FANUC - 0i - Mate - MC数控加工中心电气毕业设计论文和调试

前言

数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上。数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

我国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国内机床产品充斥市场，严重影响我国数控机床自主发展的势头。这种现象的出现，除了有经营上、产品质量上和促销手段上等的原因外，一个最主要的原因就是新产品（包括基型、变型和专用机床）的开发周期长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。

本论文采用的是FANUC数控加工中心系统，深入浅出地介绍了FANUC数控加工中心的电气原理图、PMC程序的编制和简单系统的调试等。电气原理图与PLC程序设计是这次设计中的重点内容，同时也是难点。由于本人水平有限，设计中的错误和不足之处在所难免，敬请各位指导老师和验收老师批评指正。

目录

前言 .......................................... 1 第一章 绪论 ................................. 4

1.1 选题背景 ............................................... 4 1.2 FANUC数控系统概述 ..................................... 4 1.2.1 FANUC数控系统的主要类型 ............................ 4 1.2.2 FANUC数控系统的特点 ................................ 5 1.2.3 FANUC 0系列的主要功能及特点 ........................ 5 1.2.4 FANUC 0i系列的主要功能及特点 ....................... 6 1.3 FANUC数控加工中心的创新与应用 ......................... 6

第二章 FANUC加工中心电气原理图的设计 ........ 7

2.1 常用电器的选型 ......................................... 7 2.1.1 伺服电机的选型 ..................................... 7 2.1.2 低压元器件选择 ..................................... 7 2.2 电气原路图的基础知识 ................................... 8 2.2.1 电气原理图 ......................................... 8 2.2.2 电气原路图的构成要素 ............................... 9 2.2.3 电气原路图的画法规则 ............................... 9 2.3 电气原理图的设计原则和设计步骤 ......................... 9 2.3.1 电气原理图中的图形符号、文字符号和接线端子标记 .... 10 2.3.2 电气原理图 ........................................ 10 2.4 电气原理图电路示例 .................................... 12

第三章 FANUC PMC程序的设计 .................. 15

3.1 概述 .................................................. 15 3.2 PMC的地址 ............................................ 16 3.3 PMC程序的结构 ........................................ 16 3.4 基本指令 .............................................. 17 3.5 功能指令 .............................................. 19 3.5.1功能指令的格式 ...................................... 19

3.5.2部分功能指令说明 .................................... 20 3.6 FANUC数控加工中心PMC的分析 ........................... 24 3.6.1 I/O分配表 .......................................... 24 3.6.2 PLC完成M功能信号的处理 ............................ 26

第四章 系统的调试 .......................... 27

4.1 FANUC Oi Mate-MC数控系统操作面板 ..................... 27 4.2 参数的显示 ............................................ 29 4.3 用MDI设定参数 ........................................ 30 4.4 重要参数的设定 ........................................ 31 4.4.1 有关“SETTING”的参数 .............................. 31 4.4.2 有关轴控制/设定单位的参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 4.4.3 有关存储式行程检测的参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 4.4.4 有关进给速度的参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35 4.4.5 有关加减速控制的参数 ............................... 35 4.4.6 有关伺服的参数 ..................................... 36 4.4.7 有关DI/DO的参数 ................................... 37 4.4.8 有关MDI、显示和编辑的参数 .......................... 38 4.4.9 有关程序的参数 ..................................... 39 4.4.10 有关螺距误差补偿的参数 ............................ 40 4.4.11 有关主轴控制的参数 ................................ 40

结论 ......................................... 42 致谢 ......................................... 43 参考文献 ..................................... 44

第一章 绪论

1.1 选题背景

加工中心（Machining Center，简称MC）是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床。它是适应省力、省时和节能的时代要求而迅速发展起来的，它综合了机械技术、电子技术、计算机软件技术、气动技术、拖动技术、现代控制理论、测量及传感技术以及通讯诊断、刀具和应用编程技术的高技术产品，将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能并聚集在一台加工设备上，且增设有自动换刀装置和刀库，可在一次安装工件后，数控系统控制机床按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能，依次完成多面和多工序的端平面、孔系、内外倒角、环形槽及攻螺纹等加工。由于加工中心能集中完成多种工序，因而可减少工件装夹、测量和调整时间，减少工件周转、搬运存放时间，使机床的切削利用率高于通用机床3～4倍，达80%以上。所以说，加工中心不仅提高了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。

随着电子技术的迅速发展，以及各种性能良好的传感器的出现和运用，加工中心的功能日趋完善，这些功能包括：刀具寿命的监视功能，刀具磨损和损伤的监视功能，切削状态的监视功能，切削异常的监视、报警和自动停机功能，自动检测和自我诊断功能及自适应控制功能等。加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接，并能进行切削自动处理，使得加工中心成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的关键设备和基本单元。

1.2 FANUC数控系统概述

1.2.1 FANUC数控系统的主要类型

FAUNC数控系统的主要类型有以下几类： （1）高可靠性的Power Mate 0系列。 （2）普及型CNC 0—D系列。 （3）全功能型的0—C系列。

（4）高性能/价格比的0i系列

（5）具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i/21i系列。 1.2.2 FANUC数控系统的特点

FANUC数控系统是控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通信。

FANUC数控系统以其高质量、低成本、高性能、较全的功能，适用于各种机床和生产机械等特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统，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0~45℃，相对湿度为75%。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。

（3）FANUC系统所配置的系统软件齐全。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。

（4）提供丰富的PMC指令。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于编制机床侧PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。

（5）具有很强的DNC功能。系统提供串行RS-232C传输接口，使PC和机床之间的数据传输能够可靠完成，从而实现高速的DNC操作。

（6）提供丰富的维修报警和诊断功能。FANUC维修手册俄日用户提供了大量的报警信息，并且以不同的类别进行分类。 1.2.3 FANUC 0系列的主要功能及特点

FANUC 0系列的主要功能及特点有以下几点： （1）采用高速的微处理器芯片。

（2）采用高可靠性的硬件设计及全自动化生产制造。 （3）丰富的系统控制功能。 （4）高精度的控制。 （5）全数字伺服控制结构。 （6）全数字的主轴控制。

1.2.4 FANUC 0i系列的主要功能及特点

FANUC 0i系列的主要功能及特点有以下几点：

（1）FANUC 0i系统与FANUC 16/18/21等系统的结构相似，均为模块化结构。主CPU板上除了主CPU及外围电路之外，还集成了PROM&SRAM模块、PMC控制模块、存储器和主轴模块、伺服模块等。其集成度较FANUC 0系统的集成度更高，因此0i控制单元的体积更小，便于安装排布。

（2）采用全字符键盘，可用B类宏程序编程，使用方便。

（3）用户程序区容量比0MD系统大一倍，有利于较大程序的加工。 （4）使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操作都很方便，特别是在用户现场扩充功能或实施技术改造时更为便利。

（5）使用存储卡存储或输入机床参数、PMC程序以及加工程序，操作简单方便。

（6）系统具有HRV（高速矢量相应）功能，伺服增益设定比0MD系统高一倍，理论上可使轮廓加工误差减少一半。

（7）机床运动轴的反向间隙，在快速移动或进给移动过程中由不同的间隙补偿参数自动补偿。

（8）0i系统可预读12个程序段，比0MD系统多。

（9）与0MD系统相比，0i系统的PMC程序基本指令执行周期短，容量大，功能指令更丰富，使用更方便。

（10）0i系统的界面、操作、参数等与18i、16i、21i基本相同。 （11）0i系统比0M、0T等产品配备了更强大的诊断功能和操作信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大方便。

（12）在软件方面0i系统比0系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进，如RS-232串行通信波特率达19200bit/s，可以通过HSSB（高速串行总线）与PC机相连，使用存储卡实现数据的输入/输出。

1.3 FANUC数控加工中心的创新与应用

加工中心是典型的集高新技术与一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造水平，因此在国内外企业界都受到高度重视。目前，加工中心已成为现代机床发展的主流方向，广泛应用于机械制造中。与普通数控机床相比，加工中心具有以下几个突出的特点。

(1) 工序集中 (2) 加工精度高

(3) 适应性强 (4) 生产效率高 (5) 经济效应好

(6) 劳动强度低、工作条件好 (7) 有利于生产管理的现代化

加工中心适合加工形状复杂、加工工序多、精度要求较高、需要用多种类型的普通机床和众多的工艺设备，且需经多次装夹和调整才能完成加工的零件。

第二章 FANUC加工中心电气原理图的设计

2.1 常用电器的选型

2.1.1 步进电机的选型

步进电机是电气元件选型的依据。机床的机械设计完成后，根据各个坐标传动系统的机械数据以及该轴的设计指标，可以选择出合适的步进电机，

合理的选择步进电机是从驱动机械设备的具体对象、加工规范，也就是说从机械设备的使用条件出发，经济、合理、安全等多方面考虑是电动机能够安全可靠的运行。步进电机选型的三大前提为：

（1） 传动方式

（2） 步进电机负载的大小 （3） 步进电机的转速

依据以上准则选定的各个电机的型号为：

主轴电机：A068-1446-B103 X轴电机：A06B-0077-B103 Y轴电机：A06B-0077-B103 Z轴电机：A06B-0077-B403 2.1.2 低压元器件选择

低压元器件是指工作在直流1200V、交流1500V及以下的电路中，以实现对电路或非电对象的控制、检测、保护、变换、调节等作用的电器。

1、 电源

根据自动装配机控制系统的功能要求和实际输入输出设备的情况。系统选用交流220V 50Hz的电源为气泵供电。并经直流变压器变为24V直流电源为控

制系统PLC、手动按钮、传感器及电磁换向阀线圈供电。

2、 按钮

按钮在低压控制电路中用于手动发出控制信号。它由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成，按用途和结构的不同，分为启动按钮、停止按钮和复位按钮等。

启动按钮带有常开触头，手指按下按钮帽，常开触头闭合；手指松开，常开触头复位。启动按钮的按钮帽采用绿色。停止按钮带有常闭触头，手指按下按钮帽，常闭触头断开；手指松开，常闭触头复位。停止按钮的按钮帽采用红色。复合按钮带有常开触头和常闭触头，手指按下按钮帽，先断开常闭触头再闭合常开触头；手指松开，常开触头和常闭触头先后复位。

3、 低压断路器

低压断路器俗称自动空气开关，由操作机构、触头、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。它相当于刀开关、熔断器、热继电器、过电流继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的电器。低压断路器的选用依据一下几点。

（1） 断路器的额定电压和额定电流应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。

（2） 断路器的极限通断能力应大于或等于电路最大短路电流。 （3） 欠电压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压。

（4） 过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。 4、低压开关

低压开关又称低压隔离器，是低压电器中结构比较简单、应用广泛的一类手动电器。主要有刀开关、组合开关以及熔断器式刀开关3种。

低压开关主要在电源切除后，将线路与电源明显的隔离，以保障检修人员的安全。熔断器式刀开关由刀开关和熔断器组合而成，故兼有两者的功能，即电源隔离和电路保护功能，可分断一定的负载电流。

2.2 电气原路图的基础知识

2.2.1 电气原理图

电气原理图是一种反映电子设备中各元器件的电气连接情况的图纸。电路图由一些抽象的符号按照一定的规律构成。通过对电路图的分析和研究，我们就可以了解生产机械及设备的电路结构和工作原理。

2.2.2 电气原路图的构成要素

一张完整的电路图由若干要素构成，这些要素主要包括图形符号、文字符号、连线以及注释性字符等。

1、图形符号

图形符号是构成电路图的主体。各种图形符号代表了组成电路的各个元器件。各个元器件图形符号之间用连线连接起来，就可以反映出控制系统的电路结构。

2、文字符号

文字符号是构成电路图的重要组成部分。为了进一步强调图形符号的性质，同时也为了分析、理解和阐述电路图的方便，在各个元器件的图形符号旁，标注有该元器件的文字符号。例如“QS”表示隔离开关，“KA”表示继电器等。

3、注释性字符

注释性字符也是构成电路图的重要组成部分，用来说明元器件的数值大小或者具体型号。

2.2.3 电气原路图的画法规则

除了规定统一的图形符号和文字符号之外，电路图还要遵循一定的画法规则。

1、电路图的信号处理流程方向

电路图中信号处理流程的方向一般为从左到右或从上到下，即将先后对信号进行处理的各个单元电路，按照从左到右或从上到下的方向排列，这是最常见的排列形式。

2、连接导线

元器件之间的连接导线在电路图中用实线表示。导线的连接与交叉，如横竖两导线交点处画有一圆点，表示两导线连接在一起；两导线交点处无圆点，表示两导线交叉而不连接；导线的丁字形连接。

3、电源线与地线

电路图中通常将电源引线安排在元器件上方，将地线安排在元器件下方。

2.3 电气原理图的设计原则和设计步骤

为了清晰表达机床电气控制系统的工作原理，便于使用、安装、调试和检修控制系统，通常根据机械运动形式对电气控制系统的要求，将电气控制系统中各电气元件及其连接关系，按照电气设备和电器的工作顺序，用国家统一规

定的电气图形符号和文字符号表达出来，这样绘制出来的图就是电气原理图。 2.3.1 电气原理图中的图形符号、文字符号和接线端子标记

机床电气原理图中，电气元件的图形符号、文字符号必须采用IEC的通用标准或国家最新标准，即GB/T4728—1996~2000“电气简图用图形符号”和GB/T6988.1~4—2002 “电气技术文件的编制”、 GB/T6988.6—1993 “控制系统功能图标的绘制”、 GB/T7159—1987“电气技术中的文字符号制定通则”，并按照GB/T6988—1977“电气制图”要求绘制出电气原理图。 2.3.2 电气原理图

电气原理图是用来表示电路各个电气元件导电部件的连接关系和工作原理的图。此图应根据简单、清晰的原则，采用电气元件展开的形式绘制而成。它不按电气元件的实际位置来画，也不反映电气元件的大小、形状和安装位置，只用电气元件导电部件及其接线端钮来表示电气元件，用导线将电气元件导电部件连接起来，以反映其连接关系。

现以图2-1FANUC加工中心原理图来阐明绘制电气原理的原则和注意事项。

图2-1 FANUC加工中心电气原理图

（一） 绘制电气原理图的原则

（1） 图中所有的元器件都应采用国家统一规定的图形符号和文字符号 （2） 电气原理图的组成

电气原理图由主电路和辅助电路组成。主电路是从电源到电动机的电路，其中有刀开关、熔断器、接触器主触点与电动机等。主电路用粗线绘制在图面的左侧或上方。辅助电路包括控制电路、信号电路及保护电路等。它们由继电器、接触器的电磁线圈、继电器、接触器、接触器辅助触点、隔离开关、其他控制元件触头、控制变压器及控制开关等组成，用细实线绘制在图面的右侧或下方。

（3） 电源线的画法

原理图中直流电源用水平线画出，一般直流电源的正极画在图面上方，负极画在图面的下方。三相交流电源线集中水平画在图面上方，相序自上而下依L1、L2、L3排列，中性线（N线）和保护接地线（PE线）排在相线之下。主电路垂直于电源线画出，控制电路与信号电路垂直在两条水平电源线之间。耗电元件直接与下方水平电源线相接，控制触头接在上方电源水平线与耗电与元件之间。

（4） 原理图中电气元件的画法

原理图中的各电气元件均不画实际的外形图，原理图中只画出其带电部件，同一电气元件上的不同带电部件是按电路中的联接关系画出，但必须按国家标准规定的图形符号画出，并且用同一文字符号标明。对于几个同类电器，在表示名称的文字符号后加上数字序号，以示区别。

（5） 电气原理图中电气触头的画法

原理图中各元器件触头状态均按没有外力作用时或未通电时触头的自然状态画出。

（6） 原理图的布局

原理图按功能布置，即同一功能的电气元件集中在一起，尽可能按动作顺序从上而下或从左到右的原则绘制。

（7） 线路连接点、交叉点的绘制

在电路图中，对于需要测试和拆接的外部引线的端子，采用“空心圆”表

示；有直接电联系的导线连接点，用“实心圆”表示；无直接电联系的导线交叉点不画黑圆点，但在电气图中尽量避免线条的交叉。

（8） 原理图的画质要层次分明，各电器元件及触头的安排要合理，即要做到所用元器件最少，耗能最少，又要保证电路运行可靠，节省连接导线以及安装、维修方便。

（二） 关于电气原理图图面区域的划分

为了便于确定电路图的内容和组成部分在图中的位置，可在各种幅面的图样上分区。每个分区内竖边方向用大写的拉丁字母编号，横边方向用阿拉伯数字编号。编号的顺序应从与标题栏相对应的图幅的左上角开始，分区代号用该区的拉丁字母和阿拉伯数字表示。有时为了分析方便，也把数字区放在图的下面。为了方便读图，利于理解电路工作原理，常在图面区域对应的上方标明该区域的元件或电路的功能，如图2-1所示。

（三） 继电器、接触器触头位置的索引

电气原理图中，在继电器、接触器线圈的下方注有该继电器、接触器触头所在图中位置的索引代号，索引代号用图面区域号表示。其中左栏为常开触头所在图区号，右栏为常闭触头所在图区号。如图2-1所示。

（四） 电气图中技术数据的标注

电气原理图中的电气元件的相关数据，常在电气原理图中电器元件文字符号下方标注出来。如图隔离开关文字符号QS下方标有0.4A，该数据为该隔离开关的动作直流值范围。

2.4 电气原理图电路示例

根据所选电机、电气元件和导线等，再结合机床本身的系统绘制出电气原理图，现以部分电气原理图为例，如下图2-2（1）主板原理图、2-2（2）强电原理图、2-2（3）I/O输入原理图所示。

图2-2（1）主板图

分析：此主板是由驱动接口、I/O接口、RS232通讯设备和MDI组成的。

图2-2（2）强电图

分析：此图讲述的是冷却系统和自动润滑系统，由空气开关控制，熔断器作短路和过电流保护作用，在三相电源下，正常的工作。

图2-2（3）I/O输入接口图

分析：此图是I/O输入接口，分别控制了刀库进、退；刀杆松、紧；回参考点；对X、Y和Z三轴方向的限位；刀位计数和刀库定位。

详细FANUC加工中心电气原理图见附录1。

第三章 FANUC PMC程序的设计

3.1 概述

数控机床用FANUC PMC有PMC-A、PMC-B、PMC-C、PMC-D、PMC-G和PMC-L等多种型号，它们分别适用于不同的FANUC数控系统，组成内装式的PLC。PMC编程使用惯用的继电器符号和简单的逻辑指令＼功能指令来编制梯形图，其读/写存储器RAM主要用于存放随机变化的数据、表格等，接有锂电池能实现断电自保，输出负载能力一般小于5VA，最大可达25VA。FANUC PMC的输入信号是来自机床侧的直流信号，规格为30V，16mA。直流输出信号有两类：一类是晶体管集电极开路输出的无触点信号，可驱动机床侧的继电器线圈，最大负载电流为200mA，额定电流为40 mA，工作电压小于30V，这类输出带继电器线圈时，应在线圈反向并联续流二极管；另一类为干簧继电器的有触电输出，触点容量为额定电流小于500 mA，电压小于50V。这两类负载带白炽指示灯负载时，应接入限流电阻。

在FANUC系列的PMC中，有基本指令和功能指令两种指令，型号不同时，只是功能指令的数目有所不同，除此以外，指令系统是完全一样的。

在基本指令和功能指令执行中，用一个堆栈寄存器暂存逻辑操作的中间结果，堆栈寄存器有9位，如图3-1所示，按先进后出、后进先出的原理工作。“写”操作结果压入时，堆栈各原状态全部左移一位；相反地，“取”操作结果时，堆栈全部右移一位，最后压入的信号首先恢复读出。

图3-1 堆栈寄存器操作顺序

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