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文 献 综 述
1.课题背景及意义
数控转台是采用数字控制技术对机床各移动部件相对运动进行控制点 机床，它是典型的机电一体化产品，是现代制造业的关键设备。随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控转台的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将普通实现自动编程。而PLC是一类以微处理器为基础的通用型自动控制装置。它一般以顺序控制为主，回路调节为辅，能够完成逻辑、顺序、计时、计数和算术运算等功能，既能控制开关量，也能控制模拟量。由于它能克服传统继电器体积庞大，攻好高，可靠性差等困难，PLC已成为人们选择数控转台所用顺序控制装置的主要选择。因此本文用PLC设计数控转台控制系统。
数控转台是加工中心、数控铣床、数控铣镗床等数控机床的重要功能部件之一。随着数控转台各项关键技术的研究和创新，国产数控转台发展速度较快，但在一些关键技术和指标上还存在差距，主要包括：转台的精度保持性、动态性能稳定性、整机可靠性。为全面提升数控转台性能及产业化质量，需要开展包括精度保持性与可靠性关键技术、转台数字化设计及结构优化等关键技术的研究工作，开发立卧式转台及水平数控转台的综合性能测试平台，实现对转台完整精度测量和综合性能测试；开发的便携式测试系统对产业化的转台进行精度保持性及系统可靠性数据采样，补充和完善产品全寿命周期数据库。对产业化所起的作用：① 可靠性实验，确保产品使用的稳定性；② 精度保持性实验，确保产品精度的稳定性；③ 整机的全性能检测，作为产品合格的验收平台；④ 关键性能参数的评估，为不同类型的主机提供优化参数。
美国帕森斯公司和麻省理工学院（MIT）合作，于1952年研制成功第一台三坐标立式数控铣床。生产企业广泛采用自动机床、组合机床和以专用机床为主的自动生产线，形成了大批量生产方式。目前，单件与小批量生产的零件占机械加工总量的80％左右，为有效地解决复杂、精密、小批多变的零件加工问题，满足高质量、高效益和多品种、小批量的柔性生产方式的要求，数控机床应运而生。数控机床在机械制造业中得到日益广泛的应用（美国的数控机床已占机床总数的80%以上），数控技术高精度、高生产率、适应性好的特点得到充分发挥。数控机床是电子信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。数控加工中心是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程序指令自动选择刀具，并利用机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装卸时间和换刀时间。数控技术不仅应用于机床的控制，还用于控制其他的设备，诸如数控线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等，仅数控机床就有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及数控加工中心等。
2.国内外研究现状及分析
2.1.国外研究现状及分析
数控转台涌现至今的50年,随科技、特别是微电子、盘算机技巧的前进而不断发展。美、德、日三国事当今世上在数控机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。因其社会前提不同,各有特点。美国的特点是,政府器重机床工业,美国国防部等部门不断提出机床的发展方向、科研任务和供给充分的经费,且网罗世界人才,特别讲究”效率”和”创新”,重视基础科研。因而在机床技巧上不断创新,如1952年研制降生界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成fms、1987年开创开放式数控系统等。由於美国起首联合汽车、轴承生产需求,充分发展了大批大批生产主动化所需的主动线,而且电子、盘算机技巧在世界上领先,因此其数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。当今美国不仅生产宇航等应用的高性能数控机床,也为中小企业生产便宜实用的数控转台(如haas、fadal公司等)。其存在的教训是,着重於基础科研,疏忽利用技巧,且在上世纪80代政府一度放松了领导,致使数控机床产量增长缓慢,於1982年被落后的日本超过,并大批进口。从90年代起,纠正过去倾向,数控机床技巧上转向实用,产量又逐渐上升。
德国政府一贯器重机床工业的重要战略地位,在多方面大力扶植。特别讲究”实际”与”实效”,保持”以人为本”,师徒相传,不断前进人员素质。在发展大批大批生产主动化的基础上,於1956年研制出第一台数控机床后,一直保持实事求是,讲究科学精力,不断稳步前进。德国特别重视科学实验,理论与实际相联合,基础科研与利用技巧科研并重。企业与大学科研部门紧密合作,对用户产品、加工工艺、机床布局结构、数控机床的共性和特征问题进行深入的研究,在质量上千锤百炼。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功效部件,在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统和heidenhain公司之精密光栅,均为世界驰名,竞相采用。
2.2.国内研究现状及分析
数控转台的重要组成部分有数控系统、刀库和机械手、数控刀架和转台、主轴单元(含电主轴)、滚珠丝杠副和滚动导轨副、防护罩和数控刀具等功能部件，
这些功能部件的性能已成为整机性能的决定因素。数控系统由显示器、伺服控制器、伺服电机和各种开关、传感器构成。当然，普通机床发展到数控机床不只是加装系统这么简单，例如:从铣床发展到加工中心，机床结构发生变化，最主要的是加了刀库，还大幅度提高了精度。加工中心最主要的功能是铣、镗、钻的功能。目前世界最大的三家厂商是：日本Fanuc、德国西门子、日本三菱，其产品量大面广，但技术并不一定是最高的，其余还有法国Num、西班牙凡高等。
数控转台是利用二进制数学方式输入，加工过程可任意编程，主轴及进给速度可按加工工艺需要变化，且能实现多坐标联动，易加工复杂曲面。对于加工对象具有”易变、多变、善变”的特点，换批调整方便，可实现复杂件多品种中小批柔性生产，适应社会对产品多样化的需求。但价格较昂贵，需要正确分析其使用的经济合理性;数控机床利用硬件和软件相结合，能实现信息反馈、补偿、自动加减速等功能，可进一步提高机床的加工精度、效率、自动化程度;数控机床是以电子控制为主的机电一体化机床，充分发挥了微电子、计算机技术特有的优点，易于实现信息化、智能化、网络化，可较易地组成各种先进制造系统，如FMS、FTL、FA，甚至将来的CIMS，能最大限度地提高企业的劳动生产率。
数控转台是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。如不齐备，则数控机床难以顺利发展。数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保证数控机床加工的精度、效率和自动化，否则，难以在实际生产中使用。
我国数控转台行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程 度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，且外方在许多高新产品的核心技术上具有掌控地位，我们对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精度、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能实用数控机床基本上还得依赖进口。
与国外产品相比，我国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。对高速加工技术，国外已进行了多年的研究，对高速加工的机理、机床结构、机床刚度和精度的影响等都有了系统的研究，并开发生产了各种高速铣削中心、高速加工中心， 广泛应用于航空器铝合金零件和模具加工上。
据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，仅占国产机床总量和总价值的1．5%-2．5%,不到德国或日本的1/20。国外卧式加工中心都装有机床精度及温度补偿系统，加工精度比较稳定，而国内尚在研发中;国外加工中心定位精度基本上按德国标准VDI3441验收，行程1000mm以下，定位精度可控制在0．006#8212;0．0lmm以内，而国内定位精度相对较低。
2004年，我国金属加工机床消费额达到了95亿美元，占世界总量的1/5。其中，进口份额占63％，数控机床进口额34亿美元，占全部进口金属切削机床的78．6%。为了满足制造业的需求，国家每年花费10多亿美元引进数控机床。数控机床的核心技术即数控系统，我国90%要从国外进口。不仅价格高，进口周期长也不能满足主机厂的要求。而且，使用进口的装置组装起来的机床，可靠性和质量也会受到影响。2004年内地约消耗了1万台，但是大陆所有企业加起来共失产2000台左右，而只有八九个生产加工中心工厂的台湾省竟向内地销售了3300台。
3.课题的主要研究内容
转台试验台控制系统主要实现转台的加载控制，包括液压，电气，PLC等，以直径2500mm的转台为研究对象,查资料获取关于转台工作过程中的需要参数，从而提出转台控制需要的参数类型、数量和参数范围。
1. 基于PLC的数控转台电控系统
1．1 系统组成
基于PLC的数控转台电控系统由齿盘抬起、齿盘刹紧、齿条复位、齿条到位、转台刹紧和转台泄压等六个电磁阀组成， 液压站由一个液压马达驱动，通过液压油缸实现转台的松开、刹紧，工作台的转位，使转台在PLC控制系统下，完成平面内的给定角度回转，进而完成主机对零件的加工。总体组成方案如图1所示；试验台测控系统总体结构如图2所示。
图1 基于PLC的数控转台试验台总体组成方案
图2 试验台测控系统总体结构
1．2 工作原理
基于PLC的数控转台电控系统工作原理如图3所示。PLC上电运行后，信号电平为 24V，PLC程序对各个输入信号进行分析处理，并按照已编制的程序输出控制信号， 以达到控制齿盘抬起、齿盘刹紧、齿条复位、齿条到位、转台刹紧、转台泄压和到位锁紧的目的。
图3 基于：PLC的数控转台电控系统工作原理图
2. 系统硬件设计
该系统硬件由输入、输出电路以及PLC组成，如图5所示。其中输入电路中的各个开关为继电器开关信号控制，并将这些控制信号输入NPLC中，输入电路中还包括4个传感器输入信号，4个传感器均采用PNP常开型，型号为QA#8212;F#8212;PK1Y，PLC主要是对输入信号进行处理，并输出控制信号，达到控制系统的目的。输出电路中KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6分别为控制幽盘抬起，齿盘刹紧，齿条复位， 齿条到位，转台刹紧，转台泄压的线圈。PLC通过I／O点的输出剐怂些接触器进行控制， 从而达到控制各个油腔的通油与泄压，可以按照要求实现各个转台动作。
3. 系统软件设计
由于PLC采用的是三菱公司FX3U系列产品因此，编程的软件采用三菱公司专用GX Developer。模拟软件采用与之配套使用的GX#183;Simulator一7．16一E进行离线模拟。同时GX Developer还具有现场监控调试PLC状态的功能，给现场调试程序提供了方便。在顺序功能图中齿条复位是整个程序的重要组成部分和核心关键，顺序功能图。顺序功能图中， 开机之后转台紧刹腔泄压，此时齿条复位传感器进行信号判别，如果是低电平，表示齿条不在原位，齿条复位油腔通油，进行齿条复位。如果高电平， 表示齿条在原位，齿盘抬起腔通油， 进行齿盘抬起，之后进行检测齿盘是否抬起到位。到位后延迟0．5s，转台转位腔通 油进行转台转位， 随后进行检测齿条是否到位，待齿条到位之后，延迟0．5s，齿盘紧刹油腔通油(齿盘落下)，在齿盘紧刹传感器信号为高电平之后，延迟0．5s，齿盘紧刹油腔通油，进行齿盘锁紧。值得注意的是， 在转位之后，齿盘紧刹油腔和转台刹紧腔必须继续通油将转台锁死。
图4 基丁PLC的数控转台电控系统硬件组成图
4.总结
基于PLC的数控转台电控系统，可以按照要求的顺序功能图完成齿盘抬起， 齿盘刹紧，齿条复位，齿条到位，转台刹紧，转台泄压， 完成运动的同时保证定位精度，数控转台是镗铣加工中心的核心部件， 对于零件的加工质量存在十分重大的影响。经过实际的调试，该系统稳定、可靠。可以投入实际生产过程中。
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