第一章 绪论
1.1 课题的背景、研究意义
对于一个国家,国民经济水平不是由国民生产总值,但由国家设备行业的技术水平和现代化程度的装备制造业。现在,数控技术也叫计算机数控技术,目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这项技术通过计算机根据事先控制存储过程执行控制功能的设备。因为使用电脑来取代原来使用的硬件逻辑电路的数控设备,输入的数据存储、处理,实现算术和逻辑控制功能,都可以通过计算机软件来完成。说设备行业对国家起着重要的作用。新兴高新技术产业和高端产业的快速发展,如军事、航空和国防工业,需要更先进的核心技术。在当今社会,数控技术是一种更先进的技术,并已广泛应用在世界上所有国家,提高制造能力和水平,以适应复杂多变的市场,提高竞争能力。
数控机床的广泛应用,企业熟悉数控车床加工编程和数控加工技术人才的需求正在增加。数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床,可加工的直圆柱,削减缸、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件。本文就数控车床编程技巧进行深入探讨。
1.2 数控车床的由来和历史背景
数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种程序控制系统的自动化机床。控制系统能够处理与逻辑控制代码或其他符号,按照规定的程序指令,和解码,使数控折弯机的操作和机器零件。在数控加工中,数控铣削加工是最复杂,最需要解决的问题。除了数控铣数控电火花线切割,数控电火花成型、数控车削、数控磨削数控编程有其不同的特性,如伺服系统的作用是一封来自数控装置的脉冲数转化为机器的运动部件的运动。
    数控机床是由美国发明家约翰·帕森斯,上个世纪。随着电子信息技术的发展,计算机已经进入时代的数字制造技术为核心的机电一体化、数控机床之一是代表产品之一。数控机床是制造业加工机床及国民经济的重要基础。它提供了设备和方法为国民经济各个部门,无限放大的经济与社会效应。目前,欧洲,美国,日本和其他发达国家先后完成了工业化的数控机床,在1980年代开始,中国仍处于发展阶段。
1.3 数控车床的主要组成部分
依照技术指标：
按加工工艺方法分类可以分为：金属切削类数控机床、特种加工类数控机床、板材加工类数控机床。近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。
1、坐标轴和运动方向命名的原则
(1)假定刀具相对于静止的工件而运动。当工件移动时，则在坐标轴符号上加“｀”表示。
(2)标准坐标系是一个右手直角笛卡尔坐标系。
(3)刀具远离工件的运动方向为坐标轴的正方向。                  
2、坐标轴的规定
（1)基本坐标轴
数控机床的坐标轴和方向的命名制订了统一的标准，规定直线进给运动的坐标轴用X，Y，Z表示，常称基本坐标轴。  
（2）旋转轴
围绕X，Y，Z轴旋转的圆周进给坐标轴分别用A，B，C表示，根据右手螺旋定则，如图所示，以大姆指指向+X，+Y，+Z方向，则食指、中指等的指向是圆周进给运动的+A，+B，+C方向。
（3）附加坐标轴
在基本的线性坐标轴X，Y，Z之外的附加线性坐标轴指定为U，V，W 和P，Q，R。这些附加坐标轴的运动方向，可按决定基本坐标轴运动方向的方法来决定。
3、机床坐标轴的确定
(1)Z坐标轴。
1)在机床坐标系中，规定传递切削动力的主轴为Z坐标轴。
2)对于没有主轴的机床(如数控龙门刨床)，则规定Z坐标轴垂直于工件装夹面方向。
3)如机床上有几个主轴，则选一垂直于工件装夹面的主轴作为主要的主轴。
(2)X坐标轴。
1)X坐标轴是水平的，它平行于工件装夹平面。
2)对于工件旋转的机床，X坐标的方向在工件的径向上，并且平行于横滑座。
3)对于刀具旋转的机床，如Z坐标是水平(卧式)的，当从主要刀具的主轴向工件看时，向右的方向为X的正方向；如Z坐标是垂直(立式)的，当从主要刀具的主轴向立柱看时，X的正方向指向右边。
4)对刀具或工件均不旋转的机床(如刨床)，X坐标平行于主要进给方向，并以该方向为正方向。
(3)Y坐标轴。Y坐标轴根据Z和X坐标轴，按照右手直角笛卡尔坐标系确定。
4、机床原点与参考点
（1）机床原点：指在机床上设置的一个固定点，即机床坐标系的原点。它在机床装配、调试时就已确定下来，是数控机床进行加工运动的基准参考点。
1）数控车床的机床原点一般取在卡盘端面与主轴中心线的交点处。
2）数控铣床的机床原点位置因生产厂家而异，有的设置在机床工作台中心，有的设置在进给行程范围的正极限点。可由机床用户手册中查到。 
图1.2 数控车床坐标系示意图
（2）机床参考点：机床参考点是用于对机床运动进行检测和控制的固定位置点。                                 
第二章 数控车床的模型编程               
2.1 数控车床的工作原理
数字控制(Numerical Control是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种控制方法。数控机床是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。国际信息处理联盟(International Federation of Information Processing, IFIP)第五技术委员会，对数控机床作了如下定义:数控机床是一种装了程序控制系统的机床。该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。最早在20世纪40年代提出了用数字控制技术进行机械加工的思想。美国小型飞机行业承包商帕森斯公司飞机和直升机叶片轮廓框架模板,与全数字电子计算机轮廓路径进行数据处理,并考虑到加工的刀具直径的影响路径,提高了加工精度。随着计算机技术的发展,小型计算机价格大幅下跌。小型计算机开始取代的特殊控制,数字控制许多功能由软件实现。
2.2 数控车床的程序编制
    在机床操控系统开发过程中,编制PLC程序既需求参照电气系统I/O点分配情况；又有必要包含一切由PLC处置的逻辑动作,并根据各个逻辑呼应时刻的需求别离处置。立式数控车床系统开发总结出的PLC编程具体步骤可归纳为:
    操控系统开发开始,断定操控目标(机床、NC、PLC)、断定操控对动作的标准、算出输入/输出点数、估量操控规模。输入点是与机床侧被控目标有关的按钮、开关、继电器和接触器触点等衔接的输入信号接口,以及机床侧直接衔接到NC输入信号接口(如减速信号*DECX、*DECY、越过信号SKIP等)。输出点包含向机床侧继电器、指示灯等输出信号接口。所挑选PC的处置时刻,指令功用,定时器、计数器、内部继电器的技能标准、数量等目标也应满足需求。
第三章 葫芦模型的设计
3.1 根据题目要求选择合适的用具
随着科学技术的快速发展,电子技术、计算机技术和控制技术的变化都发生了变化,并促进制造业的快速发展,这也使得交流伺服系统具有较好的动态和静态性能。目前,数控机床的伺服系统采用电流环、速度环和位置环的三闭环PID控制技术,传统的PID参数设置方法效率较低,通常依赖于工程师的经验。为了提高伺服系统的性能的数控机床交流伺服系统的设计和参数设置是特别重要的。
闭环调速系统的结构图3.1所示，交流位置伺服系统主要由控制器、逆变器、伺服电机、检测装置和机械系统组成。在原来双闭环结构的基础上增加了位置环反馈环节。这样伺服系统由内到外三个闭环构成，包括电流环、速度环和位置环，其中还有各环节的反馈。所以为了更好的分析系统的稳态精度和静动态品质，必须建立伺服系统的各个元件和环节的模型。 
图3.1交流伺服进给驱动系统框图
3.2 进行编程
在数控机床交流伺服系统中，一般都是由电流环、速度环和位置环的三闭环构成的。其中电流环和速度环是伺服系统的内环，位置环是其的外环结构。三闭环结构能使数控伺服系统得到较好的动态和静态性能。其中，电流环的作用是提高系统的快速响应能力和抑制电机内部的电流造成的干扰，使系统有足够大的加速扭矩，能保障系统的安全运行:速度环的作用是增强伺服系统的抗负载的能力，抑制运动速度的波动；位置环的作用是保证伺服系统的动态和静态性能，使系统稳定、高性能的运行。为了提高系统的性能，三环都有控制器进行调节。经过长期的工程实践中证明，电流环和速度环采用PI调节器，位置环采用PID调节器。
位置环的设计是数控机床伺服系统中最重要的一环。机床的伺服系统要求具有精确的定位，还能够随时的控制电机的转向和转速，以保证在机床加工过程中能快速准确的跟踪位置指令，完成高精度的加工。伺服系统稳态运行过程中，突然施加一个位置指令，为了使输出量尽快的跟踪到输入量，并且产生的稳态位置误差越小越好，就得有好的PID调节器的参数设计。通过整定电流环和速度环，把这两个当做位置环的内环，简化模型后的结构图如下所示: 
图3.2位置环简化系统框图
图3.3葫芦模型图
位置环的增益越大，位置跟踪误差越小，但增益如果过大的话会影响到整个系统的动态性能，即稳定性降低。系统的动态性能和静态性能是相互矛盾的，跟随误差是无法完全消除的，所以设置位置环PID的时候要兼顾多方面的要求，最终要求达到系统的要求。工程上，位置环PID控制器的参数的设计通常是通过试凑法，或者通过实验经验公式来确定。实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。
3.3 模拟程序实验 
工程一般调速系统动态参数的设置,包括预期的典型的链接,选择类型的控制器和控制器参数的计算三个部分。的结果设计应该满足生产机械的工艺要求提出动态和静态性能指标。闭环调速系统的设计中,经常会遇到冲突的动态稳定性和稳态性能指标情况下,只有合理的设计动态标定装置,刁一能满足动态稳定性和稳态性能指标要求。以电力电子变换器直流闭环速度控制系统,由于低阶传递函数,一般PID调节器系列校正方法。PID调节器在PD,π,PID三种类型:PD控制器提前修正的作用,可以提高系统稳定裕度和速度,但稳态精度可能受到影响;PI调节器的作用滞后校正,虽然可以保证系统的稳态精度,但显然速度类型限制,前两个PID控制器的优点,可以提高系统的控制性能。
3.4 经行实物制作
首先利用准备好的“802Ds1调试电缆”将计算机和802Ds1的COMI连接起来；802Ds1必须进入联机方式:系统—PLC—STEP连接—设定通讯参数—拥有一个编译无误的PLC程序，然后才能利用PLC编程工具软件将该应用程序下载到802Ds1中；下载成功后，需要启动PLC应用程序；可利用监控梯图的状态(不包括局部变量L的状态)；可利用监控内部地址的状态；还可利用“交叉应用表”来检查是否有地址冲突；联机调试的检验项目根据机床类型的不同而不同。 
第四章 课题总结
4.1 本次课题的难点和注意事项
    换刀第一步。需求换刀时R0220．0已置位，这时履行比拟指令，将R0140中当时读到刀位和F0026指令刀位数进行比拟。若是比拟成果不持平，在没有刀架回转信号 Y0001．7为0的情况下输出刀架正转信号 Y0001．6为1，刀架开端正变换刀。当检测到刀架到位信号，即当时刀位与指令刀位持平时，中止正转输出，同时R0220．0复位，R0220．1置位，进入换刀下一过程。换刀第二步，当检测到刀架刀位信号并中止输出刀架正转信号后，刀架还会因为惯性转变一小段间隔而脱离传感器的检测位，因而，有必要再次检测刀位是不是到位，若是没有到位将R0220．1复位，R0220．2 置位，进入换刀的下一过程。换刀第三步，如图所示。刀架开端回转锁紧，时刻由N083参数设定，刀架回转锁紧时刻到后中止回转，同时 R0220． 3 置位、R0220． 2 复位，进入换刀下一过程。但若是回转时刻超过DT0008所设时刻，TCP不为1，则发生换刀超时报警。换刀第四步，依据参数N0182#2的设置，如换刀结束时需检测刀位信号，则在断定刀架到位后将换刀标志 K0002.0 复位; 如换刀结束时不需检测刀位信号，则直接将 K0002．0 复位。刀具功用选通信号不见后，将 R0220．3、R0220．4、R0244、R0241复位，为下次换刀做好预备。
4.2出错信息
PLC在CNC机床中的首要作用是操控强电数据如:主控电源、伺服电源、刀架电机正回转、排屑器电机正回转、主轴电扇、光滑电机、冷却电机、冰箱操控等。因为流过强电电路的电流很大,在PLC输出端都接有维护用继电器。在每一个沟通线圈两边并联阻容电路以吸收因为线圈通断时发生的浪涌电流。为了保持电机运转的可靠性,在接触器线圈电路中加有互锁维护触点。同理,每个电机的运转程序操控逻辑都固化在PCROM卡中,受机床操作面板开关和数控系统软件的操控。
4.3 补救措施
在我国机床产业中，企业无论是规模、形式、产品等方面都存在很大的差别。虽然我国的机床类产品已经进入国际市场，但在技术方面，我国机床产品的技术水平与世界水平相对比需要加强。由于我国的机床产业还处于低端市场阶段。很多高端产品中还处于空白。我国大部分机床类企业跟随着国际一些知名企业的后面，这种情况导致在一些新技术方面，我国企业拿不到最先进的技术，无法与国外企业公平竞争。而在机床行业的内部，国内在低端市场常常打价格战，以争夺低端市场为目标。