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数控机床及系统的介绍


  数控机床及系统的介绍_机械/仪表_工程科技_专业资料。2012骨干教师培训 数控培训 主讲人:王 勇 TEL: 2012年 学习要点: ? 要想学习和应用好数控系统,必须对数控系统控制原 理、电气组

  2012骨干教师培训 数控培训 主讲人:王 勇 TEL: 2012年 学习要点: ? 要想学习和应用好数控系统,必须对数控系统控制原 理、电气组成、器件功能,电气接口、电气操作等各项 内容逐一了解和熟悉。 ? 以日本FANUC Series 0i Mate-TD数控车床系统为例, 详细介绍0i Mate系列控制器硬件组成及外围设备的连接。 ? ? 参数设置。 PMC编程基本知识。 第一单元 F---CNC产品规格的介绍 发那科公司及产品的介绍 CNC系列产品规格的介绍 CNC的结构的介绍 关于构成框图的解释 ① CPU(Central processing unit)(中央处理单元) 用写在ROM里的CNC控制软件,通过地址总线/数据总线控制 各NC语句。 ② CRT控制模块控制CRT画面和LCD画面的显示内容。 ③ FROM(Flash read only memory)模块(快速只 读存储器)存储CNC及伺服的控制软件,PMC的内容等。 ④ SRAM(Static random access memory)模块(静态 随机存取存储器)存储加工程序和参数。为了防止断电时存 储的内容消失,用电池保存记忆的数据。 ⑤ DRAM(Dynamic random access memory)模块(动态 随机存取存储器)执行加工程序时,使用的存储模块。 ⑥ PMC(programmable machine controller)模块(可 编程控制器)处理NC与机床接口的模块。顺序回路上,有 CNC的专用命令。 ⑦ I/O单元(I/O Link)外部的驱动/接收回路,很容易 与NC连接。由于使用I/O Link功能,大大减少布线。 ⑧ 操作面板/强电回路这是与I/O单元连接的机床的控制 板和操作面板。 ⑨ 伺服模块控制伺服电机的模块。 ⑩ 伺服放大器驱动伺服电机的放大器,是用晶体管、电 容等电子元件构成的。要想学习和应用好数控系统,必须对 数控系统控制原理、电气组成、器件功能,电气接口、电气 操作等各项内容逐一了解和熟悉。 第二单元 数控机床的构成 图1-11 数控分度主轴 图1-12 带动力头刀塔 同步电动机 闭环伺服结构的电气系统目前都用交流伺服电动机驱 动,多数使用永磁式同步电动机。 永磁式同步电动机的结构如下图所示。其转子是用高导 磁率的永久磁钢作成的磁极,中间穿有电机轴,轴两端 用轴承支撑并将其固定于机壳上。定子是用矽钢片叠成 的导磁体,导磁体的内表面有齿槽,嵌入用导线绕成的 三相绕组线圈。另外在轴的后端部装有编码器。 直线电动机:为了提高工作台的运动速度,提高加速度, 简化传动链,从而提高传动精度,近来又出现了直线电 动机。这种电机属于直连电动机,即直接装在直线运动 的工作台上。 如下图,直线电动机可理解为回转式电机的展开型。直 线电动机技术已经成熟,目前,高精度,高速加工机床 应用已经很多。最大加速度达30g,最高速度达4m/s,用直 线电动机驱动时,使用直线光栅尺作位置反馈。光栅尺 直接贴装在工作台上。 在电气结构上采用CNC——Computer Numerical Control 即计算 机数字控制系统、内置PLC 及接口电路、主轴及伺服驱动等。 图1-13 FANUC 16/18 系统 图1-14 FANUC αi 系列主轴与伺服 图1-15 内置PLC 图1-16 I/O 单元(接口电路) 以及继电气电路、电磁阀、接近开关等外部设备。 图1-17 三位四通液压阀 图1-18 接近开关 在光学器件上采用光栅尺(作为全闭环反馈元件)、旋 转编码器(作为速度反馈或半闭环的位置反馈)。 图1-19 光栅尺 图1-20 旋转编码器与元光栅 下面我们提出在数控机床维修中遇到的问题进行讨论。 问题①滚珠丝杠与梯形丝杠的特点是什么?为什么数控机床大都 采用滚珠 丝杠?双螺母丝杠和单螺母丝杠的区别是什么?对我们日常维修 有什么影响? 由于滚珠丝杠的结构特点在数控机床维修中应该注意什么? 图1-21 滚珠丝杠内部结构 图1-22 梯形丝杠结构 滚珠丝杠又有单螺母和双螺母,单螺母丝杠即便在出厂 时预紧消除间隙,但 是使用若干年后容易产生间隙,并且很难通过调整消除 间隙。但是双螺母丝杠的 间隙可以通过增减调整垫的厚度(见图1-23),控制丝 杠预紧力,消除丝杠间隙。 图1-23 问题② 机床导轨主要有几种形式?数控机床导轨有几种 形式?它们的各自特点是什么?哪种导轨的重切削特性 更好?哪种导轨的动态特性更好? 我们从一个维修案例提出开始,一台立式加工中心,直 线导轨、半闭环,在使用Φ 30mm 铣刀切削时X 轴产生共 振。一般半闭环机床产生共振的原因与数控系统及电气 的相关性比全闭环机床要小得多,即便是电气故障也多 产生于伺服驱动部分,现场工程师首先采用了排除法, 将电机与机床脱开,电机运转正常没有震动,排除了电 气损坏的可能性。接下来检查机械,最终发现X 轴直线 导轨磨损严重,个别滑块滚珠鳞皮剥离,导致导轨间隙 过大,刀具旋削过程中机床共振。 数控系统的特点: 数控系统不同于计算机标准化设备的其它特点: ① 数控系统采用专用总线、LSI(大规模集成电路)、 SMT(表面贴装)工艺、专用集成电路,如图1-35 图1-35 LSI & SMT 技术应用 ② 专用的数字伺服驱动 目前各数控公司采用自己的专用伺服总线,如: FANUC 公司i 系列数字伺服采用FSSB——Fanuc Serial Servo Bus; 西门子公司840D 采用Power Line; 802Dsl 采用DRIVE CLIQ 作为伺服总线。 这些数字伺服协议相互不兼容,所以备件没有互换性, 甚至控制技术和手段相距甚远。 ③ 机床数据的唯一性、易失性 机床数据,包括数控系统参数、加工程序、螺距误差补 偿数据、宏程序或R 参数、伺服参数或驱动配置数据、 PLC 程序或梯形图等均存储在CNC 不同的介质或区域内。 如FANUC i 系列将系统软件、数字伺服软件、梯形图、 用户宏程序执行器存储在F-ROM 中。机床参数、螺距误 差补偿数据、加工程序、 PMC 参数等存放在S-RAM 中,同时依靠锂电池在系统断 电后维持S-RAM 中的数据。 之所以说数控机床数据是唯一的,因为即便是同一型号的机 床有可能机床数据是不同的,比如伺服参数、螺距误差补偿 数据、甚至PMC 参数等,这些数据有可能安装调试人员根据 现场具体情况进行了修改或调整。 机床的 CNC 控制是集成多学科的综合控制技术。 ?.CNC 控制单元(数值控制器部分)。 ?.伺服驱动单元和进给伺服电动机。 ?.主轴驱动单元和主轴电动机。 ?.PMC(PLC)控制器。 ?.机床强电柜(包括刀库)控制信号的输入/输出(I/O)单元。 ?.机床的位置测量与反馈单元(通常包括在伺服驱动单元中)。 ?.外部轴(机械)控制单元。如:刀库、交 换工作台、上下料机械手等的驱动轴。 ?.信息的输入/输出设备。如电脑、磁盘机、存储卡、键盘、专 用信息设备等。 ?.网络。如以太网、HSSB(高速数据传输口)、RS-232C 口等和 加工现场的局域网。 数控机床结构特点: 数控机床是集机(械)、电(气)、液(压气动)、 光(学器件)为一体的自动化设备。 一:按机床运动的控制轨迹分类: 1)点位控制数控机床 2)直线)轮廓控制数控机床 二:伺服控制的方式分类 1)开环控制系统 2)半闭环控制系统 3)闭环控制系统 FANUC 0i/18i 伺服主轴控制及基本维修 一.伺服及主轴控制 1.进给伺服轴控制原理 原 理 图 用于机床控制的伺服系统是一个集位置、速度、电流三环 闭环控制的位置控制系统,随着技术的发展,虽然采用了 全数字化的伺服控制,但其基本控制理论都是相同的,在 维修过程中我们必须掌握基本控制原理,这样才能准确地 确定发生故障的部位,减少处理故障的时间。 位置控制部分是位置控制的核心部分,它包括的插补器、 位置误差寄存器和参考计数器三部分,插补器完成坐标轴 的插补运算,将系统给定的运动指令转换成以一定规律输 出的一系列脉冲。 该系列脉冲和来自电机反馈的脉冲都将输入到误差寄存器 中,但是,二者脉冲的方向是相反的,而位置误差计数器 里的值即为指令位置与电机实际位置的位置差。该值的大 小直接反映的是电机的速度。参考计数器是用于回零控制 的电路,由它来和机床的减速开关来确定机床的零点位置 速度控制部分 速度控制是三环控制的中间环,用于 实现电机的速度控制,它的指令来自于位置指令的输出, 反馈来自于电机的实际速度。 电流环和电流控制 电流环是伺服控制的内环,用于稳定电机的电流,它的输 入是速度环的输出,反馈是来自电机动力线的反馈,除此 以外,电流控制是完成交流电机的三相电流的转换控制。 关于位置控制的相关报警: ALM_410:静态超差。其误差范围超过Prm1829的 设定值。 ALM_411:动态超差。其误差范围超过Prm1828的 设定值。 以上报警除参数设定值偏小外,还与伺服、编码器 、系统轴卡相关 2. 位置检出器的种类和选择 伺服系统分为开环和闭环两种结构,同时也决定了反馈元件的 种类。 ?安装在电机内部的内装编码器 ? 。 ? 绝对/增量 ? 绝对位置编码器能够记忆机床的机械位置,不管系统是否工作, 编码器始终处于工作状态 ? ,使用绝对位置编码器后,机床的零点一旦被设定,机床即记忆 了机床的机械位置,不需要进行回零操作。 ? 增量编码器与绝对编码器不同,当系统停止工作后,编码器 即停止工作,开机后,必须进行返回零点的操作。 ? 分辨能力 ? 根据机床的精度要求不同,可以选择不同精度的编码器,目前 fanuc所具有的编码器有65,536p/rev,130,000p/rev,1,000,000p/rev和 16,000,000p/rev等型号。 ? A/B相信号/串行信号 ? 使用Alpha系列伺服电机后,FANUC的伺服电机中就全部采用了 串行位置编码器, ? 所谓串行位置编码器是与以前的A/B相信号来讲,它与系统之间 的信号形式是采用串行的信号数据形式。串行的信号中包含多种信 息 安装在机床上的分离型编码器 分离型编码器/光栅尺 分离型编码器是安装在机床的丝杠侧,用于位置反馈的 位置检测元件,编码器的形式也分为A/B信号接口、串 行接口、绝对或增量形式,通过分离型检出器和系统相 连。 当机床使用光栅尺作为全闭环反馈时,对系统来说也认 为是一个分离型的位置编码器,在以前主要使用的A/B 信号接口,目前Heidenhain公司也可以提供可以与 FANUC系统相连接的具有串行接口的光栅尺。在使用串 行接口时,还可以选择绝对式或带有绝对地址码的光栅 尺。 关于反馈的报警: ALM360~369 ALM380~369 针对电机内部的编码器所产生的报警。 针对分离型检出器所连接的反馈元件的报警。 以上报警如间歇性发生,可能是干扰所引起,请进行防干扰处理。 如果是持续出现的话,则为硬件问题,判断为反馈元件、电缆、放大 器或分离型检出器。 ALM445 软断线报警。系统检测出机械端的反馈脉冲和电 机端的反馈脉冲之差较大。原因是机械的间隙所 引起,解决修正机械,或通过参数改变检测范围。 Prm_2003#1=1,Prm_2064设定值加大 闭环检测硬件断线。检查电缆、反馈元件、分离 型检出单元 ALM447 ALM448 反馈不一致报警(闭环检测)。一般发生在新装 光栅尺时因极性错误而出现或机械和电机之间扭 力较大时。Prm_2018#0=1消除报警 关于闭环和半闭环转换方法 例:系统指令单位1um,丝杠螺距12mm,电机与丝杠传动比1/2,加装光栅尺, 其进入系统的分辨率是0.5um 半闭环 Prm_1815=0 Prm_2084/2085=12/0.001/2/1000000=3 /500 Prm_2024=12500 Prm_1821=6000 半闭环 Prm_1815#1=0 Prm_1815#1=1 全闭环 Prm_1815=1 Prm_2084/2085=L/0.001/L/0.0005=1/2 Prm_2024=.0005=12000 Prm_1821= 任意设定值(如果是一个 Z 相) 全闭环 Prm_2084/2085= 编码器一转实际反馈 Prm_2084/2085= 移动一定距离所需 P/ P/1000000 反馈的P Prm_2024位置反馈脉冲数=12500 Prm_2024= 编码器一转检测元件反馈 的P Prm_1821 参考计数器容量 = 编码器一 Prm_1821=光栅尺的Z相间隔 转实际反馈的P FANUC 硬件接口的介绍 1)了解数控系统及各元器件的接口的作用 2-1. 主控制系统 图2-1 FANUC i 系列内装式系统 图2-2 FANUC i 系列分离式系统 数控系统背面 以太网状态 LED LED 名称 LED的含义 LINK(绿) 与HUB 正常连接时点亮。 COM(黄) 收发数据时点亮。 系统主板及附加模块 CNC 主控制系统就是数控机床的大脑和中枢。 如图2-1~图2-11 所示; .. 它含有CPU——中央处理器,负责整个系统的运算,中 断控制等 .. 存储器F-ROM、S-RAM、D-RAM——其中: F-ROM(Flash read only memory 快速可改写只读存储器) 存放着 FANUC公司的系统软件,它们包括; ① 插补控制软件 ② 数字伺服软件 ③ PMC 控制软件 ④ PMC 应用程序(梯形图) ⑤ 网络通讯软件(以太网及RS232C、DNC 等)控制软件 ⑥ 图形显示软件等。 S-RAM(Static random access memory 静态 随机存储器)存放着机床 厂及用户数据; ① 系统参数(包括数字伺服参数) ② 加工程序 ③ 用户宏程序 ④ PMC 参数 ⑤ 刀具补偿及工件坐标补偿数据 ⑥ 螺距误差补偿数据 D-RAM(Dynamic random access memory 动态随机存储器)——作 为工作存储器,在控制系统中起缓存作用。 .. 数字伺服轴控制卡——目前数控技术广泛采用全数字伺服交流同 步电机控制。全数字伺服的运算以及脉宽调制已经以软件的形式打 包装入CNC 系统内(写入F-ROM 中),支撑伺服软件运算的硬件环 境由DSP(Digital Signal Process 数字信号处理器)以及周边电 路组成,这就是所谓的“轴控制卡”。 .. 主板——包含CPU 外围电路、I/O link(串行输入输出转换电 路)、数字主轴电路、模拟主轴电路、RS232C 数据输入输出电路、 MDI(手动数据输入)接口电路、High Speed Skip(高速输入信 号)、闪存卡接口电路等。 .. 显示控制卡——含有子CPU 以及字符图形处理电路。 FANUC i 系列机箱共有两种形式,一种是内装式,另一种是分离 式。所谓 内装式就是系统线路板安装在显示器背面,数控系统与显示器 (LCD 液晶显示器)是一体的,如图2-1。分离式结构如图2-2, 它的系统部分与显示器是分离的,显示器可以是CRT(阴极摄像管) 也可是LCD(液晶显示器)。两种系统的功能基本相同,内装式系 统体积小,分离式系统使用更灵活些,如大型龙门镗铣床显示器 需要安装在吊挂上,系统更适宜安装在控制柜中,显然分离式系 统更适合。 常见的放大器及连接 放大器的连接 电源模块 PSM/PSMR 作用是将AC200V转换成直流300V和控制电源 24V,作为逆变回路的主回路电源和控制用电源,根据回生的方式的不同分 成PSM再生型和PSMR能耗型。 主轴模块 SPM 作用是根据系统的指令控制和驱动主轴电动机的变频模块。不同于伺 服放大器的 是它本身内置CPU,对于主轴的速度和位置控制都是在放大器上 完成的。 伺服模块 SVM 作用是驱动伺服电动机的变频模块。对于电机的位置、速度、电流的 控制都是在系统的的轴卡上完成的。按接口可分为FSSB串行接口和PWM并 行接口。对于B和Bi系列伺服放大器,是将电源模块的功能集成到伺服放大 器一体 伺服模块 SVU 驱动伺服电机的变频模块,内部集成了整流、逆变、泄放(能耗型) 。 SVPM 伺服驱动和主轴控制一体型的变频模块,内部集成整流、逆变、 泄放(再生型) 伺服电路图概图 图3-19 FANUC αi 系列电源、主轴、伺服连接 CXA19B CX29 1)控制电源连接 控制电源采用DC24V 电源,主要用于伺服控制电路的电源供电。在上电顺序 中,推荐优先给伺服放大器供电。如图2-5 直流24V电源输入, 必须要注意电源正 负极 图2-5 24V 电源连接图 0i 用I/O 模块是配置FANUC 系统的数控机床使用最为广泛的I/O 模块, 如图1-2-13,采用4 个50 芯插座连接的方式,分别是: CB104\CB105\CB106\CB107。输入点有96 位,每个50 芯插座中包含24 位 的输入点,这些输入点被分为3 个字节;输出点有64 位,每个50 芯插座 中包含16 位的输出点,这些输出点被分为2 个字节。 CB104\CB105\CB106\CB107。输入点有96 位,每个50 芯插座中包 含24 位的输入点;输出点有64 位,每个50 芯插座 注: RV表示接收器 (接受转换电路) DV表示驱动器 (整形驱动电路) 3) 急停与MCC 连接 该部分主要用于对伺服主电源的控制与伺服放大器的保护,发生报警、急 停等情况下能够切断伺服放大器主电源。如图2-8,图2-9。 ESP :一般接急停 继电器的常开触 点 MCC :一般用于串 接在伺服主电源 接触器的线圈且 交流接触器线 急停与MCC 连接 5、 急停与伺服上电控制回路的连接 下面将分别对这两个部分进行介绍。如图2-14 X8.4 断开出现ESP 报警 cx30 cx29 1) 急停控制回路 急停控制回路一般有两个部分构成,一个是PMC 急停控制信号X8.4;但这两 个部分全部是通过一个元件来处理的,就是急停继电器。如图2-15 2) 伺服上电回路 伺服上电回路是给伺服放大器主电源供电的回路,伺服放大器的主电源一 般采用三相220V 的交流电源,通过交流接触器接入伺服放大器,交流接触 器的线圈受到伺服放大器的CX29 的控制,当CX29 闭合时,交流接触器的 线圈得电吸合,给放大器通入主电源。图2-16 为交流接触器 FANUC 系统硬件的连接 本次任务主要是了解各端口的作用与定义,并在实训台上进行硬件连接。 连接图如下:(也可以参考电缆图) 步骤一:完成系统、X 轴放大器、Z 轴放大器的FSSB 总线) 光缆连接(FSSB 总线)发那科的FSSB 总线采用光缆通讯,在硬件连接方面, 遵循从A 到B 得规律。 即COP10A 为总线B 为总线输入,需要注意的是光缆在任何情况 下不能硬折,以免损坏。如图2-4 (P21页) 一:主轴的连接 4)主轴指令信号连接 发那科的主轴控制采用两种类型,分别是模拟主轴与串行主轴,模拟主 轴的控制对象是系统JA40 口输出0-? 10V 的电压给变频器,从而控制主轴 电机的转速;如图2-10 图2-10 主轴指令线的连接 谢 谢 ! 变频器的应用 2.1 需要设置的参数 参数号 一般设定值 说明 N2.00 2 频率指令输入A1 端子有效 N 2.01 2 控制回路端子(2 线

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