基于FANUC系统铣床故障维修实验台的硬件设计

毕毕 业业 设设 计计 设计题目：基于基于 FANUC 系统铣床故障系统铣床故障维修维修实验台的硬件设计实验台的硬件设计 系 部： 机 电 工 程 系 专业名称： 机 电 一 体 化 技 术 班 级： # 学 号： # 姓 名： # # 指导教师： # # # 完成时间： 2012 年 # 月 # 日 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 2 摘要摘要 为了满足学生实验实习的需要，课题进行了数控机床故障维修实验台设计。 随着数控机床的推广和使用，社会对掌握数控机床故障诊断与维修的高素质人 才的需求也越来越迫切。传统的数控实验设备与方法存在着自身的局限性，难 以培养出具有数控机床故障诊断与维修能力的高素质人才。本文研究的目的就 是建立一个适合高职院校数控教学、实验、实训和开发的数控故障诊断与维修 教学实验平台，以满足数控高级应用性人才培养的需求。 本文针对FANUC 0iMate D数控系统，从系统的体系结构、硬件连接，对 数控实验台进行总体设计，分析了主轴变频调速原理和伺服驱动系统，对各功 能模块建立了连接。分析了数控故障维修实验台的重点研究了开关量I/O地址分 配以及常见电气故障点的设置。在此基础上设计了数控故障诊断实验平台的硬 件结构和电气原理图，并对系统进行了相关调试。为数控机床用户进行故障诊 断与维修提供了一条新的途径。 本课题所开发的故障维修实验台不仅在理论上进行了有益的探索与研究，还 进行了系统具体的实施工作，对于高职院校数控维修高技能人才的培养，具有 重要意义。 关键词：数控系统；实验台；故障诊断；维修；设计。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 3 Abstract In order to meet the needs of students experiment and practice need, subject of the NC machine tool fault repair design of experimental platform. With the popularization and using CNC machine, it is necessary and urgent for the high technicians who use NC technique to get diagnosis the fault. The traditional NC experiment equipments and methods exist own limitations, difficult to cultivate a CNC machine fault diagnosis and maintenance skills of high-quality talents. This paper researches to build an open architecture NC platform for NC teaching, researching，and exploitation in colleges. It is to meet requirements of senior NC students training. The article research through on the system structure and the hardware connection for FANUC-0i Mate D. make general design for CNC experiment platform, analysis the spindle frequency control principle and servo drive system, connect the function module. Analyzed the parameter settings, PMC programming method, operation and function development of the experiment platform. Focuses on the switch signals I/O address assignment and common electrical failure settings. it design the hardware structure and the theory of electric based on the system of connection, analyze the PMC ladder diagram in the actual fault diagnosis technology of system, and the application of the relevant debugging. It provides a new way for fault diagnosis and maintenance user in NC machine tools . This topic of development the maintenance test bench not only in theory beneficial exploration and research, but also for the concrete implementation system work, for higher vocational colleges numerical control maintenance of skilled personnel training, to have the important meaning. Keywords: NC system; Fault diagnosis; Maintenance; Teaching experiment。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 4 目录目录 1 绪论绪论 5 1.1 国内外数控机床的发展情况国内外数控机床的发展情况 5 1.2 国内数控机床的现状及特点国内数控机床的现状及特点 5 1.3 国外数控机床的现状及特点国外数控机床的现状及特点 5 1.4 课题的设计思想课题的设计思想 6 1.5 课题的研究意义课题的研究意义 7 2数控铣床故障维修实验台总体设计数控铣床故障维修实验台总体设计 .7 2.1 数控机床的组成与工作原理.7 2.2 故障维修实验台的开发环境.8 2.3 数控系统与功能模块的连接.9 2.3.1数控系统的选型与硬件配置9 2.3.3 主轴变频调速模块16 2.3.4伺服驱动系统18 2.4 数控铣床故障维修实验台的硬件设计.23 3 故障维修实验台电气控制设计故障维修实验台电气控制设计 26 3.1 系统 I/O 地址分配26 3.2 实验台故障设置模块.29 3.2 实验台故障设置模块.29 3.3 实验台电气控制面板设计.30 致谢致谢 .36 参考文献参考文献 .37 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 5 1 绪论绪论 1.1 国内外数控机床的发展情况国内外数控机床的发展情况 随着我国国民经济的快速发展，数控机床在国内的应用越来越普遍，数量 越来越多，已成为各企业保证产品质量与提高生产效益的关键设备。由于数控 机床数控系统技术复杂，种类繁多， “维修难”的问题已影响数控机床的有效利 用。提高数控机床用户的维修素质，改变维修工作跟不上的局面，当数控机床 一旦发生故障时能采用行之有效的科学方法，迅速的将故障定位，并进行元器 件级的维修，使数控机床尽快恢复生产，是当前广大数控机床管理和维修人员 的当务之急。 1.2 国内数控机床的现状及特点国内数控机床的现状及特点 数控的广泛含义是指对流程工业的过程控制和对离散工业运动控制而言的。 机床数控仅仅是运动控制中的一种类型。数控技术问世已有 40 多年的历史，它 是由机械学、控制论、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合 性的新型科学。数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推行 FMC(柔 性制造单元)、FMS(柔性制造系统)以及 CIMS(计算机集成制造系统)等的基础。 数控技术己经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。 1.3 国外数控机床的现状及特点国外数控机床的现状及特点 目前，我国数控机床占机床总量比例不到 3%，远远低于国外的水平。而机 床役龄 10 年以上的占 60%以上，10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20%， 能进行柔性加工的自动化生产线更少。但当今产品的制造追求精密、美观、更 新快、成本低、普通机床加工出来的产品存在质量波动大、加工精度低、品种 少、成本高、时间长等缺点，而这些因素又直接影响一个企业的产品、市场、 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 6 效益，关系到企业的生存和发展。因此，大力提高机床的数控化率是目前很多 企业正着力进行的事情，同时为企业今后实现信息化改造打下良好的基础。我 国每年都有大量机电产品进口，这也是从宏观上说明了机床数控化的必要性。 1.4 课题的设计思想课题的设计思想 对于数控机床操作与编程学习，一般只要有数控机床即可实践教学，而对 于数控机床电气应用学习，仅有数控机床是不行的，因为数控机床主要电器一 般放在机床电气柜中，功能不具开放性，电气调试和维修需专业人员，机床厂 家都不希望最终用户修改出厂参数和相关技术内容。而数控机床电气学习恰恰 希望通过参与开放性的数控机床的应用来学习掌握数控系统的电气设计、电气 组成、参数设置、数控编程、梯形图设计、故障诊断等多项综合实验实习功能， 通过综合实验实习，达到理论联系实际和综合动手能力的提高。 本课题根据学生学习的特点，设计数控综合实验台时，主要考虑以下几个 方面问题： (1)实验台设计以数控铣床为模拟对象，既便于学生掌握数控系统，又可以降 低造价； (2)选用功能强大、工作安全可靠、性能完善、市场占有率高的数控系统，尽 可能多的把先进的数控系统功能开放给学生学习； (3)采用开放性和模块化的结构设计，尽可能的把组成数控机床的电气部分都 能在实验台上展示，让学生有一个完整的数控机床电气组成的概念； (4)考虑数控系统功能的扩充，在使用的过程中可不断开发新的实验功能，机 械执行件可以根据需要灵活配置； (5)充分考虑安全性的设计原则，在保证实验效果的前提下，实验台的操作既 能保证学生的安全，又能保护贵重的实验装置。 设计总体思路是在对数控机床系统分析的基础上，根据实际中常见的一些 数控机床的故障问题，结合需要确定了实验台采用模块化的设计，实验台主要 由数控系统、机床电气控制接口板、主轴变频调速实验板模块、交流伺服驱动 器及伺服电机模块、步进驱动及步进电机模块、输入输出模块等组成。然后再 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 7 设计一个电器柜把各个模块方便的拼接起来，组成一个数控机床故障诊断维修 实验台。 1.5 课题的研究意义课题的研究意义 本课题研制的实验台采用开放式的结构，将数控系统、电气系统和执行部 件做成展台的形式，建立了基于FANUC 0iMateMD数控系统的柔性数控实验 平台，使数控系统硬件组成、信号连接走向、参数含义和程序执行过程直观化。 可面向高校开设数控技术、计算机控制技术、机电传动技术、机电控制等课程 实验。 开发出数控铣床故障维修实验台，可以实现以下功能：直观认识和掌握 FANUC数控系统原理和数控加工程序的执行过程、数控系统弱电信号和强电； 控制信号匹配连接的电气控制原理；编制数控加工程序并加工仿真；设置数控 系统参数，编写PMC程序；根据所给电路图拆装电气元件；实现伺服电机、主 轴电机等执行件辅助动作的运动控制；常见数控系统故障的分析与处理。因此， 数控维修实验台的研制成功对于提高数控技术及相关类课程的实验教学效果、 培养数控技术应用型人才都将起到积极的推动作用。 2数控铣床故障维修实验台总体设计数控铣床故障维修实验台总体设计 2.1 数控机床的组成与工作原理 数控机床一般由人机接口与通讯接口、数控装置、伺服驱动装置、可编程 控制器及电器控制装置、辅助装置、机床本体、测量装置组成，如图2.1所示。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 8 图2.1 数控机床的组成 1.数控装置 数控装置是数控机床的核心，主要有硬件数控装置和计算机数控装置两种 形式，现在多采用计算机数控装置，简称CNC装置。主要功能是：实现输入数 字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各 种控制功能。 现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人工现场输入、通过 磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读机输入等。现代数控 系统均配置有大容量存储器RAM来存储已输入数控系统的加工程序。通过数控 系统的显示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。 2.伺服驱动装置 这是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、 主轴电机进给电机等。数控机床的主轴和进给系统是由数控装置发出指令，通 过电气或电液伺服系统实现的。当几个进给轴实现联动时，可以完成点位、直 线、平面曲线或空间曲线/面的加工。 3.数控机床的辅助装置 这是指数控机床的一些必备的配套部件，用以保证数控机床的运行。它包 括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括 刀具及监控检测装置等。 4.编程机及其他一些附属设备 现代数控机床不仅可以用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以 利用自动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上(如纸 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 9 带、磁带、磁盘等)，然后送入数控装置。对于较为复杂的零件，一般都是采用 这种自动程序编制的方法。 5.机床本体 机床本体是在数控机床上自动完成各种切削加工的机械部分。包括床身、 立柱、立轴、进给机构等机械部件。根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、 钻床、电加工机床以及其它类型。 2.2 故障维修实验台的开发环境 当前，数控机床行业所使用的数控系统类型种类繁多，常见的有 FANUC、SIEMENS、MITISUBISHI、FAGOR、NUM等，但因其各自的性能特 点，在市场上的占有率也不尽相同。FANUC系统因其结构简单、技术成熟，产 品批量大、生产成本低等特点成为世界上市场占有率最高的数控系统(约占70%)， 并且在各职业技术院校中也被广泛采用。我们所设计的故障维修实验台正是基 于目前FANUC系统中最为常用的FANUC0i系统设计的面向用户的能人为设置 故障的实验装置。 机床的故障大致可分为人为的和非人为的故障，而故障实验平台就是人为 设置故障的一种，通过故障实验台的设置使数控机床在非故障状态下出现故障 报警，为数控机床故障诊断与维修教学、培训和考试提供真实的故障现象，且 不会对机床造成损坏，这就是故障实验台的作用。故障实验台主要运用在数控 机床维修教学、培训及考试当中。故障实验台上的每一个开关都接在数控机床 相应的I/O端口，当开关打上时，开关对应的故障设置功能就会实现，即机床报 警。维修人员就可以根据报警所提示的内容，进行故障的检测、定位及排除， 从而达到掌握维修的方法和原理的目的。为了完成设计要求，首先应对FANUC 系统本身做一个详细的了解。 2.3 数控系统与功能模块的连接 2.3.1 数控系统的选型与硬件配置 1、数控系统的选型 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 10 FANUC公司针对中国数控机床市场的迅速发展、数控机床的水平和使用特点， 2008年在中国市场推出了新的CNC系统0i-D/0i Mate-D。该系统源自于FANUC目 前在国际市场上销售的高端CNC 30i/31i/32i系列，性能上比0i-C系列提高了许 多，包括：硬件上采用了更高速的CPU，提高了CNC的处理速度；标配了以太网； 控制软件根据用户的需要增加了一些控制与操作功能，特别是一些适于模具加工和 汽车制造行业应用的功能，如：纳米插补、用伺服电动机做主轴控制、电子齿轮箱、 存储卡上程序编辑、PMC的功能块等。该系统是高性价比、高可靠性、高集成度的 小型化系统。代表了目前国内常用CNC的最高水平。 经过广泛的分析和调研，数控故障维修实验台选用日本FANUC 0i Mate-D数控 系统。FANUC系统在中国市场占有率较高，选用该系统有利于学生对先进数控系统 的了解与掌握。 2、数控系统的硬件配置 FANUC数控系统0i-D/0i Mate-D是高可靠性、高性价比、高集成度的小型化系 统。使用了高速串行伺服总线(用光缆连接)和串行I/O数据口，有以太网口。0i Mate-MD是铣床（加工中心）用数控系统可使用is伺服电机和i主轴电机，控制轴 数为4轴，可连一个I/O Linki伺服轴以控制外部机械。用于3轴联动的数控综合实 验台非常适合。系统总体配置如图2.2所示。 图2.2 系统总体配置图 (1)数控基本单元 选用FANUC SERIERS 0i Mate-MD基本单元，结构如图2.3所示，CNC的印刷板置 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 11 于显示器的后面，体积非常小，结构紧凑，便于布置。系统的显示器选用8.4英寸 彩色LCD(液晶显示器)，LCD与CNC单元集成为一体，在显示器的右面配有MDI键盘。 图2.3 CNC单元的结构 数控系统面板上各接口的功用与连接如表2.1。 表 2.1 FANUC 0i Mate MD 数控系统接口功用 2.3.2数控系统的连接 硬件是 CNC 系统的基础部分，与数控系统软件相互配合，合理地组织、鼓 励整个系统的各项工作，实现各种数控功能，同时又是本次课题进行设计、开 发的平台，具有重要的作用。FANUC0i 系统的控制单元由主 CPU、内存； PMC 控制；I/O LINK 控制；伺服控制；主轴控制；内存卡 I/F 以及 LED 显示 构成。其中，内存中包含系统软件、宏程序、梯形图以及参数等等。I/O 板包括 电源 PCB(内置)DCAC 转换器、DI/DO、阅读机/穿孔机 I/F、显示控制以及手 摇脉冲发生器控制。总体连接框图如图 2.4 所示： 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 12 图 2.4 总体连接框图 (l)数控单元与伺服驱动部分的连接 轴控制卡接口COP10A-1输出脉宽调制指令，并通过FSSB光缆与伺服放大器 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 13 接口COP10B相连，伺服放大器整形放大后，通过动力线输出驱动电流到伺服电 机，电动机转动后，同轴的编码器将速度反馈和位置反馈送到FSSB总线上，最 终回到轴控制卡上进行处理。其连接方式如图2.5所示。 24V直流电源经CP1接口输入数控单元，CNC单元经COP10A接口、JA41接 口与伺服放大器COP10B接口、JA7B接口相连，传递伺服信号。 图2.5 数控单元与伺服系统连接 （2）数控单元与主轴模块接口连接 CNC系统中的主轴模块用于控制驱动主轴电机。在加工中心上，主轴带动刀 具旋转，根据切削速度、工件或刀具的直径来设定相应的转速，对所需加工的 工件进行各种加工。数控单元与主轴模块的连接如图2.6所示。 如果主轴使用的是变频器（指令线由JA40 模拟主轴接口连接），则这里 连接主轴位置编码器,如果是机床主轴采用串行数字控制的主轴放大器，则编码 器连接到主轴放大器的JYA3，注意这两种接法的信号线是不同的，参照图 2.7。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 14 图2.6 数控单元与主轴模块的连接 a) 数控系统与主轴编码器接口 b)主轴模块与主轴编码器接口 图2.7 主轴编码器信号接口与功能连接 （3）数控单元与操作面板的连接 如图2.8所示0i Mate-MD系统采用FANUC I/O Link串行接口，将CNC、I/O 单元、操作面板连接起来，并在各设备之间高速传送I/O信号。 图 2.8 FANUC 0i Mate MD系统I/O Link的连接 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 15 I/O Link从站依次串联，JD1A为总线输出端，连接到下一级从站；JD1B为 总线输入端，与上一级从站相连，终断不需要终端连接器。如图2.9所示。 图2.9 I/O Link总线连接 主操作面板I/O单元的连接，如图2.10所示。 图2.10 主操作面板I/O单元综合连接图 （4）CNC控制单元电源的连接 从外部输入24V DC电源给0i/0i Mate系统控制单元供电。在图2.11中绘出了 AC 电源的 ON/OFF 电路A和24V DC电源的ON/OFF 电路 B。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 16 图2.11 CNC控制单元电源的连接 (5) 急停的连接 如图2.12所示，急停继电器的第一个触点接到NC 的急停输入（X8.4）， 第二个触点接到放大器的电源模块的CX4（2,3）。对于is 单轴放大器，接第 一个放大器的CX30(2,3脚)，注意第一个CX19B 的急停不要接线。注意：所有 的急停只能接触点，不要接24V电源。 （6）数控系统实物连接 数控系统实物连接如图2.13所示。 图 2.12 急停信号连 图 2.13 数控系统实物连接 2.3.3 主轴变频调速模块 目前，变频器技术已经发展到相当成熟阶段，市场上变频器产品种类繁多， 如：西门子MICRO MASTER/MIDI MASTER系列变频器、富士FVR-G7S系列变频器、 三菱FR-A500系列变频器、安川VS-616PC5/P5系列变频器等。本系统选择了三菱 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 17 FR-S520系列变频器对主轴进行速度控制。 1)变频器操作面板说明 变频器操作面板如图2.14所示。 图2.14变频器操作面板 2）变频器的功能、连接与调试 三菱FR-S520SE-0.4K-CHT系列变频器输入电源为单相200240V，变频器端子 接线图如图2.15所示。变频器主回路端子和控制回路端子名称说明参考变频器 使用手册。 FANUC 0i Mate系统使用i系列伺服单元时，主轴控制通常采用变频器控制。 CNC的JA40为模拟主轴的指令信号输出接口，JA41连接主轴编码器。如图2.16所 示，系统向外部提供0-5V模拟电压，接线比较简单，注意极性不要接错，否则 变频器不能调速。图中的ENB1/ENB2用于外部控制，一般不用。变频器实物连接 如图2.17所示。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 18 图2.15变频器端子接线图 图2.16 CNC与变频器连接 图2.17 变频器端子接线图 2.3.4 伺服驱动系统伺服驱动系统 (1)FANUC 伺服系统的构成 如果说CNC控制系统是数控机床的大脑和中枢,那么伺服和主轴驱动就是数 控机床的四肢,他们是大脑的执行机构。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 19 FANUC驱动部分从硬件结构上分，主要有以下四个组成部分： （a）轴卡接光缆的那块PCB板，在现今的全数字伺服控制中，都已 经将伺服控制的调节方式、数学模型甚至脉宽调制以软件的形式 融入系统软件中，而硬件支撑采用专用的CPU或DSP等，这些部件 最终集成在轴控制卡。轴卡的主要作用是速度控制与位置控制。 如图2.18所示。 图2.18 轴卡 (b)放大器接收轴卡（通过光缆）输入的光信号转换为脉宽调制信号， 经过前级放大驱动IGBT大功率晶体管输出电动机电流。 （c）电动机-伺服电动机或主轴电动机，放大器输出的驱动电流产生旋 转磁场，驱动转子旋转。配套选用i系列交流伺服电机和主轴交流电机。结构 如图2.19所示。主电机1台，型号为iI3/1000，该电机采用最佳的绕组设计和 高效率的冷却结构，机身设计紧凑，同时实现高输出和高扭矩。通过主轴HRV控 制实现高效率、低发热，低成本，适合用于数控试验台。 （d）反馈装置-本实验台采用半闭环位置反馈，由电动机轴直连的脉冲 编码器作为半闭环反馈装置。作为速度和位置反馈信号。如图2.20所示。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 20 图2.19 伺服电机 图2.20 伺服电机编码器 2）伺服放大器 本实验装置X轴、Y轴、Z轴伺服电机的型号为iSV20/4000，该电机通过优 化的磁极结构和机构设计，采用独特的转子形状，缩短了轴长，体积小，重量 轻，结构紧凑，实现了进给轴所需的平滑旋转，可以得到较高转矩，并能实现 快速加速。装有小巧的高分辨率的i系列脉冲编码器，可实现高精度进给。X 轴、Y轴、Z轴伺服电机采用i系列伺服放大器（伺服单元）驱动。 i系列伺服单元是FANUC公司推出的最新的高可靠性、性能价格比卓越的 进给伺服驱动装置。如图2.21所示，各功能端子定义如表2.2。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 21 图2.21 i系列伺服单元 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 22 表2.2 各功能端子定义 本实验台采用FANUC公司伺服驱动系统，具有如下特点： 1）供电方式为三相交流电200240V供电。 2） 智能电源管理模块，碰到故障或紧急情况时，急停链生效，断开伺服 电源，确保系统安全可靠。 3）控制信号及位置、速度等信号通过FSSB光缆总线传输，不易被干扰。 4）电机编码器为串行编码器信号输出。 X轴、Y轴、Z轴伺服电机的驱动装置连接原理图如图2.22所示,各轴的伺服 驱动装置实物连接如图2.23所示。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 23 图 2.22 伺服单元连接原理图 图 2.23 伺服单元实物连接图 2.4 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 本实验台采用开放性结构设计，尽可能的把组成数控机床的电气部分都能 在实验台上展示，让学生有一个完整的数控机床电气组成的概念。实验台外形 如图2.24所示，适于制造、安装，结构合理，主要部件模块化布置，便于操作、 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 24 使用。整体布置主要有以下几个部分组成。 图2.24 故障维修实验台外形图 1.面板部分 中央处理单元、MDI面板、操作面板采用紧凑型一体化结构，完全组合在 一起，布置在实验台的左上角安装、使用方便。如图2.25所示。 图2.25 FANUC 0i-Mate MD操作面板 图2.26实验台工作台 2.动作执行部分 主轴电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机等较重的动作执行 部分，运转时有振动和冲击，集中布置在带有加强筋的工作台面上，模拟铣床 基本布局。如图2.26所示。 3.其余电气结构部分 电气部分是整个实验台的控制部分，连接了数控系统与机械本体，电气结 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 25 构的实验台共分为数控驱动器、I/O模块、三色报警灯、手轮接线、电气原理、 调试用电脑、PLC输入/输出。实验台的右半部分集中布置伺服放大器、I/O单元、 开关量I/O板以及由空气开关、接触器、继电器等电器元件连接而成的强电线路， 由于采用了开放式设计，结构清晰明了，可以完成数控机床安装、排障，接线、 调试功能，并可结合面板下方的电气原理图，加深实验者对数控电气原理的了 解，其结构框图如图2.272.30所示。 图2.27 三色报警灯模块 图2.28手轮模块 4.后柜箱结构 后柜箱结构图如图2.31所示。在后柜箱安装了故障设置盒、AC-DC转换器、 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 26 电源开关、分线器等元器件。 图2.31后柜箱结构布局 3 故障维修实验台电气控制设计故障维修实验台电气控制设计 3.1 系统 I/O 地址分配 数控装置的输入/输出信号大致包括如下几类： (l)开关量I/O:用于完成机床的开关量辅助功能控制以及数控系统与机床 信号的交换。 (2)模拟量输出:高分辨率的模拟量输出用于控制进给伺服与主轴驱动的 转速。 (3)位置反馈输入:用于各进给轴与主轴位置传感器的接受、处理以及计 数。 (4)手轮输入:用于MPG连接手轮脉冲发生器。 (5)通讯与网络接口:通常数控装置均具有标准的RS232C接口。 在系统程序PLC程序中，机床输入的开关量信号定义为X；输出到机床的 开关量信号定义为Y。输入/输出开关量每8位一组占用一个字节。I/O地址分 配如表3.1、表3.2所示。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 27 表3.1 输入地址表 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 28 表3.2 输出地址表 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 29 3.2 实验台故障设置模块 根据数控铣床在生产实际中经常出现的电气故障，FANUC 0i Mate-MD 数 控铣床故障维修实验台共设置了 20 个电气故障点。每个故障点的设置由一个钮 子开关控制实现，故障点之间可进行组合，大大扩大了故障诊断的范围。故障 点集中安装于实验台的箱体内，有铭牌标识，为实训时的指导工作提供了便利。 箱门可上锁，便于故障点的设置隐蔽、客观，减少人为因素的影响。当本实验 台用于正常工作，或用于学生操作、编程训练时，应先将所有故障点钮子开关 设置成正常工作状态，并锁好箱门。故障点设置如表 3.3 所示。 表 3.3 故障点设置一览表 电器柜内安装24V直流电源、接线端子排，以及用于设置电器故障点的钮 子开关。如图3.4 所示。开关拨至上方为闭合状态（接通），开关拨至下方为 断开状态（设置故障）。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 30 图3.4 故障设置盒 3.3 实验台电气控制面板设计 1、数控故障维修台的操作设备 常用的操作包括连接于CNC上的设置和显示单元、机床操作面板、子面板和 外部输入/输出设备。LCD/MDI单元如图3.5所示。 图3.5 LCD/MDI单元 FANUC公司为其CNC系统设计了以下几种工作方式，通常在操作面板上用回 转式波段开关切换。这些方式是: (1)编辑(EDIT)方式 在该方式下编辑零件加工程序。 (2)手轮进给(HND)方式 用手轮按键使各进给轴沿正、反向移动。 南京交通职业技术学院毕业设计基于 FANUC 数控铣床故障维修实验台的硬件设计 31 (3)手动连续进给(JOG)方式 用手按住机床操作而板上的各轴方向按钮使所选轴向连续地移动。若按下快 速移动按钮、则使其快速移动。 (4)存储器(自动)运行(MEM)方式 用存储在CNC内存中的零件程序连续运行机床、加工零件。 (5)手动数据输入(MDI)方式 该方式可用于自动加工，也可以用于数据(如参数、刀偏量、坐标系等)的输 入。用于自动加工与存储器方式的不同点是:该方式通常只加工简单零件，因此 都是现编程序现加工。 (6)机床返回参考点（REF）方式 在此状态下，可以实现手动返回机床参考点的操作。通过返回机床参考点操 作，CNC系统确定机床零点的位置。 (7) DNC状态（RMT）方式 在此状态下，可以通过阅读机（加工纸带程序）或RS-2