-1 模式选择梯形图4.1.2主轴控制系统原理：采用模拟主轴控制，配置3Kw、2880r/min的交流异步电动机，速度开环控制系统。CNC输出的模拟信号到变频器的10与15端口，从而控制电动机的

25、转速，通过设置变频器的参数，实现从最低转速到最高转速的调速。H1K1为主轴交流接触器，接通或断开主轴动力电源。主轴位置上的编码器H1GP使主轴能与进给驱动同步控制，以便加工螺纹；M3K3、M3K4为主轴正反转继电器，通过PLC实现正反转控制。为急停，当变频器有异常情况是，通过1、2端口输出报警信号到PLC主轴控制见图4-2。图4-2 主轴控制4.1.3润滑系统（1）首次开机时，自动润滑15秒（2.5秒打油、2.5秒关闭）。（2）机床运行时，达到润滑间隔固定时间（如30分钟）自动润滑一次，而且润滑间隔时间用户可以进行调整（通过PMC参数）。（3）加工过程中，操作者可根据实际需要还可以进行手动润滑

26、。（4）润滑泵电动机具有过载保护，当出现过载时，系统要有相应的报警信息。（5）润滑油箱面低于极限时，系统要有报警提示（此时机床可以运行）。润滑系统控制线路见图4-3。润滑梯形图见图4-4。图4-3 润滑系统控制线路图4-4 润滑系统4.1.4冷却系统冷却自动工作原理： 在“手动输入”的模式下，MDI程序中输入“M08；”按下绿色循环启动按钮X1.6，这样面板上Y5.3的灯就亮了，代表冷却自动开始运作了，输入“M09”同上，Y5.3灯熄灭，代表冷却自动结束。冷却自动系统见图4-5。图4-5 冷却自动系统冷却手动工作原理：把模式开关转换到“MJ”，F3.2闭合，SUB57是上升沿触发的指

27、令（就是当前面的按钮动作一下，后面会出一个脉冲）按下X3.6，Y5.6灯闭合，冷却开，再按下X3.6，Y5.6灯断开，冷却关，这样就实现了一个按钮来控制冷却开/关。 冷却手动系统见图4-6。图4-6冷却手动系统4.1.5刀架选择工作原理： X10.6为刀库换刀按钮 Y7.7为刀库正转 X10.6按下 Y7.7得电（自锁）X7.7、X7.5、X3.3、X7.4为F1、F2、F3、F4模拟限位开关，当按下其中一个时，电机正转停止，反转Y7.4启动，这时反转常开动作，SUB3（TMR）过了1秒设定时间，R222.2得电，电机反转停止，刀架移动到指定位置，保证夹

28、紧，换刀完成。见图4-7。图4-7 刀架选择4.1.6切削进给速度倍率选择通过进给速度倍率开关选择百分比（%）来增加或减少编程进给速度，切削进给速度倍率信号共有8位二进制编码信号（倍率值在范围0%254%内以1%为单位进行选择），FANUC 0I系统切削进给速度倍率信号地址为G12.切削进给速度倍率开关采用数字式波段开关，倍率开关的输入信号地址为X0001.0、X0001.1、X0001.2、X0001.3（以二进制码形式组成16种状态），通过代码转换指令CODB把开关位置指定表格的数据转换成二进制数值传送至G12中。由于系统的切削进给速度倍率信号为负逻辑控制，所以表格的数据采用负数表示，负数

29、在二进制中以补码表示，倍率值范围在0%150%。见图4-8。图4-8 倍率选择4.1.7进给系统的控制原理一般情况，数控系统主要用于对位置运动的控制。在给定位置输入Xi(s)后就会产生位置偏差信号E(s)，伺服驱动系统就根据此偏差驱动电机带动丝杆转动，并通过丝杆螺母移动工作台产生位移输出X0(s)，固定在工作台上的直线位移检测装置（光栅尺）将输出X0(s)检测出来，检测结果再经过放大作为反馈信号B(s)与输入Xi(s)进行比较。如果跟随误差E(s)= Xi(s)- X0(s)0，则继续通过驱动装置驱动工作台移动直到跟随误差E(s)=0，系统输出才会停止改变。这就是典型的反馈控制回路，如无反馈回

30、路，则此系统为开环控制系统。电流环一般包含在所用的驱动器中，而速度环仅检测电机和丝杆的转速，所以在此处暂不考虑电流环和速度环。机床单轴模拟进给系统构成见图4-9。图4-9机床单轴模拟进给系统构成4.2 PMC软件调试FAPT LADDER-是在WindowsXP,Windows7环境下运行的FANUC PMC程序的系统开发软件。LADDER-软件的主要功能： 输入、输出、显示、编辑PMC顺序程序。监控及调试PMC程序:设定和显示PMC参数。 运行或停止PMC程序:输入和输出PMC程序。  把PMC程序写入到CNC系统Flash Rom中。 调试程序:打印

31、PMC程序。第5章 小结时间过的很快，一晃大学三年的生活已接近了尾声在目，当初还是刚进大学的懵懂少年现在也长大了学到了很多，也懂得了很多。随着毕业日子的到，毕业设计也接近了尾声。经过两个月的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、

32、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中，我在对数控车床的工作原理以及内部结构的分析研究的基础上，进行了FANUC 0i Mate-TD数控车床的电气系统设计，它具有高速、精密、可靠、经济等特点。车床的电气系统设计是整个车床的核心部分，主要分为强电回路设计、控制回路设计、PLC输入输出设计、伺服驱动进给设计和主轴驱动设计五个方面。在此次设计中，我在认真地分析了FANUC 0i Mate-TD数控系统的同类车床的基础上，在查阅了大量车床电气系统资料的前提下，在实地考察了车床的工作环境以及工作所需的各种外部条件的基础上，对其电气系统进行了完整的设计改造，并绘制出了完整的车床的电器原理图。在主轴电机工作方面，刀架电机工作方面，进行了合理的设计，使它们的运行反应更迅速，工作更准确，使机床的工作运行更稳定，制造成本更节省。但是由于时间的关系和实际的条件有限，此次设计工作还只是一个起步，但是通过这次设计为以后的数控车床的改造、研发奠定了基础。通过此次设计，也使我受益非浅，我学会了很多电气设计方面的知识，不仅丰富了我自己，而且也弥补了以前学