高速铣削实验台集成控制系统研究与开发

论文摘要

高速铣削加工是现代切削加工的发展方向之一,但高速铣削加工在实际应用中仍存在很多问题,需通过高速铣削实验对其进行研究。切削力和切削温度是反映加工过程的重要参数,对高速铣削加工的研究具有实际意义。本文研究开发一套数控与检测集成的控制系统,不仅减少了部分硬件设备,降低了成本,也使系统功能更加集中。系统可以实现切削轨迹和切削力、切削温度的对应记录,可以绘制切削刀具、切削用量对切削力、切削温度的影响曲线图,为高速铣削刀具、切削用量的合理选择和刀具路径的优化提供了分析数据,为高速铣削加工研究奠定了基础。本文利用现有的高速电主轴、刀库等实验设备构建一个可自动换刀的高速铣削实验台,结合其特点和控制要求,采用“PC+PLC”的结构形式研究和开发了一套基于PC机的高速铣削实验台集成控制系统。该系统用PLC实现主轴、刀库、工作台运动控制和切削力、切削温度的采集功能,用PC机实现人机界面及后台管理,并通过PC机与PLC之间的通信完成整个系统的控制任务。高速铣削实验台集成控制系统的开发包括硬件和软件两个方面。本文研究了控制系统的硬件组成,并对各部分硬件的功能和原理进行了分析,设计了系统的硬件结构。结合系统的硬件结构和控制要求,通过对系统软件工作原理和工作流程的分析,并充分考虑了数控和检测系统集成开发的特点,以模块化设计的思想,提出了用组态软件开发人机界面的软件设计方案。人机界面包含了高速铣削实验台电主轴、刀库、运动控制和切削力、切削温度采集的操作界面,切削力和切削温度实时显示、数据分析、数据存储界面。并通过组态软件内部的通信协议模块方便地实现了上下位机的通信。本文根据控制系统要求设计了PLC主程序和各子程序,实现了实验台点动、原点返回、定位以及进给运动控制；电主轴速度和位置控制；刀库的自动换刀控制以及切削力和切削温度数据采集。根据高速铣削实验台的结构方案,利用十字工作台构建了模拟的高速铣削实验台,对控制系统进行了调试。实验结果表明,本文所开发的高速铣削实验台集成控制系统系统运行良好,操作方便,人机界面友好,能够实现控制高速铣削实验的控制要求以及切削力和切削温度的检测要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高速切削加工技术概况
• 1.1.1 国内外高速切削技术的研究现状和发展趋势
• 1.1.2 高速切削加工的关键技术
• 1.2 高速切削数控系统概况
• 1.2.1 高速切削数控系统的要求和特点
• 1.2.2 高速切削控制系统的研究现状与发展趋势
• 1.3 切削力和切削温度检测系统的研究现状和发展趋势
• 1.3.1 切削力检测系统
• 1.3.2 切削温度检测系统
• 1.4 数控加工和切削力、切削温度检测系统集成开发研究
• 1.4.1 系统集成开发研究现状
• 1.4.2 系统集成开发的意义
• 1.5 课题来源、选题背景、意义和主要研究内容
• 1.5.1 课题来源、选题背景和意义
• 1.5.2 课题的主要研究内容
• 第2章 实验台集成控制系统总体设计
• 2.1 高速铣削实验台的构建
• 2.1.1 进给机构
• 2.1.2 主轴系统
• 2.1.3 刀库系统
• 2.2 实验台集成控制系统的控制要求分析
• 2.3 控制方案选择
• 2.4 软件任务分析与设计方案确定
• 2.4.1 系统软件任务
• 2.4.2 系统软件总体结构设计
• 2.4.3 系统工作流程
• 2.4.4 软件设计方案确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 实验台集成控制系统硬件设计
• 3.1 集成控制系统硬件结构
• 3.2 PC机与PLC选择
• 3.3 进给驱动系统确定
• 3.4 电主轴控制系统选择
• 3.5 操作面板设计
• 3.6 切削力和切削温度检测系统设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于组态软件的人机界面开发
• 4.1 世纪星软件简介
• 4.2 人机界面设计原则
• 4.2.1 一般交互原则
• 4.2.2 信息显示原则
• 4.2.3 数据输入原则
• 4.3 实验台集成控制系统人机界面开发
• 4.3.1 坐标显示
• 4.3.2 实验台数控加工操作界面开发
• 4.3.3 实验台切削力和切削温度检测操作界面开发
• 4.4 本章小结
• 第5章 数控加工和数据采集功能的PLC程序设计
• 5.1 PLC程序编辑和调试环境简介
• 5.2 程序设计中应用的几个主要控制指令简介
• 5.3 PLC数控加工和数据采集程序设计要求
• 5.4 PLC程序的总体结构设计
• 5.5 实验台主要功能的PLC程序设计
• 5.5.1 主程序
• 5.5.2 点动子程序设计
• 5.5.3 原点返回子程序设计
• 5.5.4 定位子程序设计
• 5.5.5 进给子程序设计
• 5.5.6 主轴速度控制子程序设计
• 5.5.7 主轴准停子程序设计
• 5.5.8 选刀和换刀子程序设计
• 5.5.9 切削力和切削温度采集子程序设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统安装与调试
• 6.1 硬件安装
• 6.2 系统调试
• 6.2.1 硬件测试
• 6.2.2 PLC程序调试
• 6.2.3 人机界面和PLG通信测试
• 6.3 系统试运行
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A PLC程序节选
• 附录B 系统硬件电路图
• 附录C PLC端子分配表