济南大学毕业设计目 录目 录11 前言21.1 设计的目的和意义21.2 国内外研究现状21.3 设计的内容32 总体方案设计42.1功能与性能要求分析42.1.1数控清角机机械结构的认识42.1.2数控清角机主要功能与技术要求62.2设计方案比较、分析与确定72.2.1 硬件设计方案72.2.2 软件设计方案83 控制系统硬件设计13.1控制系统功能与要求分析13.2控制系统的组成13.3控制系统组成部分设计13.3.1 设计理由13.3.2 设计结果33.4总体硬件电路44控制系统软件设计64.1软件实现的功能64.2关键功能模块设计及源代码74.2.1 示教功能模块设计74.2.2 NC代码处理模块与软件总体运行115 结 论14参 考 文 献151 前言1.1 设计的目的和意义塑钢门窗因坚固耐用、保暖性良好、价格低廉等优势而赢得市场。它正以迅猛的速度发展, 并将逐渐取代金属门窗。随着加工水平的提高, 塑钢门窗正进入高档建材市场, 这对塑窗的加工提出了更高更精确的要求1。塑钢门窗使用塑钢材料作为门窗边框, 经过四角焊接后成为门窗的主框架, 在成为成品前需经过焊缝清理这最后一道工序。门窗的焊缝总在相邻的两条边框的45度角平分线所在的垂直平面内,所以清理工作主要包括对外角和上、下表面焊缝的清理。针对不同的型材, 清理加工的运动形式会有不同, 但加工面都集中在一个平面内1。在塑钢门窗的焊缝清理方面，国外主要采用数控形式。数控清角机是利用数控技术控制刀具运动进行塑窗焊缝清理的数控机床。数控清角机的一般工作过程为：零件加工代码经由磁盘等信息载体、由计算机通讯或由操作工人输给控制装置，由数控装置进行编译，再经过数据处理，将伺服控制点数值及控制信号输给伺服系统，由伺服系统完成刀具的定位，定位后，刀具或旋转或直线圆弧运动，完成插补运算，完成一个工作周期2。目前我国已有一些厂家开始生产这方面的数控加工设备, 然而它们所生产的清缝清角机一般采用专用的数控系统，其可开发性较差，改进数控系统的成本高，有些加工要求还不能很好实现。所以，设计一款新型的，经济实用型的能完成各种加工要求的开放式的数控塑窗清角机成为必要课题。1.2 国内外研究现状塑钢门窗的加工应用在国外已经有几十年的历史, 自从上世纪八十年代初塑钢门窗在我国逐步推广使用以后, 最早的塑窗加工设备全部从国外进口, 国外的一些塑窗加工设备厂家如URBAN(欧鹏) 、WEGOMA(威格玛) 、HAFFNER(哈福纳)等厂家的设备陆续进入我国。这些早期的国外引进设备，由于控制技术水平有限, 大部分产品都是采用中间继电器、时间继电器、接触器、熔断器、热继电器、热电偶等电器件的搭配组合来实现设备的电气控制，国外引进设备中普遍采用了单片机控制技术来实现设备的特殊要求3。随着半导体技术,尤其是微处理器及微型计算机的发展, 以微处理器作为中央处理器的可编程逻辑控制器PLC在工业界已普遍应用。PLC在塑窗行业的应用也大大简化了塑窗清角机的电路设计, 提高了其电气系统的稳定性3。总之，国内外的塑窗设备行业经过十几年的发展至今已研制出了包括锯切、铣削、焊接、清角四大类上百个品种的产品。在这十几年中,随着计算机科学的发展和工业自动化提出的愈来愈高的要求，可编程控制技术也得到了飞速的发展，工业自动化领域发生了翻天覆地的变化。国内的塑窗设备生产厂家紧跟时代潮流，对工业自动化领域的变化作出了敏感的反应，PLC、PCC、IPC、NC、CNC等各种各样的新技术、新器件在各个产品上不断得到应用3,4。虽然国内的数控清角机得到了很大的发展，但是和发达国家相比还比较落后，很多关键技术如数控系统、大功率伺服电机等还依赖于进口。1.3 设计的内容本课题研究的最终目标是：根据塑窗清角机工作的需要，完成其数控系统的开发，包括数控系统的硬件电路的设计、控制软件的开发等。数控系统完成后，通过现场的调试和实验，能达到正确控制机床动作的目的，并且可以满足清角机加工速度及精度的要求。本设计的创新部分是：全触屏的操作界面设计和示教界面的图形显示功能。本设计的主要设计步骤为：第一部分了解塑窗行业和数控清角机的现状和发展状况，研究本设计的课题来源和研究内容；第二部分进行总体方案的设计，首先分析数控清角机实际工作需要，提出大体的设计方案，经比较分析，最后得到总体方案；第三部分分析性能要求和精度要求，然后对其硬件设计的电机选择、驱动电路等电气模块和运动控制器的选择模块给出相应方案；第四部分从各个子功能模块入手，依据不同功能相设计界面和编写程序；第五部分是对整个设计过程进行评估。2 总体方案设计2.1功能与性能要求分析2.1.1数控清角机机械结构的认识（1）塑窗清角机机械本体组成：主要由底座、活动平台、清角刀具、塑窗定位架构成。活动平台及塑窗定位架固定在底座上，塑窗定位架固定在底座的右侧，活动平台固定在底座的左侧5。 工件定位夹紧装置该装置主要由工作台平板、回转定位板、定位柱、定位气缸、定位撞块、压紧气缸及压紧机构等组成。工作台平板设计成左右分体式，由螺钉和定位销将其固定到机架上。工作台前端设两块回转定位板，用于工件的外角定位。后设两个定位柱，定位柱的安装轴颈与定位外圆设置了偏心，可以微调定位位置。在两块工作台平板的中间，设置了两块导板，导板中部设导向槽，装于定位块两侧的4只球轴承即被套在导向槽内，使定位撞块被夹持在两导板之间，并能沿槽作滑动，定位工作是由定位气缸带动曲柄滑块机构，使定位撞块在导向槽的约束下作起伏移动来完成的：定位气缸借助肘关节轴承与曲柄和连杆的铰支点相连，定位气缸活塞杆伸出时，即压迫曲柄和连杆向上回转，迫使定位撞块升出工作台并向前行进，定位撞块前端圆弧部分与工件内角接触，导引工件前行，最后压向回转定位板和定位柱，从而被正确定位。待工件被夹紧后，定位气缸活塞杆回缩，即带动曲柄连杆向下回转，迫使定位块后退并降回工作面之下。工件的压紧装置由压头、压紧气缸、柱、气缸夹板等部分组成，左右两压头分别与两活塞杆连接，松开气缸夹紧板螺钉即可使气缸夹紧板上下左右移动，用以调整压紧的位置和高度。定位机构将工件正确定位后，一对微动开关发出电信号，使压紧气缸充气，活塞杆伸出,将工件压紧在工作台板上,全部清角工作完成之后,电控系统又发信号,使压紧气缸排气,将工件松开。工作台板外侧各设两块UPVC滑板，是为清理小尺寸窗框时避让焊缝渣所设。在清理上述窗框时可适当移动滑板，让开焊缝，以避免焊缝焊渣将工件顶起而产生歪斜。 拖板部分：本机共设X轴和Z轴两个座标轴，沿此二轴的主运动，皆由数控系统控制拖动。Z向主运动控制清外角铣刀的升降，X向主运动控制锯片的前后进给。以及上、下平缝的拉削加工及外角平缝清理铣刀的X向移动及准确定位。拖板部分即为实现X向运动所设。拖板部分主要由拖板，直线轴承及其座，导轴及导轴座，滚动丝杠副、滚动螺母座、电机座及伺服电机等组成。拖板为板状铸铁件。本机床所有工作机构都直接或间接安装在拖板上。它们是：上下平缝拉刀借助门架安装在拖板的后部；外角平缝锯片组件安装在拖板后端部。拖板的导向采用25带底座圆导轴2根及4只开口直线轴承，轴承座安装在拖板下面四角的支承面上。拖板的拖动采用双螺母滚珠丝杠副，垫片调整消除轴向间隙（出厂时已调好，不需再调整），螺母座安装在拖板下前中部。滚珠丝杠的支承采用两只向心推力球轴承面对面安装预紧消隙结构，轴承座及导轴座皆安装在机架上。控制电机由电机架支承，通过联轴节与丝杠连接。工作中，拖板的前移、后移及依据坐标值的定位静止皆由数控系统控制步进电机的左转、右转、锁定实现。 铣头部分铣头部分主要由旋转气缸及其导向机构、Z轴步进系统构成。清理外角用铣刀采用200圆锯片。它安装在主轴的下端，由夹紧垫及螺母固定。主轴用两只向心推力球轴承支撑，它们面对面安装在滑座轴承孔中，经调整轴承盖、垫片厚度，对轴承预加载荷，消除其径向、轴向间隙。滑座的4只脚，分别装有4只整体式直线球轴承，它们分别套在两根被支座架空的圆导轴上，共同组成升降（Y）导向机构。（2）塑窗清角机的刀具组成：有上下铣刀、上下拉刀和锯片1。其中上、下铣刀分别安装在同一个气缸上，气缸工作带动铣刀在垂直平面内直线移动，结合它们各自的旋转气缸带动它们在水平面上的旋转运动，可实现对塑窗外角焊缝的清铣。上下拉刀安装在X轴上，工作时靠同一个气缸驱动来Z向靠近工件，之后X轴伺服电机运动带动拉刀完成对工件上下表面焊缝的清铣工作。锯片安装在主轴上，锯片在主轴的三相异步电动机带动下旋转，然后在X轴和Z轴伺服电机驱动下锯削型材。它可完成直线、圆弧和空间任意曲线的运动，以适应对不同型材的加工要求。（3）塑窗清角机的工作原理：塑窗清角机完整的工作流程为：工件定位压紧-上下铣刀铣削圆角-锯片清外角-上下拉刀清上下平缝-取换工件 工件定位压紧将工件放到工作台板上，靠向定位板，定位柱，触发微动开关发出信号。据此信号，定位气缸活塞杆伸出，定位撞块升起并前移，将工件前推，靠牢定位板，稍后，压紧气缸将压头压向工件，将工件压紧。随后定位撞块退回。 上下铣刀铣削圆角接上工步经短暂延时后，拖板快速移至上下铣刀工作位置锁定，气钻启动，铣刀旋转，同时进给气缸做进给，完成清理部分圆角平缝工作，至进给终点，进给行程为调整螺杆限定，工作完毕经延时后，气缸回撤至初始位置，气钻停转，拖板快速返回前始位。 锯片清外角拖板返回前始X0位被确认后，拖板即快速后移，至清外角开始工作位置（由输入标值确定），此时主电机已启动，根据型材外角尺寸输入的相关程序，X、Z轴分别做进给运动，斜面部分，两轴以一定速比联动，锯片旋转做轨迹切削，完成预定的清理工作。工作毕，拖板快速返回前始点。 上下拉刀清上、下平缝锯片回至上始位被确定后，拖板快速后移，随后两夹钳气缸活塞杆同时缩回，将上拉刀压下，下拉刀抬起，使上、下拉刀进入工作位置，经延时后拖板前移对焊缝拉削。之后，拖板回至前端位。 取换工件拖板返回前端位被确认后，即发信号使压紧气缸回程，将工件放松，即可取换工件，进行下一工作循环。2.1.2数控清角机主要功能与技术要求（1）主要功能：用于塑钢门窗焊接后的焊缝清理。门窗的焊缝在相邻的两条边框的45度角平分线所在的垂直平面内, 清理工作包括对外角、上下表面和内角焊缝的清理。该机床是一台集气动、机械、数控技术为一体的具有多功能的通用清角设备，是塑钢门窗大批量，多品种生产的主要设备。（2）技术要求：人机交互采用全触摸屏模式；系统应具有如下功能： 参数界面：加密功能（只有员工正确输入密码后，才能修改参数），保存 功能，返回主界面功能。手动速度、加速度，减速度，工作原点的设定（铣刀延时时间，拉刀下降时间， x轴螺距，z轴螺距，回参速度的设定）。 示教界面：建立数据库，可以通过输入型材系列、型材厂家、程序代号，步数，刀具号，x轴移动，z轴移动，保存示教后的程序，然后进入编辑界面进行编辑。 编辑界面：通过主界面或示教界面进入本界面，可以删除，复制，修改程序，可以插入行，删除行，上翻页，下翻页。 自动界面：显示当前程序的材型名称、程序代号、报警号、当前程序的工作进程、加载新程序、删除程序、报警复位、返回主界面、运行轨迹模拟。 报警后显示报警界面，显示报警号和报警原因。 手动界面：主要是调试维修用，通过手动完成x轴，z轴移动，定位，压紧，上铣刀，下铣刀，拉刀，锯片，回参动作，还要有复位。 附加功能：工作日志（工人编号、工作时间、结束时间、工人