发那科01MD数控系统对TH7650加工中心的数控改造设计

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1、1 绪 论 1.1 引言随着我国改革开放步伐的进一步加快，我国正逐步成为世界制造业的基地，特别是加入WTO后，作为制造业的基础工业数控机床行业得到迅猛发展。数控机床的加工能力的高低已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。数控机床的加工精度，加工效率，很达程度上决定着产品的质量、成本以及生产量。而数控机床是由数控系统控制的。如果说，一台数控机床的机床本体是手臂，那么数控系统就是大脑，大脑的优劣很大程度上决定了整体的好坏。而FANUC数控系统正是世界上顶尖的数控系统之一，研究FANUC数控系统对现阶段的我们祖国来说意义是不言而喻的。在数控机床翻天覆地的发展大潮中，普通机床正逐步的退出历史的舞

2、台，数控机床必将统治整个制造业。随着工业的发展，对零件的要求越来越高。不仅对零件精度要求越来越高，而且对零件的形状要求也几近苛求。加工中心作为加工工业中的佼佼者，当仁不让的挑起重担，加工中心以其独特的加工角度和庞大的刀具刀库，能够将多道工序集中在一起，这就大大地提高加工精度和效率。FANUC系统作为世界三大数控系统的领头羊之一，能很好的与加工中心相配合，完成加工需求，有很广阔的市场前景。1. 2 选题背景与意义 选题背景数控（英文名字：Numerical Control 简称:NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。数控一般是采用通用或专用计算机实

3、现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控(Computer Numerical Control )，简称CNC，国外一般都称为CNC，很少再用NC这个概念了。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，如数控机床等。其技术涉及多个领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。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。加工中心(Machining Center)简称MC，是由机械

4、设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是能对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。 研究现状二十世纪70年代以来，数控技术愈发成熟FANUC公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自60年代生产数控系统以来，已经开发出40多种的

5、系列产品，它的发展将更深、更广、更快。未来的CNC系统将会使机械更好用，更便宜。加工中心也得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。这种多工序集中加工的形式也扩展到了其他类型数控机床，例如车削中心，它是在数控车床上配置多个自动换刀装置，能控制三个以上的坐标，除车削外，主轴可以停转或分度，而由刀具旋转进行铣削、钻削、铰孔和攻丝等工序，适于加工复杂的旋转体零件。加工中心按主轴的布置方式分为立式和卧式两类。立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首，还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。在飞机制造业因绝大多

6、数加工件为多品种、小批量的产品，因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。今后电子零部件、精密机械零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。针对高精度加工，一些厂家比较注重研制对不易切削材质进行切削加工的机型。同时，以减少工件更换时间和集中工序为目的的复合化加工技术也在不断创新。为进一步提高效率，有些厂家正在尝试在立式加工中心的控制轴方面再加上l到2个轴，形成五轴控制，这样对于形状复杂的工件和自由曲面等工件都可完成一次装夹加工。在产品开发方面，由于用户的要求更加严格，不得不在保持低价位的同时不断追求高性能的技术。由于正在加快适应环保要求的新技术开发SooQ.cn，因此，更加需要可以调整品种、

7、数量的可形成柔性线结构的设备。卧式加工中心因其加工面是垂直的造车网版权所有，切屑易脱落，比较适应长时间无人操作。又因是模块结构，可以短时间内导入最适当规模的系统。因其无人操作时间较长，在成本费用方面与单机相比效果更好。 从用户需求来看SOOQ.cn版权所有，对卧式加工中心的要求更加趋向于适应多品种小批量的生产，要求加工设备能够灵活地适应工序集中导致的生产型加工件的变化。现在由于汽车厂；家的设备投资呈上升趋势，需求可望进一步扩大。此外，因对于产品制造的认识和对生产体系的看法正在发生根本的转变IIA版权所有，由此而派生的新的生产体系可能对能形成柔性线的小型机种产生需求。从技术开发动向来看，是谋求提

8、高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。其中，作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。 研究意义本次毕业设计的研究内容是基于FANUC数控系统的XK715加工中心电气控制系统的设计。现今机床电气控制应用性很强，FANUC系统作为世界三大数控系统的领头羊之一，能很好的与加工中心相配合，完成加工需求，有很广阔的市场前景。而且对此系统的电气控制技术已经非常成熟，能够为其它相关系统的电气控制系统提供参考。本设计通过PMC编程，对刀库采用斗笠式换刀，定位准确，换刀速度快，功能强。完成本设计后，还可以根据实际需求，通过对FANUC PMC编程来合理的利用系统功能，使系统

9、更合理，性能更稳定。由此可见，本课题的研究有较强的现实意义。2 加工中心数控控制总体设计方案2.1 加工中心机床数控设计基本思路 数控加工中心电气组成总框图数控加工中心电气组成总框图如图2.1所示。由图2.1可知，数控加工中心分别由数控装置（CNC），机床控制电器，主轴伺服模块，X轴、Y轴、Z轴伺服模块，刀库电机控制，冷却泵电机控制，油泵电机控制及其它信号控制电路组成。数控装置（CNC）机床控制电器主轴伺服模块M1M1X轴伺服模块M1M2冷却泵电机控制M1M6Z轴伺服模块M1M4Y轴伺服模块M1M3刀库电机控制M1M5油泵电机控制M1M7其他信号控制执行/传感器 图2.1 数控加工中心电气组成

10、总框图2.2加工中心基本情况加工中心的工作原理加工中心的工作原理是根据零件图纸，制定工艺方案，采用手工或计算机自动编制零件加工程序，把零件所需的机床各种动作及全部工艺参数变成机床的数控装置能接受的信息代码，并把这些代码存储在信息载体上，将信息载体送到输入装置，读出信息并送入数控装置。进入数控装置的信息，经过一系列处理和运算转变成脉冲信号。有的信号送到机床的伺服系统，通过伺服机构进行转换和放大，再经过传动机构，驱动机床有关零件，使刀具和工件严格执行零件程序所规定的相应运动。还有的信号送到可编程控制器中用以顺序控制机床的其它辅助动作，实现刀具自动更换。 TH7650加工中心的组成 基础部件 由床身

11、、立柱和工作台等大部件组成，是加工中心的基础部件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加工中心质量和体积最大的部件。主轴组件 它由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响。控制系统 单台加工中心的数控部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及电机等部分组成。它们是加工中心执行顺序控制程序控制动作和完成加工过程中的控制中心。CNC装置一般由

12、中央处理器、存储器和输入、输出接口组成。中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。CNC系统主要特点是输入存储、数据的加工插补运算以及机床各种控制功能都通过计算机软件来完成，能增加很多逻辑电路中难以实现的功能。计算机和其它装置之间可通过接口设备联接。当控制对象改变时，只需改变软件与接口。伺服系统 伺服系统的作用是把来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。加工中心普遍采用半闭环、闭环和混合环三种控制方式。自动换刀装置 它由刀库、机械手和驱动机构等部件组成。刀库是存放加工过程中所使用的全部刀具的装置。刀库有盘式、鼓式和链式等多

13、种形式，容量从几把到几百把，当需要换刀时，根据数控系统指令，由机械手或通过其它方式将刀具从刀库中取出装入主轴中，机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置及结构的不同也有多种形式，如单臂式、双臂式、回转式和轨道式等。有的加工中心不用机械手而利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。尽管在换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程控制器控制下，由电机和液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。当结构中装入接触式传感器，还可实现对刀具和工件误差的测量。辅助装置包括润滑、冷却、排屑、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助装置虽不直接参加切削运动，但对加工中心的加工效率、加

14、工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是加工中心不可缺少的部分。 TH7650加工中心的用途与特点：TH7650加工中心是具有高速度、高精度、高效率的立式镗铣加工中心机床。工件在一次装夹后可自动连续的完成平面铣削、轮廓铣削、镗孔、钻孔、扩孔、铰孔、攻丝等多种工序的加工，可广泛用于板类、箱体类及模具等零件的多品种、小批量生产。应用PC机及CAD/CAM软件，可自动生成数控加工程序，为用户提供模具和复杂零件设计加工最快捷、最完美的一体化解决方案。机床主机的立柱采用桥式结构，整体结构采用高级铸铁材质，经热处理消除内应力，使机床具有较高的刚性。主轴采用无极变频调速电机控制，机床噪音、振动和发热量小，采用

15、P4级高精度轴承，可进行刚性攻丝。X/Y轴采用精密超重负荷型直线滚动导轨，刚性强、移动灵活、轻便、无爬行。Z轴采用方型导轨，提高了整机的稳定性和抗振性。各导轨均设有封闭保护装置并配置相应的润滑点，各移动部件均采用伺服电机驱动滚珠丝杠运动。机床数控系统采用SIEMENS或FANUC系统，进给系统采用交流伺服单元控制。交流伺服电机驱动可以实现三轴控制，二轴联动。（可以根据用户要求，提供第四轴控制，三轴联动）具有数控功能强、稳定可靠等特点。2.3 FANUC数控系统介绍 FANUC数控系统特点日本FANUC公司的数控系统具有高质量、高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超

16、过其他的数控系统，主要体现在以下几个方面。（1）系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。（2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环境温度为045，相对湿度为75。（3）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。（4）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。（5）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。（6）具有很强的DNC功能。系统提供串行RS

17、232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。（7）提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。 FANUC数控系统主要系列（1）高可靠性的Power Mate 0系列：用于控制2轴的小型车床，取代步进电机的伺服系统；可配画面清晰、操作方便，中文显示的CRTMDI，也可配性能价格比高的DPLMDI。（2）普及型CNC 0D系列：0TD用于车床，0MD用于铣床及小型加工中心，0GCD用于圆柱磨床，0GSD用于平面磨床，0PD用于冲床。（3）全功能型的0C系列：0TC用于通用车床、自动车

18、床，0MC用于铣床、钻床、加工中心，0GCC用于内、外圆磨床，0GSC用于平面磨床，0TTC用于双刀架4轴车床。（4）高性能价格比的01系列：整体软件功能包，高速、高精度加工，并具有网络功能。01MBMA用于加工中心和铣床，4轴4联动；01TBTA用于车床，4轴2联动，01mate MA用于铣床，3轴3联动；01mateTA用于车床，2轴2联动。（5）具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i21i系列：控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。其中FSl6iMB的插补、位置检测和伺服控制以纳米为单位。16i最大可控8轴，6轴联动；18i最大可控6轴，4轴联动；21

19、i最大可控4轴，4轴联动。除此之外，还有实现机床个性化的CNC 1618 / 160180系列。 FANUC 01-MD数控系统介绍（1）最大联动轴数 4轴（2）最大主轴台数 2台（3）丰富、先进的控制软件功能包（4）可连接FANUC 、i 系列伺服电机（5）可连接FANUC 、i 系列主轴电机（6）丰富的显示单元：7.2单色LCD/9单色CRT8.4/10.4彩色LCD显示器（7）先进的磨床功能（8）丰富方便的维修功能（9）世界范围的维修支持 综合连接图图2.2 综合连接图IO及电源模块图2.3 综合连接图伺服电源和主轴控制模块图2.4 综合连接图进给电机模块01-MD控制器是FANUC01

20、-MD数控系统的核心，主要集成了CPU控制器、伺服控制器、主轴控制器、I/OLINK 接口、RS232接口等功能。0i-MC控制器综合连接图如图2.2、图2.3、图2.4 所示：从综合连接图可以看出：（1）FANUC01-MD系统的驱动电源是DC24V，插座口定义为CP1A。（2）MDI单元为操作单元，其插座口定义为JA2。（3）本设计选用外置I/O，有4个外置IO模块分别是CB104、CB105、CB106、CB107，其插座口定义为JD1A。（4）01-MD系列允许有2个主轴电机，在本次设计只用一个主轴电机，其插座口定义为JA7A。（5）01-MD系列允许有4个进给电机，在本次设计只用3个

21、进给电机，而且可以看出进给电机是半闭环控制。同时伺服电源查FANUC公司给出的参考电源是AC200V-AC240V有效，其插座口定义为COP10A-1。3 加工中心机床硬件设计与分析3.1 TH7650加工中心原理图详细设计 TH7650加工中心冷却泵控制图3.1TH7650加工中心冷却泵控制图图3.1为TH7650加工中心冷却电机的控制原理图，控制过程为：当地址Y3.0的输出为“1”时（在FANUC数控系统中，输出是高电平有效），中间继电器KA2的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA2的常开触点闭合，交流接触器KM1的线圈导通，在主回路中，交流接触器KM1的常开触点闭合，冷却电机工作。 T

22、H7650加工中心主轴冷却图3.2 TH7650加工中心主轴冷却控制图图3.2为TH7650加工中心主轴冷却控制图，控制过程为：当地址Y3.2的输出为“1”时，中间继电器KA3的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA3的常开触点闭合，交流接触器KM2的线圈导通，在主回路中，交流接触器KM2的常开触点闭合，冷却电机工作。 TH7650加工中心伺服电源图3.3 TH7650加工中心伺服电源图图3.3为TH7650加工中心伺服电源原理图，在FANUC01-MD数控系统中，控制伺服电机的电源不为AC380V，在这加入变压器，把AC380V电源转变为AC220V电源，来控制伺服电机，变压器TC1的作用是

23、将AC380V电源转变为AC220电源，将AC220V电源，送到电源模块去，作为伺服电机的电源。同时，在AC220V三相电源中引出两相电源去做为伺服电机的控制电源。 TH7650加工中心风扇和DC电源图3.4TH7650加工中心风扇和DC电源图在本次设计中，设计了两个风扇，它们的作用是消除电器柜内部的的热量，本设计的风扇电源为110V交流电源。一个风扇的作用是使外部气流进入电器柜。另一个风扇的作用是将内部气流传到外部。TC2的作用是把380V的交流电源变为110V的交流电源和24V的交流电源，110V的交流电源就作为控制电路中控制交流接触器线圈的电源。24V的交流电源通过两个整流器变为2个24

24、 V的直流电源，1个24V的直流电源拿来作为控制电路中控制中间继电器线圈的电源，1个拿来作为数控装置的电源。为了数控装置的通断也能人为控制，在它的主电路图中加入了中间继电器KA14。 TH7650加工中心急停和超程TH7650加工中心急停和超程的原理图如图3.6所示：在本次设计中，超程是放在急停控制电路中的，SQ11-2，SQ12-2，SQ13-2分别代表的是X，Y，Z的正负超程信号，当钥匙开关SA1开通，在机床运动没有超程时，中间继电器KA0的线圈得电，KA0的常开触点闭合，传入到PMC的急停信号无效，当按下急停按钮或者机床运动超程时。KA0的线圈不导通，KA0的常开触点断开，传入到PMC的

25、急停信号有效，机床停止运动。如果是按下急停按钮使机床停止运动，则能再按该按钮使它复位，如果是超程的原因使机床急停，则可以按下SB10超程解除按钮与手动进给按钮配合来解除急停状态。图3.5TH7650加工中心急停控制图 TH7650加工中心系统电源控制本次设计的TH7650加工中心系统电源控制原理图如图3.6，开机上电后数控装置并没有通电，而是要按下通电按钮才能通电，SB2为控制面板上的通电按钮，SB3为控制面板上的断电按钮，当按下SB2时，KA14线圈得电，在控制电路上形成一个自锁电路，在主回路的KA14常开触点闭合，数控装置得电，当按下SB3时，自锁电路被断开，KA14线圈不得电，在主回路的

26、KA14常开触点断开，数控装置断电。图3.6 TH7650加工中心系统电源控制图 TH7650加工中心排屑电机控制图3.7为TH7640加工中心排屑电机控制图，控制过程为：当地址Y3.3输出为“1”时，中间继电器KA4的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA4的常开触点闭合，而此时，Y3.4输出为“0”，中间继电器KA5的线圈不导通，中间继电器KA5的常闭触点保持，则交流接触器KM3的线圈导通，在主回路中，KM3的常开触点闭合，排屑电机正转。当地址Y3.4输出为“1”时，中间继电器KA5的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA5的常开触点闭合，而此时，Y3.3输出为“0”，中间继电器KA4的线

27、圈不导通，中间继电器KA4的常闭触点保持，则交流接触器KM4的线圈导通，在主回路中，KM4的常开触点闭合，排屑电机反转。这里在控制电路中添加一个互锁电路，目的是保护电机。图3.7 TH7650加工中心排屑电机控制图 TH76450加工中心刀库电机控制图3.8为TH7650加工中心刀库电机控制图，其控制过程为：当地址Y2.0输出为“1”时，中间继电器KA6的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA6的常开触点闭合，而此时，Y2.1输出为“0”，中间继电器KA7的线圈不导通，中间继电器KA7的常闭触点保持，则交流接触器KM5的线圈导通，在主回路中，KM5的常开触点闭合，刀库电机正转。当地址Y2.1输

28、出为“1”时，中间继电器KA7的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA7的常开触点闭合，而此时，Y2.0输出为“0”，中间继电器KA6的线圈不导通，中间继电器KA6的常闭触点保持，则交流接触器KM6的线圈导通，在主回路中，KM6的常开触点闭合，刀库电机反转。这里在控制电路中添加一个互锁电路，目的是保护电机。图3.8 TH7650加工中心刀库电机控制图 TH76450加工中心刀库的运动图3.9TH7650加工中心刀库的进退控制图图3.9为TH7650加工中心刀库的进退控制图，控制过程为：当地址Y2.2的输出为“1”时，中间继电器KA8的线圈导通，在控制回路中，中间继电器KA8的常开触点闭合，电磁

29、阀导通，气泵使刀库前进。3.2 TH7650加工中心操作面板的设计 TH7650加工中心操作面板设计流程：（1）根据提供的资料，再根据数控加工中心的特点，列出常用加工中心的操作面板按键功能。（2）根据TH7650加工中心操作面板功能，确定操作面板所用PMC输入点数，若需状态指示，列出输出点数。在罗列输入点时，需要注意CNC所需G信号与操作按键的关系。 TH7650加工中心面板设计图本次设计的TH7650加工中心操作面板图如图3.10所示，本次设计的 机床面板功能包括快速进给倍率、主轴正反转、工作方式选择、主轴调速、进给倍率调速、机床急停、系统上断电、刀库的动作、排屑电机动作、机床加工、手动进给

30、控制等功能。图3.10 TH7650加工中心操作面板3.3 TH7650加工中心输入输出接口图图3.11 CB105输入图如图3.11所示为TH7650加工中心外部输入原理图，X8.4的对应信号是急停信号,是用中间继电器的常开触点来控制。X8.6对应的是润滑液面报警，是用限位开关来控制。X8.7对应的是刀库计数，是用限位开关来控制。X9.0、X9.1、X9.2分别对应X、Y、Z轴的回零到位开关，是用限位开关来控制。X9.4、X9.5分别对应刀库进到位和刀库退到位开关，是用限位开关来控制。X9.6、X9.7分别对应主轴的紧刀检测和松刀检测，是用限位开关来控制。图3.12 CB105输出图(a)如

31、图3.12所示为TH7650加工中心IO口的外部输出图，当Y2.0输出为“1”时，KA6的线圈导通来控制刀库电机的正转，当Y2.1输出为“1”时，KA7的线圈导通来控制刀库电机的反转，当Y2.2输出为“1”时，KA8的线圈导通来控制刀库气泵的工作，当Y2.4输出为“1”时，KA10的线圈导通来控制绿灯点亮，当Y2.5输出为“1”时，KA11的线圈导通来控制红灯点亮，当Y2.6输出为“1”时，KA13的线圈导通来控制换刀动作，当Y2.7输出为“1”时，KA12的线圈导通来控制机床抱闸。图3.13 CB105输出图（b）如图3.13所示为TH7640加工中心IO口的外部输出图，当Y3.0输出为“1

32、”，KA2的线圈导通来控制冷却电机的动作，当Y3.2输出为“1”时，KA3的线圈导通来控制主轴冷却电机，当Y3.3输出为“1”时，KA4的线圈导通来控制排屑电机的正转，当Y3.4输出为“1”时，KA5的线圈导通来控制排屑电机的反转，当Y3.6输出为“1”时，KA9的线圈导通来点亮照明灯。如图3.14所示为TH7650加工中心控制面板的输入原理图，控制面板上的按钮为开关按钮。X0.0对应向Y轴正向运动的功能，X0.2对应向Z轴负方向运动的功能，X0.4对应向X轴正方向运动的功能，X0.6对应快速移动功能，X1.0 对应向X轴负方向运动的功能，X1.2对应向Y轴负方向运动的功能，X1.6对应程序启

33、动功能，X2.0对应进给保持功能，X2.2对应主轴定向功能，X2.4对应主轴反转功能，X2.5对应主轴停止功能，X2.6对应机床复位功能，X2.7对应主轴正转功能，X0.1、X0.3、X0.5、X0.7对应的是快速倍率功能，通过旋转开关的编码实现，X1.1、X1.3、X1.5对应的是主轴调速功能，通过旋转开关的编码实现，X1.7、X2.1、X2.3对应的是机床模式选择功能，通过旋转开关编码实现。图3.14CB104输入图图3.15CB104输出图图3.15为TH7650加工中心控制面板的输出原理图，控制面板上与每个功能相对应的都有一个输出信号灯，当按下控制面板上的功能按钮时，与之对应的信号灯就

34、会点亮。Y0.0的信号控制的是Z轴原点灯，Y0.2的信号控制的是Y轴原点灯，Y0.3的信号控制的是润滑灯，Y0.4的信号控制进给保持灯，Y0.5的信号控制程序启动灯，Y0.6的信号控制X原点灯，Y1. 的信号控制NC准备好灯，Y1.3的信号控制主轴正转灯，Y1.4的信号控制润滑报警灯，Y1.5的信号控制主轴反转灯，Y1.7的信号控制主轴停止灯。图3.16为TH7650加工中心控制面板上输入原理图，控制面板上的按钮为开关按钮。X4.0对应快速倍率100，X4.1对应快速倍率25，X4.2对应快速倍率0，X4.3对应快速倍率50，X5.0对应排屑反转功能，X5.1对应冷却控制功能，X5.2对应刀库

35、反转功能，X5.3对应选择停止功能，X5.4对应排屑正转功能，X5.5对应照明功能，X5.6对应刀库运动功能，X5.7对应程序重启功能，X6.0对应选择跳过功能，X6.2对应刀库正转功能，X6.3对应空运行功能，X6.4对应机床锁住功能，X6.5对应润滑功能，X6.6对应程序保护功能，X6.7对应单字节执行功能。图3.17为TH7650加工中心控制面板的输出原理图，控制面板上与每个功能相对应的都有一个输出信号灯，当按下控制面板上的功能按钮时，与只对应的信号灯就会点亮。Y4.0的信号控制快速倍率100灯，Y4.1的信号控制快速倍率50灯，Y4.2的信号控制快速倍率25灯，Y4.3的信号控制快速倍

36、率0灯，Y4.4的信号控制空运行灯，Y4.5的信号控制单字节灯，Y4.6的信号控制选择停止灯，Y4.7的信号控制程序重启灯，Y5.0的信号控制选择跳过灯，Y5.1的信号控制机床锁住灯，Y5.2的信号控制排屑反转灯，Y5.3的信号控制排屑正转灯，Y5.4的信号控制刀库反转灯，Y5.6的信号控制刀库运动灯，Y5.7的信号控制刀库正转灯。图3.18为TH7650加工中心控制面板上输入原理图（手轮连接图），X7.2、X7.4、X7.6对应的是手轮轴选择功能，通过旋转开关编码实现，X10.0、X10.2、X11.0对应手轮倍率选择功能，通过旋转开关编码实现。图3.19为TH7650加工中心控制面板的输出

37、原理图，信号通过IO模块，传递到控制面板上，当按下控制面板上的功能按钮时，系统识别该按钮的功能后就回反馈一个输出信号。Y6.0的信号控制X轴正向运动的状态灯，Y6.2的信号控制Z轴正向运动的状态灯，Y6.3的信号控制Y轴正向运动的状态灯，Y6.5的信号控制Z轴负向运动的状态灯，Y6.6的信号控制Y轴负向运动的状态灯，Y7.0的信号控制快速运动灯，Y7.4的信号控制X轴负向运动的状态灯，Y7.5的信号控制冷却控制灯，Y7.6的信号控制主轴停止灯，Y7.7的信号控制照明灯。图3.16 CB106 输入图图3.17 CB106输出图3.18 CB107输入图图3.19CB107输出图TH7650加工

38、中心的I/O的地址分配如图3.20所示：图3.20 IO分配图从图3.19可以看出：本次设计的I/O地址为外置I/O地址，输入地址从X0.0开始到X11.7截止，输出地址从Y0.0开始到Y7.7截止。从图3.20可以看出输入地址分配为：X0.0、X0.2、X0.4、X1.0、X1.2、X1.4对应的是三轴的运动方向，X0.1、X0.3、X0.5、X0.7对应进给倍率选择信号，X1.1、X1.3、X1.5对应主轴倍率选择信号，X1.7、X2.1、X2.3对应工作方式选择信号，X0.6对应快速启动功能，X1.6对应程序启动功能，X2.0对应进给保持功能，X2.2对应主轴定向功能，X2.4对应主轴反

39、转功能，X2.6对应机床复位功能，X2.5对应主轴停止功能，X2.7对应主轴正转功能，X8.4对应急停功能，X8.5对应松刀按钮，X8.7对应刀库计数功能，X9.0、X9.1、X9.2对应三轴回零开关，X9.4、X9.5对应刀库运动开关，X9.6、X9.7对应主轴松紧刀检测信号，X4.0、X4.1、X4.2、X4.3对应快速倍率功能，X5.0、X5.4对应排屑正反转功能，X5.1对应冷却控制功能，X5.2、X6.2对应刀库正反转功能，X5.5对应照明功能，X5.7对应程序重启功能，X6.0对应选择跳过功能，X6.3对应空运行功能，X6.4对应机床琐住功能，X6.6对应程序保护功能，X6.7对应

40、单字节执行功能，X7.2、X7.4、X7.6对应手轮轴选择功能，X10.0、X10.2、X11.0为手轮倍率选择信号。从图3.20可以看出输出地址分配为：Y0.0、Y0.2、Y0.6对应的是三轴原点灯，Y0.4对应进给保持灯，Y0.5对应程序启动灯，Y1.1对应主轴准备好灯，Y1.3、Y1.5、Y1.7对应主轴正反停灯，Y2.0、Y2.1对应刀库正反转灯，Y2.2对应刀库气泵灯，Y2.4、Y2.5对应红绿灯，Y2.6、Y2.7对应换刀和抱闸灯，Y3.2对应主轴冷却灯，Y3.3、Y3.4、Y3.5对应排屑电机正反停灯，Y3.6对应照明状态灯，Y4.0、Y4.1、Y4.2、Y4.3对应快速倍率选择

41、灯，Y4.4对应空运行灯，Y4.5对应单字节灯，Y4.6对应选择停止灯，Y4.7对应程序重启灯，Y5.0对应选择跳过灯，Y5.1对应机床琐住灯，Y5.2、Y5.3对应排屑正反转灯，Y5.4、Y5.7对应刀库正反转灯，Y6.0、Y6.2、Y6.3、Y6.5、Y6.6、Y7.4对应三轴运动方向灯，Y7.6对应主轴停止灯。4 加工中心机床电气软件设计与分析4.1 FANUC系统PMC介绍FANUC系统可以分为两部分：控制伺服电动机和主轴电动机动作的系统部分的PMC及控制辅助电气部分的PMC。 PMC与PLC非常相似，因为专用于机床，所以称为可编程序机床控制器。与传统的继电器控制电路相比较，PMC具有

42、时间响应快，控制精度高，可靠性高，控制程序可随应用场合的不同而改变，与计算机的接口及维修方便等优点。另外，由于PMC使用软件来实现控制，可以进行在线修改，所以有很大的灵活性，具备广泛的工业通用性。 FANUC数控系统中CNC、PMC与MT之间的关系 FANUC数控系统中CNC、PMC与MT之间的关系如图4.1所示. CNCMTPMCG0Y1000F0X1000图4.1 CNC、PMC与MT各接口信号地址之间的关系CNC是数控系统的核心，机床上IO与CNC交换信息，要通过PMC处理，才能完成信号处理，PMC起着机床与CNC之间桥梁作用。机床本体上的信号进入PMC，输入信号为X地址信号，输出到机床

43、本体信号为Y信号地址，因内置PMC和外置PMC不同，地址的编排和范围有所不同。根据机床动作要求，编制PMC程序，由PMC处理送给CNC装置的信号为G信号，CNC处理结果产生的标志位为F信号，直接用于PMC逻辑编程，每个具体信号含义可以参考FANUC有关技术资料。如要应用好FANUC数控系统，首先要理解控制对象（机床）的动作要求，列出有哪些信号输入数控系统，数控系统要输出哪些控制信号，各个信号的作用和点评要求。其次了解PMC和CNC之间和各个型号时序和逻辑要求，根据机床动作要求，分清哪些需要进入进入CNC装置，那些信号从CNC装置输出，哪些信号需要参与编制逻辑程序。最后在理解机床动作基础上，了解

44、PMC编程指令，编制程序，对程序进行调试。4.1.2 PMC的程序介绍PMC的程序称为顺序控制程序，用于机床或其他系统顺序控制,使CPU执行算术处理。顺序程序的编制步骤如下：(1)根据机床的功能确定I/0点的分配情况；(2)根据机床的动作和系统的要求编制梯形图；(3)利用系统调试梯形图；(4)将梯形图程序固化在ROM芯片内。PMC顺序程序按优先级别分为两部分：第一级和第二级顺序程序。划分优先级别是为了处理一些宽度窄的脉冲信号,这些信号包括紧急停止信号以及进给保持信号。第一级顺序程序每8ms执行一次，这8ms中的其他时间用来执行第二级顺序程序。如果第二级顺序程序很长的话，就必须对它进行划分，划分

45、得到的每一部分与第一级顺序程序共同构成8ms的时间段。PMC顺序程序的地址表明了信号的位置。这些地址包括对机床的输入输出信号和对CNC的输入信号（X）、输出信号（Y）、内部继电器（R）、计数器（C）、保持型继电器（K）、数据表（D）等。每一地址由地址号(每8个信号)和位号(0到7)组成。其格式如图4.2所示。X 1000 . 0位号（07）地址号地址类型图4.2 地址信号格式在PMC顺序程序的编制过程中，应注意到输入触点X不能用作线圈输出，系统状态输出F也不能作为线圈输出。对于输出线圈而言,输出地址不能重复，否则该地址的状态不能确定。4.1.3 PMC地址的规定FANUC系统对不同地址类型有规

46、定的地址号，其规定如下： 1 X：由机床至PMC的输入信号(MTPMC) 如果采用I/O Link时，其输入信号地址为X0X127；如果采用内装I/O卡时，FANUC 0i A系统的输入地址为X10001011（96点输入）。2 Y：由PMC至机床的输出信号(PMCMT) 如果采用I/O Link时，其输出信号地址为Y0Y127；如果采用内装I/O卡时，FANUC 0i A系统的输出地址为Y1000Y1008（72点输出）。3 F：由NC至PMC的输入信号(CNCPMC) 从CNC到PMC的输出信号的地址号为F0F255，这些信号的功能是固定的，用户通过顺序程序确定CNC系统的状态。4 G：由

47、PMC至NC的输出信号(PMCCNC) 从PMC到CNC的输出信号的地址号为G0G255，这些信号的功能是固定的，用户通过顺序程序实现CNC各种控制功能。5 R:：内部继电器内部继电器的地址为R0R999，其中R900R999为系统专用。6 D：非易失性存储器FANUC 0i A系统数据表共有1860字节，其地址为D0D1859。4.1.4 PMC的基本指令PMC基本指令有RD、RD.NOT、WRT、WRT.NOT、AND、AND.NOT、OR、OR.NOT、RD.STK、RD.NOT.STK、AND.STK、OR.STK、SET、RST共14个。在编写PMC程序时，通常有两个方法，第一种方法

48、是使用助记符语言（RD、AND、OR等PMC指令），第二种方法是作用梯形图符号。使用梯形图符号进行编程，以其易于理解、方便阅读、编辑方便，以及不需要去学习PMC指令的优点，成为编程人员作为编制PMC程序的首选方法。其梯形图格式如图4.3所示。图4.3梯形图格式当X1000.0和R100.0为1后，Y1000.0置1；此后当X1000.1也置1，Y1000.1也将置1；当X1000.2为1后，Y1000.2置1并自保持，这时当X1000.2变0，Y1000.2也保持置1；当X1000.3为1后， Y1000.3置0。4.1.5 PMC的功能指令使用PMC基本指令进行编程时，便宜能实现各种逻辑关系

49、的控制。但是有些功能，如控制沿更短的路径方向旋转、M指令的读取与执行等等的控制，就很难只通过执行位逻辑的基本指令来实现。功能指令刚好弥补基本指令的不足，为更复杂的逻辑控制提供了可能，使编程变得更容易，阅读时更容易理解。 规格为PMCSA3的PMC共提供66个功能指令，表4-1列出了其中一部份功能指令。表4-1 部分PMCSA3功能指令表编码缩写符号注释 SUB1 END1第一级顺序程序结束SUB2END2第二级顺序程序结束SUB3TMR可变定时器，其设定的时间在屏幕的定时器画面中显示和设定ACT=启动信号SUB4DEC译码，当从译码地址读取的BCD码与译码指令中的给定值相比。一致输“1”不一致

50、输“0”SUB5CTR计数器4.2 FANUC PMC梯形图设计 加工中心机床操作面板与本体控制程序设计1、急停信号（输入）*ESP图4-4急停信号分析：X1008.4为急停信号输入地址，G8.4为PMC输出急停信号地址。当按下X1008.4即急停按钮，机床急停，第一级程序扫描结束。END1 指令在顺序程序中必须给出一次，可在第一级程序末尾，当没有第一级程序时，排在第二级程序开头。第一级程序仅处理短脉冲信号，这些信号包括急停、各轴超程等。2、循环启动信号（输入）ST ，循环启动灯信号（输出）STL进给暂停信号（输入）*SP，进给暂停灯信号（输出）SPL图 4-5循环 进给信号分析：当循环启动按

51、键按下X1000.0=1且进给暂停按键没有按下X1000.1=0时，输出G7.2=1（CNC循环启动）。此时，循环启动灯信号F000.5=1，输出Y1000.2=1。当进给暂停按键按下X1000.1=1且进给暂停按键没有按下X1000.0=0时，输出G8.5=1（CNC进给暂停）。此时，进给暂停灯信号F000.4=1，输出Y1000.3=1。3、方式信号（输入）MD1、MD2、MD4 ，操作方式确认信号（输出）图4-6方式信号分析：当操作方式旋钮开关输入使X1003.1=0、X1003.2=0、X1003.3=0时，输出R10.0=1（MDI操作方式）；当操作方式旋钮开关输入使X1003.1=

52、1、X1003.2=0、X1003.3=0时，输出R10.1=1（DEIT操作方式）；当操作方式旋钮开关输入使X1003.1=0、X1003.2=1、X1003.3=0时，输出R10.2=1（MEM操作方式）；当操作方式旋钮开关输入使X1003.1=1、X1003.2=1、X1003.3=0时，输出R10.3=1（JOG操作方式）；当操作方式旋钮开关输入使X1003.1=0、X1003.2=0、X1003.3=1时，输出R10.0=1（HANDLE操作方式）。当ZRN按键按下X1003.4=1时，输出G43.7=1（ZRN操作方式）。此时，F4.5=1，输出Y1003.0=1。操作方式对应G、

53、F信号地址关系见表4-2。表4-2 操作方式对应G、F信号地址关系操作方式信号状态输出F信号MD1MD2MD4ZRN1手动数据输入（MDI）0000F3#32存储器编辑（EDIT）1100F3#63自动运行（MEM）1000F3#54手轮进给（HANDLE）0010F3#15手动连续进给（JOG）1010F3#26手动返回参考点（ZRN）1011F4#54进给轴方向选择信号（输入）+Jn，-Jn图4-7进给轴方向选择信号分析：当选择JOG操作方式使F3.2=1， +X轴进给按键按下X1000.2=1, 且-X轴进给按键没按下X1000.3=0时，输出G100.0=1（+X轴进给）；当选择JOG

54、操作方式使F3.2=1， -X轴进给按键按下X1000.3=1, 且+X轴进给按键没按下X1000.2=0时，输出G102.0=1（-X轴进给）。+Y轴进给、-Y轴进给、+Z轴进给、-Z轴进给设计同+X轴进给、-X进给一样。5手轮进给轴选择信号（输入）HS1A、HS1B图4-8进给轴选择信号分析：当手轮进给轴选择旋钮使X1003.5=0、X1003.6=0时，输出R20.0=1（选择X轴）；当手轮进给轴选择旋钮使X1003.5=0、X1003.6=1时，输出R20.1=1（选择Y轴）；当手轮进给轴选择旋钮使X1003.5=1、X1003.6=0时，输出R20.2=1（选择Z轴）手轮进给轴选择信

55、号见表4-3。表4-3 手轮进给轴选择HS1BHS1A进给轴00无选择01第1轴10第2轴11第3轴6手动进给速度倍率信号（输入）*JV0*JV15G010，G011图4-9倍率信号分析：当进给倍率开关选择X1005.3=1时，输出R120.0=1。同理，当X1005.4=1时，输出R120.1=1；当 X1005.5=1时，输出R120.2=1；X1005.6=1时，输出R120.3=1 。然后通过PMC功能指令AND、MULB、NOT、MOVE进行计算，最后将结果存放在G10、G11中。JOG进给及增量进给方式的速率。这些信号是16位二进制编码信号，倍率值对应如下。 倍率值(%) = 0.

56、01%2iVi 当 *JVi为“1”时，Vi=0当*JVi为“0”时，Vi=1当所有信号（*JV0*JV15）全为“1”或“0” 时，倍率值为0，此时进给停止。倍率值在0655.34%范围之内，步距为0.01%。表4-4倍率值X1005.3(R120.0)X1005.4(R120.1)X1005.5(R120.2)X1005.6(R120.3)G11G10手动进给速度倍率000011111111111111110%0001111111000001011110%0010111110000010111120%0011111101000100011130%0100111100000101111140

57、%0101111011000111011150%0110111010001000111160%0111111001001010011170%1000111000001011111180%1001110111001101011190%10101101100011101111100%10111101010100000111110%11001101000100011111120%7增量进给信号（输入）MP1、MP2G19 # 4，G19 # 5图4-10进给信号分析：手轮进给倍率由输入旋钮X1005.0、X1005.1的输入决定。其倍率值见表4-5。表4-5 手进给倍率手轮进给倍率距离选择信号移动距

58、离MP2MP100X101X1010X10011X10008快速倍率选择信号（输入）ROV1、ROV2G14 # 0，G14 # 1图4-11选择信号分析：快速倍率选择由输入旋钮X1006.1、X1006.2的输入决定。其倍率值见表4-6表4-6快速进给值快速移动倍率选择信号倍率值ROV1ROV200100%1050%0125%11F0%9机床锁住信号（输入）MLKG44#1分析：当机床锁住MLK键按下X1002.6=1，功能键FN5按下R30.0=1时，上升沿输出G44.1=1（机床锁住脉冲）。此时机床锁住检测信号F4.1=1，输出Y1002.5=1。图4.12锁住信号10程序重启信号（输入

59、）SRNG6#0图4.13重启信号分析：当程序重启按键按下X1001.7=1，功能键FN5按下R30.0=1时，上升沿输出G6.0=1（程序重启脉冲）。此时程序重启检测信号F2.4=1，输出Y1002.3=1。11超程解除信号（输入）RLSOTG7#7图4.14解除信号分析：当超程解除按键按下X1001.5=1时，输出G7.7=1（CNC超程解除），同时输出Y1002.1=1。12外部复位信号（输入）ERSG8#7图4-15复位信号分析：当外部复位按键按下X1006.3=1时，输出G8.7=1（外部复位）。此时复位信号F1.1=1，输出Y1003.0=1。13单段运行信号（输入）图4-16运行

60、信号分析：当单段运行按键按下X1002.5=1，功能键FN5按下R30.0=1时，上升沿输出G46.1=1（单段运行脉冲）。此时单段运行检测信号F4.3=1，输出Y1002.4=1。14Z轴抱闸（输出）抱闸是这样工作的，在24V加在制动线圈时候，制动器打开，在24伏消失以后，电机会很快进入制动状态，电机轴处在抱紧状态。图4-17报闸分析：当CNC伺服准备就绪信号F0.6=1时，输出Y1003.5=1。15M功能代码信号（输出）M00M31F10F13, 选通信号（输出）MF,分配结束信号（输出）DEN,结束信号（输出）FIN M功能代码信号送出后，经过CNC系统自动延时，输出选通信号MF，当PMC读取MF信号后，执行所需操作，信号输出后，将完成信号FIN置“1”，经CNC自动延时使MF信号、FIN、M代码信号全