数控机床及系统的介绍

数控培训主讲人：王勇QQ:443138107TEL:[phone]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①CPU（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。②CRT控制模块控制CRT画面和LCD画面的显示内容。③FROM（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。④SRAM（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。⑤DRAM（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。⑥PMC（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。⑦I/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。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——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1-14FANUCαi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Φ30mm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1-35LSI&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——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。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。⑴．CNC控制单元（数值控制器部分）。⑵．伺服驱动单元和进给伺服电动机。⑶．主轴驱动单元和主轴电动机。⑷．PMC（PLC）控制器。⑸．机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元。⑹．机床的位置测量与反馈单元（通常包括在伺服驱动单元中）。⑺．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。⑻．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。⑼．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。ALM360~369针对电机内部的编码器所产生的报警。ALM380~369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ALM447闭环检测硬件断线。检查电缆、反馈元件、分离型检出单元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消除报警关于反馈的报警：半闭环全闭环Prm_1815#1=0Prm_1815#1=1Prm_2084/2085=编码器一转实际反馈P/1000000Prm_2084/2085=移动一定距离所需P/反馈的PPrm_2024位置反馈脉冲数=12500Prm_2024=编码器一转检测元件反馈的PPrm_1821参考计数器容量=编码器一转实际反馈的PPrm_1821=光栅尺的Z相间隔半闭环全闭环Prm_1815=0Prm_1815=1Prm_2084/2085=12/0.001/2/1000000=3/500Prm_2084/2085=L/0.001/L/0.0005=1/2Prm_2024=12500Prm_2024=.0005=12000Prm_1821=6000Prm_1821=任意设定值（如果是一个Z相）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0.5um1）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