1、第二章 数控机床电气控制系统的安装 第一节 数控装置一、数控装置的结构与原理1数控装置的硬件结构及工作原理（1）单微处理机结构图2-1-1 单微处理机CNC系统结构框图单微处理器结构的特点1）CNC系统中只有一个微处理器，对各种实现集中控制分时处理；2）微处理器通过总线与存储器、输入输出控制等接口电路相连，构成CNC系统；3）结构简单，容易实现。（2）多微处理机结构 多微处理机结构是由两个或两个以上的微处理机来构成处理部件。各处理部件之间通过一组公用地址和数据总线进行连接，每个微处理机共享系统公用存储器或I/O接口，每个微处理机分担系统的一部分工作，从而将在单微处理机的CNC装置中顺序完成的工
2、作转为多微处理机的并行、同时完成的工作，因而大大提高了整个系统的处理速度。多微处理器结构的CNC装置大都采用模块化结构，根据设备要求选用功能模块构成CNC装置，常见的有六种基本功能模块，如果希望扩充功能，则可以再增加相应的模块，见表2-1-1所示为多微处理器结构CNC装置的基本功能模块。如果某个模块出了故障，其他模块仍能工作，可靠性高。由于硬件一般是通用的，容易配置，因此只要开发新的软件就可以构成不同的CNC装置，这样便于组织规模生产，能够形成批量生产并保证质量。 1）多微处理机CNC装置的结构类型共享存储器结构。多微处理机结构的框图如图2-1-2所示。其中包括4个微处理机，分别承担I/O、插
3、补、伺服功能、零件程序编辑和CRT显示功能，适于2坐标轴的车床，3、4、5坐标轴的加工中心。图2-1-2 多微处理机共享存储器的结构I/O（CPU1）共享存储器CRT（CPU2）轴控制（CPU4）插 补（CPU3）DA从机床来的控制信号输出至机床的控制信号伺服驱动数据、控制、寻址共享总线结构。以系统总线为中心的多微处理机结构，称多微处理机共享总线结构。 图2-1-3 多微处理机共享总线结构框图通信功能零件程序存储器自动编程功能操作面板接口CRT/MDICNC功能PLC功能主轴控制功能数字伺服功能伺服放大器及电动机主轴放大器及电动机I/O单元总 线2）多微处理机的结构特点性能价格比高，多微机结构
4、中的每个微机完成系统中指定的一部分功能，独立执行程序。它比单微机提高了计算的处理速度，适于多轴控制、高进给速度、高精度、高效率的控制要求。由于系统采用共享资源，而单个微处理机的价格又比较便宜，使CNC装置的性能价格比大为提高。采用模块化结构，具有良好的适应性和扩展性。多微机的CNC装置大都采用模块化结构，可将微处理机、存储器、I/O控制组成独立级的硬件模块，相应的软件也采用模块结构，固化在硬件模块中。硬、软件模块形成特定的功能模块，模块间接口是固定的，并由明确的定义，彼此可以进行信息交换。这样可以使CNC装置设计简单、适应性强和扩展性好、调整维修方便、结构紧凑、效率高。硬件通用性强，由于硬件是
5、通用的，容易配置，只要开发新的软件就可构成不同的CNC装置，因此多微处理机结构便于组织规模生产，且保证质量。可靠性高，多微处理机CNC装置的每个微机分管各自的任务，形成若干模块。如果某个模块出了故障，其它模块仍能照常工作；而单微处理机的CNC装置，一旦出故障就造成整个系统瘫痪。另外，多微处理机的CNC装置可进行资源共享，省去了一些重复机构，不但降低了成本，也提高了系统的可靠性。2数控装置的软件结构及工作过程（1）数控装置的软件组成数控装置的软件主要分为管理软件和控制软件。管理软件包括零件数控加工程序或其他辅助软件，存放在RAM存储器中。控制软件是为实现CNC系统各项功能所编制的专用软件，存放在
6、EPROM存储器中，一般包括系统管理程序、输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序和诊断程序等。数控装置软件的组成如图2-1-4所示。（2）数控装置的软件结构CNC装置是在同一时间或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作，因此需要对装置软件的各功能模块实现多任务并行处理。1）前、后台型结构模式 将整个CNC软件分为前台程序和后台程序。前台程序为实时中断程序，承担几乎全部实时任务，实现插补、位置控制和数控机床开关逻辑控制等实时功能。后台程序，也称为背景程序，是一个循环运行程序，实现数控加工程序的输入、预处理和管理等任务。前台程序前台程序故障处理位置控制插补运算后台程序后台程序译 码刀
7、补处理速度预处理输入/输出显示中断执行循环执行2）中断型结构模式 中断型软件结构的特点是除了初始化程序之外，整个系统软件的各种功能模块分别安排在不同级别的中断服务程序中，整个软件就是一个庞大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通讯来解决，如图2-1-6所示。 初始化中断管理系统（硬件+ 软件）0级中断服务程序一级中断服务程序二级中断服务程序七级中断服务程序（2）数控装置软件的工作过程CNC装置软件是一系列能够完成各种功能的程序的集合，它在硬件环境支持下，按照系统监控软件的控制逻辑，对系统初始化、程序的输入、译码处理、刀具补偿、速度处理、插补运算、位置控制、IO接口处理、显
8、示和诊断处理等方面进行控制。1）开机初始化 数控系统接通电源以后，首先运行初始化程序，对整个数控装置正常工作做准备。开机初始化程序主要完成以下任务。 对RAM 作为工作寄存器的单元设置初始状态，一般的单元就是清零；对一些特殊的单元。 对ROM 进行奇偶校验。如果检查发现奇偶有错，则初始化就停止进行，程序直接转入ROM出错处理，报警信号显示主板出错。 为数控系统正常进行而设置一些所需的初始状态。2）程序的输入 CNC装置开始工作时，首先通过输入设备把零件加工程序、控制参数和补偿数据输入到数控装置，然后将数控代码由外码（ISO、EIA码）转换为数控内码，然后送入存储器存储中或直接去译码。3）译码处
9、理 译码就是把零件程序段的各种工件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度F和其他辅助信息(M、S、T)按一定规律翻译成计算机系统能识别的数据形式，并按系统规定的格式存放在译码结果缓冲器中。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误立即报警。4）刀具补偿 根据刀具参数，确定刀具长度补偿和刀具半径补偿量。通常情况下，CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，但是CNC装置实际控制的是刀具中心轨迹，而不是刀尖轨迹。刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹，以保证零件加工的精度。5)进给速度处理 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度，根据合成速度计算各运动坐
10、标的分速度，同时按机床允许的最低速度、最高速度、最大加速度和最佳升降速规划，进行速度处理。6)插补运算 插补是指数控机床能够实现的线性加工能力，就是在工件轮廓的某起始点和终止点之间进行“数据密化”，并求取中间点的过程。插补精度直接影响工件的加工精度，而插补速度决定了工件的表面粗糙度和加工速度，所以，差补功能越强，说明数控系统能够加工更多更复杂的轮廓。大多数数控系统都具有直线和圆弧的插补功能，而一些高档数控系统能够插补椭圆、抛物线、螺旋线等复杂曲线。7)位置控制 数控系统中伺服系统就是把数控装置给的位移指令转换成机床移动部件的位移，然后再经过位置检测元件把实际位移量反馈给数控装置，数控装置再通过
11、软件对位置进行调整，再一次向伺服系统输出实际需要的进给量。同时，还要完成位置回路的增益调整、各坐标的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。8）显示 CNC装置的显示主要是为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。9）IO处理 主要处理CNC装置面板开关信号、机床电气信号的输入、输出和控制，,例如换刀、换挡、冷却等。10）诊断处理 在程序运行中，由诊断程序及时发现系统故障，并指出故障类型。也可在运行前或故障发生后，诊断程序及时检查CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等主要部件的功能
12、是否正常，并指出故障发生的部位。3数控装置的特点及功能（1）CNC装置的特点1）灵活通用 硬件系统采用模块化结构，易于扩展，通过变换软件还可以满足被控设备各种不同要求。用同一种CNC系统就可以满足多种数控设备的要求。2）控制功能的多样化 CNC装置利用计算机强大的运算能力，可实现许多复杂的控制功能。3）使用可靠、维修方便 4）易于实现机电一体化 由于CNC系统具有很强的通讯功能,便于与DNC、FMS和CIMS系统进行通信联络。同时大规模集成电路的采用，使硬件元器件数目大为减少，CNC装置结构紧凑，与机床结合在一起。（2）CNC装置的功能CNC装置的功能通常包括基本功能和选择功能。基本功能是数控
13、系统必备的功能；选择功能是可供用户根据机床特点和工作用途进行选择的功能。二、典型数控装置介绍1.FANUC（日本发那科）数控装置 （1）高性能价格比的0i系列，如图2-1-7所示。该系统具有整体软件功能包，高速、高精度加工，并有网络功能。其0i系列分为两大类，一是M 类用于加工中心与铣床；二是T类用于车床。图2-1-7 FANUC 0i/oi mate系列数控装置（2）具有网络功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i21i系列，如图2-1-8所示。该系统其控制单元与LCD集成于一体，具有网络功能，超高速串行数据通讯。图2-1-8 FANUC 16i/18i21i系列数控装置（3）开放式CNC
14、 160i / 180i / 210i 系列，如图2-1-9所示。这种开放式CNC具有CNC与PC功能融合为一体,CNC和电脑之间通过高速网络连接，高速传送大批量数据，并实现机床的智能化。 图2-1-9 FANUC 160i / 180i / 210i 系列数控装置2. 德国SIEMENS数控装置。（1）SINUMERIK 802S/C系统，如图2-1-10所示。该系统专门为低端数控机床市场而开发的经济型CNC控制系统。 图2-1-10 SIEMENS 802S/C数控装置（2）SINUMERIK 802D系统 该系统属于中低档系统，其特点是：全数字驱动，中文系统，结构简单(通过PROFIBU
15、S连接系统面板、I/O模块和伺服驱动系统)，调试方便。具有免维护性能的SINUMERIK 802D核心部件-控制面板单元（PCU）具有CNC、PLC、人机界面和通讯等功能，集成的PC硬件可使用户非常容易地将控制系统安装在机床上。（3）SINUMERIK 802D SL系统 如图2-1-11所示。该系统是一种将数控系统（NC, PLC, HMI）与驱动控制系统集成在一起的控制系统，可连接全数控键盘（垂直型或水平型）、支持最多个PP72/48 I/O模块、两个ADI4模块 、支持MCPA 模块 、支持通过PP72/48 I/O模块连接的机床控制面板MCP，或通过MCPA 模块连接的机床控制面板MC
16、P 802D SL 、通过PROFIBUS总线与PLC I/O连接通讯和通过Drive-CliQ总线连接驱动控制系统SINAMICS S120 。图2-1-11 SINUMERIK 802D SL数控装置（3） SINUMERIK 840C系统 SINUMERIK 840C系统一直雄居世界数控系统水平之首，内装功能强大的PLC 135WB2，可以控制SIMODRIVE 611A/D模拟式或数字式交流驱动系统，适合于高复杂度的数控机床。（4）SINUMERIK 840D/810D/840Di系统，如图2-1-12所示。840D/810D是90年代中期新设计的全数字化数控系统，具有高度模块化及规范
17、化的结构，它将CNC和驱动控制集成在一块板上，将闭环控制的全部硬件的软件集成，便于操作、编程的监控。具有非常高的系统一致性，显示/操作面板、机床操作面板、S7-300PLC、输入/输出模块、PLC编程语言、数控系统操作、工件程序编程、参数设定、诊断、伺服驱动等许多部件均相同。 图2-1-12 SINUMERIK 840D/810D/840Di数控装置3.华中数控华中数控系统的产品类型主要有：世纪星系列、小博士系列、华中I型系列等产品。华中I型系列为高档高性能数控装置，为满足市场要求，开发了世纪星系列、小博士系列高性能经济型数控装置。（1）华中“世纪星“系列数控系统 ，如图2-1-13所示。世纪
18、星系列数控系统主要有HNC2lT、HNC2122M、HNC-18i/18xp/19xp、 HNC-210A/B/C数控装置等型号。该系统采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC，配置7.5或9.4彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。主要应用于车、铣、加工中心等各种机床控制。 图2-1-13 华中HNC-22M数控装置（2）华中I型(HNC-1)高性能数控系统 ，该系统是基于通用32位工业控制机和DO
19、S平台的开放式体系结构，配置灵活。具有先进的曲面直接插补算法和数控软件技术，可实现高速、高效和高精度的复杂曲面加工。采用汉字用户界面，提供完善的在线帮助功能，具有三维仿真校验和加工过程图形动态跟踪功能，图形显示形象直观。常用HNC-1T是车床数控系统、HNC-1M是铣床、加工中心数控系统。（3）华中-2000型高性能数控系统，是面向21世纪的新一代数控系统 华中-2000型数控系统是在华中I型(HNC-1)高性能数控系统的基础上开发的高档数控系统。该系统采用通用工业PC机、TFT真彩色液晶显示器，具有多轴多通道控制能力和内装式PLC，可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度
20、高、可靠性好、性能价格比高、操作维护方便的优点，是适合中国国情的新一代高性能、高档数控系统。4广州数控(GSK)系统广州数控系统的产品类型主要有：GSK928系列数控系统、GSK980系列数控系统、GSK 218数控系统、GSK983系列数控系统等。（1）GSK928系列数控系统，如图2-1-14所示。该系统为经济型数控系统，采用大规模门阵列（CPLD）进行硬件插补，实现高速控制。采用液晶显示器（LCD），中文菜单及刀具轨迹图形显示，界面友好。加减速时间可调，可适配反应式步进系统、混合式步进系统或交流伺服系统构成不同档次的数控系统。图2-1-14 GSK928TEII数控装置（2）GSK980
21、系列数控系统，如图2-1-15所示。 该数控系统采用了32位嵌入式CPU和超大规模可编程器件FPGA，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现了m级精度的运动控制，确保高速、高效率加工。在保持GSK980系列外形尺寸及接口一致的前提下，采用了7吋彩色宽屏LCD及更友好的显示界面，加工轨迹能实时跟踪显示，增加了系统时钟及报警日志。在操作编程方面，采用ISO国际标准数控G代码，同时兼容日本发那科（FANUC）数控系统。图2-1-15 GSK980TB2数控装置(4) GSK 983系列数控系统，如图2-1-16所示。该系统采用最新的高集成 FPGA ， CPLD 芯片和表面贴装技术，使控制单元的
22、尺寸大大减小。采用了 LCD 显示器，实现了显示单元的薄型化。具有高速、高精度加工；最大 5 个进给轴 +1 个主轴控制、内置强大的 PLC、高速缓冲串行DNC接口，以高达38400的波特率连接电脑或U盘，从而实现了高速度的DNC加工，适用于铣床、加工中心的控制。 图2-1-16 GSK 983系列数控装置三、FANUC 0i Mate-TD数控装置组成及接口定义1.FANUC Oi mate-TD 数控装置组成FANUC Oi mate-TD 数控装置是把主控单元和I/O单元合二为一。主控单元主要包过CPU、内存、PMC、I/OLINK控制、伺服控制、主轴控制、内存卡1/F、LED显示等。I
23、/O单元主要包过电源、I/O接口、通讯接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。2. FANUC 0i Mate-TD数控装置主要接口定义 图2-1-17是FANUC 0i Mate TD 系统后视接口图。 第二节 交流进给伺服系统 一、进给伺服系统概述1进给伺服系统的组成进给伺服系统是数控机床的重要组成部分，以移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统。其功能是接受数控装置发来的指令信号经变换和放大由执行元件（伺服电机）将其变换为具有一定方向、大小和速度的机械角位移，通过齿轮和丝杠螺母副带动工作台移动，从而实现驱动数控机床各运动部件的进给运动。进给伺服系统
24、的组成般由控制调节器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机四部分组成，如图2-2-1所示。2数控机床对进给伺服驱动系统的要求。（1）位置精度要高 （2）响应要快 （3）调速范围要宽 (4）工作稳定性要好 (5） 低速转矩要大 3.进给伺服驱动系统的分类数控机床的进给伺服系统按有无位置检测反馈装置分为开环、半闭环和闭环控制系统；按驱动电机的类型分为步进伺服驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三大类。二、步进驱动系统及工作原理1步进电动机进给驱动系统图2-2-2 步进伺服驱动系统组成框图（1）步进电动机步进电机又称为脉冲电动机是一种将电脉冲信号转化为机械角位移的电磁机械装置，如图2-2-3
25、所示。常用的步进电机有反应式、永磁式和混合式三种。图2-2-3 步进电动机（2）步进电机驱动器 步进电机驱动器完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。如图2-2-4所示为广州数控DY3B型三相混合式步进电机驱动器的外形图。该驱动器内部采用SPWM(正弦脉宽调制)正弦波驱动，数字技术实现矢量细分，电机旋转定位精度高、运行平稳噪音低；选用三菱公司智能功率模块（IPM），耐电压冲击力强，稳定性好，具有过载、短路、过压、过热等完善的保护功能此电路可以使电机运行平稳，几乎没有震动和噪音，电机在高速时，力矩大大高于二相和五相混合式步进电机。1）技术
26、参数表2-2-1所示为DY3B型步进驱动器的技术参数。2）信号接口信号接口及定义如表2-1-2所示。3）电源接口与电机接口电源输入为交流220V，并从L/N端并联到r/t端。电机的三根引出线可任意接U/V/W接线端，如果电机方向错误可先关掉电源，再任意调换2个电机线的接头位置。4)拨码开关驱动器设有SW1SW6六个拨码开关，SW1、SW2、SW3、SW5 四个拨码开关为步距角设置开关，共设置15种不同步距角，如表2-2-3所示。SW4和SW6两个拨码开关作为输出驱动器电流粗条功能开关，如表2-2-4所示。5）驱动器与GSK980T系统连接图2-2-5所示为DY3B型驱动器与GSK980T系统连
27、接。2.步进电动机进给伺服驱动系统的工作原理（1）工作台位移量的控制数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L。（2）工作台进给速度的控制数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。（3）工作台运动方
28、向的控制 改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台移动方向就被改变。三、交流伺服驱动系统及工作原理1交流伺服电动机数控机床中常用的交流伺服电机按种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。交流伺服同步电机有永磁式、磁阻式（反应式）、磁滞式、绕组磁极式等。目前，在控制领域中所采用的交流伺服电机一般为同步电机（无刷直流电机），电机主要由定子、转子和检测元件三部分组成，其中定子与普通的交流感应电机基本相同，主要有定子冲片，三相绕组线圈，另外还有支撑转子的前后端盖和轴承等组成，伺服电机的转子主要由多对极的磁钢和电机轴构成，检
29、测元件由安装在电机尾端的位置编码器构成，如图2-2-6所示是FANUC交流伺服电动机。 a）FANUC 交流伺服电机 b）交流伺服电机的结构 图2-2-6交流伺服电动机2模拟式交流伺服控制原理目前所应用的伺服放大器的控制已经完全数字化，其伺服控制的结构已经完全软件化了。但是，其基本的结构和原理都源于模拟式交流伺服控制结构和原理，所以，首先要学习一下模拟式交流伺服系统的控制原理，如图2-2-8所示为典型的伺服控制原理框图，具有位置环、速度环和电流环等三环控制。图2-2-8 典型的伺服控制原理框图 （1）位置环的控制原理位置控制作为数控系统的主要控制工作之一，决定着系统进行位置控制性能优。 图2-
30、2-9 位置环控制框图（2）模拟式交流速度控制原理交流速度控制单元包括伺服控制的电流环和速度环的双环控制系统，它将位置环发出的Vcmd指令经过运算和放大后，驱动三相变频电路产生与电机转子相对应的交流旋转磁场，该旋转磁场使电机的转子产生旋转力矩。如图2-2-11是速度控制单元的基本结构框图，在图中上半部分为速度控制单元，下半部分为速度控制单元的动力变频部分。 图2-2-11 速度控制单元控制框图（3）数字式交流伺服系统控制原理在全数字伺服系统中，速度环和电流环都是由单片机控制，在FANUC系统中该部分在系统内部，该伺服部分作为系统控制的一部分，通常叫做轴卡，该部分实现了位置、速度和电流的控制，最
31、终将PWM信号输出到伺服放大器中，图2-2-12是数字伺服控制框图，图2-2-13是交流伺服放大器框图。 图2-2-12 数字伺服控制框图 图2-2-13 交流伺服放大器框图3认识FANUC i系列伺服放大器（1）常用的FANUC 系统伺服放大器的分类，如表2-2-5所示。（2）i系列数字式交流伺服驱动器i系列数字式交流伺服驱动器共分为三类：i SVM(独立伺服驱动模块)、iSVPM(主轴与伺服驱动一体型)和I/O Link（PMC轴）驱动。如图2-2-15所示为伺服驱动器连接原理图，具体接线如下。 图2-2-15 i SVM1-20伺服驱动接线图四、CAK4085di数控车床进给伺服系统控制
32、线路原理分析1.X、Z轴伺服电动机运转控制（1）X、Z轴伺服电动机运转准备控制 接通机床电源QF0后，再按下数控系统电源开关SB12，KA17继电器获电吸合，接通数控系统直流24V电源，数控系统启动。CNC系统通过COP10A（FBBS光缆传输）串行接口与驱动器正常连接后， CNC系统先检测驱动器且驱动器没有报警信号触发后，CNC使能信号通知驱动器，驱动器内部信号使继电器吸合，其内部继电器一对常开端子闭合，通过驱动器CX29接口控制外部接触器KM30线圈获电，主触头闭合后给驱动器提供工作电源，如图2-2-19（a-b）所示。（2）手动方式下控制X、Z轴伺服电动机在手动操作方式，并选择合适的进给
33、倍率。按下各轴运行按键，伺服驱动放大器接收通过COP10A接口输入的CNC轴控制指令后，驱动伺服电动机按照指令运转，同时JF1接口接收伺服电动机编码器的反馈信号，并将位置信息通过COP10A接口的光缆传输到CNC中，组成了半闭环控制系统，如图2-2-19（a-b）所示。3.系统急停控制在机床运行过程中，如果发生意外需要紧急停止，可按下图2-2-19（d）中的急停按钮SB11，则驱动器CX30所接急停开关断开，驱动器报警；同时也切断了系统中的X8.4的急停输入信号，系统显示为急停报警。从而使整个系统启动失效，伺服电动机停止运转。故障排除后，可重新启动。第三节 主轴驱动系统一、主轴驱动系统概述1数
34、控机床对主轴传动的要求20世纪60-70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动方式已不能满足生产的需要，因此现代数控机床对主轴传动提出了以下基本要求：（1）调速范围要宽并能实现无级调速（2）恒功率范围要宽（3）具有四象限驱动能力（4）具有同步控制和定位准停功能2、定位准停功能 在加工中心上，为了满足加工中心自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。主轴定向控制的实现方式有两种：一是机械准停；二是电气准停。2主轴系统分类及特点目前，全功能数控机床的主传动系统大多采用无级变速。无
35、级变速系统根据控制方式的不同，可分为变频主轴系统和伺服主轴系统两种；根据主轴速度控制信号的不同，可分为模拟量控制的主轴驱动装置和串行数字控制的主轴驱动装置两类。（1）笼型异步电动机配齿轮变速箱这种主轴配置方式最经济，但只能实现有级调速，由于电动机始终工作在额定转速下，经齿轮减速后，主轴在低速下输出力矩大，重切削能力强，非常适合粗加工和半精加工的要求。如果加工的产品对主轴转速没有太高的要求，此配置在数控机床上也能起到很好的效果；它的缺点是噪音比较大，由于电机工作在工频下，主轴转速范围不大，不适合有色金属和需要频繁变换主轴速度的加工场合。（2）通用笼型异步电动机配通用变频器现在通用变频器，除了具有
36、U/f曲线调节，一般还具有无反馈矢量控制功能，会对电动机的低速特性有所改善，再配合两级齿轮变速，基本上可以满足车床低速（100200r/min）小加工余量的加工，但同样受最高电动机速度的限制。这是目前经济型数控机床比较常用的一种主轴驱动系统。（3）专用变频电动机配通用变频器中档数控机床主要采用这种配置，主轴传动两挡变速甚至仅一挡即可实现转速在低速时的重力切削。此配置若应用在加工中心上不够理想，采用其他辅助机构完成定向换刀的功能，但不能达到刚性攻丝的要求。（4）伺服主轴驱动系统伺服主轴驱动系统具有响应快、速度高、过载能力强的特点，还可以实现定向和进给功能，但其价格较高，通常是同功率变频器主轴驱动
37、系统的23倍以上。伺服主轴驱动系统主要应用于全功能机床上，用以满足系统自动换刀、刚性攻丝、主轴C轴进给功能等对主轴位置控制性能要求很高的加工。（5）电主轴电主轴是主轴电动机的一种结构形式，驱动器可以是变频器或主轴伺服，也可以不要驱动器。电主轴由于电机和主轴合二为一，没有传动机构，目前，电主轴一般在10000r/min以上。图2-3-3 电主轴结构二、轴驱动装置组成及工随着交流调速技术的发展，目前数控机床（数控车、铣床）的主轴驱动多采用交流电动机配通用变频器控制的方式。通用变频器控制正弦波的产生是以恒电压频率比（U/F）保持磁通不变为基础，经过SPWM调制驱动主电路，产生U、V、W三相交流电驱动
38、电动机，并通过调整频率达到改变电动机转速的目的。目前，主轴驱动装置市场上比较流行的变频器有德国西门子、日本三菱、安川等。本节主要介绍FANUC 0i Mate 数控系统与三菱变频器主轴驱动装置的连接。FANUC 0i Mate系统主轴控制可分为主轴串行输出/主轴模拟输出。用模拟量控制的主轴驱动单元（如变频器）和电动机称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴。按串行方式传送数据（CNC给主轴电动机的指令）的接口称为串行输出接口，主轴串行输出接口能够控制两个串行主轴，但必须使用FANUC生产的专用主轴驱动单元和主轴伺服电动机。 （1）FANUC 0i Mate TD 数控系统模拟主轴的连
39、接（2）与主轴相关的系统接口1）JA40：模拟量主轴的速度信号接口（010V），CNC输出的速度信号（010V）与变频器的模拟量频率设定端2和5连接，控制主轴电动机的运行速度。2）JA7A：串行主轴/主轴位置编码器信号接口，当主轴为串行主轴时，与主轴驱动器的JA7B连接，实现主轴模块与CNC系统的信息传递；当主轴为模拟量主轴时，该接口又是主轴位置编码信号接口。3）JD1A I/O LINK，本接口连接I/O模块，从系统的JD1A出来，到I/O 模块的JD1B为止。通过I/O模块，来控制主轴正反转继电器，把继电器的常开触点，接在变频器的正反转端子，用来控制主轴电动机的正反转。（3）FR-S500
40、变频器的接线（4）变频器接线注意事项: 根据变频器输入规格选择正确的输入电源。变频器输入侧用断路器(不宜采用熔断器)实现保护,其断路器的整定值应按变频器的额定电流选择而不应按电动机的额定电流来选择。变频器三相电源实际接线无需考虑电源的相序。输出侧接线须考虑输出电源的相序。若相序错误，将会造成主轴电机反转，机床不能正常加工而报警。 实际接线时,决不允许把变频器的电源线接到变频器的输出端。若接反了，会烧毁变频器。 一般情况下,变频器输出端直接与电动机相连,无需加接触器和热继电器。三、伺服主轴驱动装置组成及工作原理数控加工中心对主轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力的基础上实现宽范围无级
41、变速；其次要求在自动换刀过程中实现定向角度停止(即准停)，这对加工中心主轴驱动系统提出了更高的要求。在实际应用中，常采用专用交流伺服主轴驱动装置，其本身具有准停功能，其轴控PLC信号可直接连接至CNC系统的PMC，配合简捷的PMC逻辑程序即可完成准停定位控制，且控制精度非常高。交流主轴驱动系统也有模拟式和数字式两种形式，其结构有主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位置的旋转编码器三部分组成，主要完成闭环速度控制，但当主轴准停时则完成闭环位置控制。主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号处理器及控制系统实现。不同数控系统的主轴专用驱动装置是不同的，常用的主轴伺服系统介绍如下。（1）
42、FANUC主轴伺服系统FANUC公司生产的主轴系统，主要分为直流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统两大类。主回路采用SPWM晶体管控制技术，具有定向控制功能。（2）SIEMENS主轴伺服系统 图2-3-8 SIEMENS 611伺服驱动系统611U伺服驱动611D伺服驱动四、CAK4085di数控车床主轴驱动系统控制线路原理分析CAK4085di数控车床主轴旋转运动采用日立SJ300-055HF/7.5KW变频调速器控制5.5KW主轴电动机，与机械变速相配合可实现三档无级调速，如图2-3-9所示。CAK4085di数控车床的主轴相关的电气原理图，如图2-3-10（ac）所示 1. 主轴正、反转控制
43、信号 图2-3-10所示分别是总电源电路控制、机床侧直流电源控制电路和主轴变频器控制电路。先将QF0和QF1空气开关合上，主轴变频器得电。再合上QF6、QF7、QF8和QF9自动断路器，机床侧GS1开关电源24V得电，按下系统电源开关SB12，继电器KA17线圈获电并自锁，KA17一组常开触点接通GS2开关电源24V电压供给系统并启动。系统启动后，通过程序M03、MO4指令，或者在手动方式下通过按下机床面板上的正转和反转按钮发出主轴正转和反转信号时，数控系统通过PMC将信号通过分线盘I/O模块来控制CB150模块中的KA5（主轴正转继电器）、KA6（主轴反转继电器）的通断，向变频器发出信号，实
44、现主轴的正反转，此时的主轴速度是有系统存储的S值与机床主轴倍率开关决定的。2. 主轴电动机速度控制信号如图2-3-10c所示，在FANUC Oi Mate TD系统中，系统把程序中的S指令值与主轴倍率的乘积转换成相应的模拟量电压（010V），通过系统主板JA40的7脚和5脚，输送到变频器的模拟量电压频率给定端子O与L两端，从而实现主轴电动机的速度控制。3.变频器故障输出信号当变频器出现任何故障时，变频器的故障输出端子AL0与AL2发出主轴故障信号，AL2端子与CB150模块输入端子13脚（X9.3）相连接，通过PMC向系统发出急停信号，使系统停止工作，并发出报警信息。4.主轴频率到达输出信号数
45、控机床自动加工时，若系统的主轴速度到达检测功能参数设定为有效，系统执行进给切削指令（如G01、G02、G03等）前要进行主轴速度到达信号的检测，即通过变频器输出端11脚发出变频到达信号与CB150模块输入端子12脚（X9.2）相连接， PMC检测到该信号后，切削才开始，否则系统进给指令一直处于待机状态。5.日立sj300变频器的故障显示及处理当主轴变频器一旦发生故障，变频器保护功能立即动作，变频器停止输出，并在变频器显示面板上显示相应的故障代码第四节 位置检测装置一、数控机床位置检测装置的要求检测元件是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分，它的作用是检测位移、角位移和速度的实际值，把反馈信号传送
46、回数控装置或伺服装置构成闭环控制。与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。在数控机床的闭环控制中，检测装置是保证机床工作精度和效率的关键，用于数控机床的检测装置应满足下列要求：（1）工作可靠，抗干扰能力强，受温度和湿度等环境因素的影响小；（2）满足精度和速度的要求。其分辨率应在0.0010.0lmm内，测量精度应满足0.0020.02mmm，运动速度应满足020mmin；（3）满足测量精度、检测速度和测量范围的要求；（4）使用和维修方便，成本低，适合机床的工作环境。二、位置检测装置的分类1.位置检测装置根据被测物理量的不同，可分为
47、直线位移测量装置和旋转角位移测量装置。2.半闭环控制的数控机床的位置检测元件一般是脉冲编码器和旋转变压器。3.闭环控制的数控机床的位置检测元件一般是光栅、感应同步器和磁栅等直线位移装置。4.按检测信号不同可分为模拟式和数字式两种。数控机床中常用的位置测量元件见表2-4-1所示。三、常用位置检测元件的原理与使用1.脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成电脉冲。脉冲编码器根据内部结构和检测方式分类，可分为接触式、光电式和电磁式三种；按照编码方式可分为绝对式编码和增量式编码两种。（1）增量式光电编码器1）结构增量式光电编码器的结构主要
48、由转轴、LED光源、光栏板、零标志槽、光敏元件、码盘、印制电路板和电源及信号连接座等组成，如图2-4-1所示增量式光电编码器外形与结构示意图。其中，光电码盘是用玻璃研磨抛光制成或用精致的金属圆盘制成。在玻璃表面镀一层不透明的铬，然后用照相腐蚀法制成狭缝做透光用。狭缝的数量可以为几倍条或几千条；在金属圆盘的圆周上开出了一定数量的等分圆槽缝，或在一定的圆周上钻出一定的数量的孔，使圆盘形成相等数量的透明或不透明区域。2）工作原理增量式光电编码器是以脉冲形式输出的传感器，能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转速度准确检测出来，图2-4-2是增量式光电编码器的工作原理图。（2）绝对式脉冲编码器用增量式编
49、码器的缺点是有可能由于噪声或其它外界干扰产生计数错误。若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式编码器可以克服这些缺点，它可以直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。1）结构绝对式光电编码器的结构，如图2-4-4所示。主要由光源、柱面镜、码盘、刻线板和光电池等组成。图2-4-4 绝对式光电编码器的结构2）工作原理绝对式编码器是直接输出数字信号的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，码道上刻有按一定规律分布的透明区和不透明区，扫描刻线板上有一条径向狭缝，光电池的排
50、列与扫描刻线板上的狭缝平行对齐且与码道一一对应。当光源发出的光经过柱面镜聚光后投射到码盘上，通过透明区的光线经过狭缝形成一束很窄的光束投射到光电池上，此时处于亮区的光电池输出为“1”，处于暗区的光电池输出为“0”，光电池组输出按一定规律编码的数字信号表示了码盘轴的转角大小。输出数字信号通过信息处理电路的放大、鉴幅（鉴别“1”“0”电平）、整形、锁存与译码等电路，输出为自然二进制代码，该代码经控制计算机处理，可辨别出码盘的实际位置。由于码盘轴的每一个位置都有其特定的编码值，因此称这种码盘称为绝对式光电编码盘。按其码制可分为二进制码、循环码、十进制码、六十进制码等。图2-4-5所示为4位二进制码盘
