数控机床及系统的介绍.ppt

数控培训 主讲人 王勇QQ 443138107TEL 158677228962012年 2012骨干教师培训 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FANUCSeries0iMate TD数控车床系统为例 详细介绍0iMate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 CPU Centralprocessingunit 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 CRT控制模块控制CRT画面和LCD画面的显示内容 FROM Flashreadonlymemory 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 SRAM Staticrandomaccessmemory 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 DRAM Dynamicrandomaccessmemory 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 PMC programmablemachinecontroller 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 I O单元 I OLink 外部的驱动 接收回路 很容易与NC连接 由于使用I OLink功能 大大减少布线 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 伺服模块控制伺服电机的模块 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 ComputerNumericalControl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 13FANUC16 18系统 图1 14FANUC i系列主轴与伺服 图1 15内置PLC 图1 16I 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 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 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 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 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 35LSI SMT技术应用 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 FanucSerialServoBus 西门子公司840D采用PowerLine 802Dsl采用DRIVECLIQ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 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FANUCi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 直线控制数控机床3 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 FANUC0i 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 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 原理图 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 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 1 了解数控系统及各元器件的接口的作用 FANUC硬件接口的介绍 图2 1FANUCi系列内装式系统 图2 2FANUCi系列分离式系统 2 1 主控制系统 数控系统背面 以太网状态LEDLED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 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 Flashreadonlymemory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 插补控制软件 数字伺服软件 PMC控制软件 PMC应用程序 梯形图 网络通讯软件 以太网及RS232C DNC等 控制软件 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 图形显示软件等 S RAM Staticrandomaccessmemory静态随机存储器 存放着机床厂及用户数据 系统参数 包括数字伺服参数 加工程序 用户宏程序 PMC参数 刀具补偿及工件坐标补偿数据 螺距误差补偿数据 D RAM Dynamicrandomaccessmemory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 DigitalSignalProcess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 Olink 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 HighSpeedSkip 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 FANUCi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 19FANUC i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 524V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 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 图2 1 8急停与MCC连接 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圈电压不超AC250V 常规采用110V 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