第4章 數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)

1、2021-11-202021-11-204.1 4.1 數(shù)控系統(tǒng)的電氣控制數(shù)控系統(tǒng)的電氣控制4.1.1 4.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的電源控制數(shù)控系統(tǒng)的電源控制4.1.2 4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的連接數(shù)控系統(tǒng)的連接 2021-11-20一臺(tái)數(shù)控機(jī)床要想按照指定的動(dòng)作要求來(lái)實(shí)現(xiàn)各種進(jìn)給切削，除了要有來(lái)自CNC的各種運(yùn)動(dòng)及功能指令之外，還需要有各種電氣控制和執(zhí)行元件，使數(shù)控機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)部件能夠準(zhǔn)確地、有序地、安全地運(yùn)行，才能完成各種加工任務(wù)。一臺(tái)典型的數(shù)控機(jī)床其全部的電氣控制系統(tǒng)如圖4-1所示。 2021-11-20圖圖4-1 4-1 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)2021-11-204.1.1

2、4.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的電源控制數(shù)控系統(tǒng)的電源控制數(shù)控系統(tǒng)的電源控制，包括從工頻交流電的輸入，數(shù)控系統(tǒng)的電源控制，包括從工頻交流電的輸入，到各控制模塊正常工作以及執(zhí)行元件的動(dòng)作實(shí)到各控制模塊正常工作以及執(zhí)行元件的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。可以說，電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)數(shù)控機(jī)現(xiàn)?？梢哉f，電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)數(shù)控機(jī)床的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)控系統(tǒng)的全部工作，實(shí)際上床的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)控系統(tǒng)的全部工作，實(shí)際上是按照程序指定的要求，控制作電能的傳輸和是按照程序指定的要求，控制作電能的傳輸和變換，使數(shù)控機(jī)床的各個(gè)部件在這些受控電能變換，使數(shù)控機(jī)床的各個(gè)部件在這些受控電能的驅(qū)動(dòng)下，按照程序指定的方式和步驟有條不的驅(qū)動(dòng)下，按照程序指定的

3、方式和步驟有條不紊地工作。以紊地工作。以FANUC系統(tǒng)為例，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)為例，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的電源控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。的電源控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。 2021-11-20圖圖4-2 AI（A16B12110100）電源模塊主回路原理圖）電源模塊主回路原理圖2021-11-204.1.2 4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的連接數(shù)控系統(tǒng)的連接FANUC 0iFANUC 0i系統(tǒng)的連接如圖系統(tǒng)的連接如圖4-34-3所示，所示，0 0系統(tǒng)和其他系統(tǒng)與此系統(tǒng)和其他系統(tǒng)與此類似。由圖可見，系統(tǒng)輸入電壓為類似。由圖可見，系統(tǒng)輸入電壓為DC24DC24(24(2410%)V10%)V，約約7A7A。伺服和主軸電動(dòng)機(jī)為。伺服和主軸電

4、動(dòng)機(jī)為AC200VAC200V（不是（不是220V220V）輸入。）輸入。這兩個(gè)電源的通電及斷電順序是有要求的，不滿足要求這兩個(gè)電源的通電及斷電順序是有要求的，不滿足要求會(huì)出現(xiàn)報(bào)警或損壞驅(qū)動(dòng)放大器。原則是要保證通電和斷會(huì)出現(xiàn)報(bào)警或損壞驅(qū)動(dòng)放大器。原則是要保證通電和斷電都在電都在CNCCNC的控制之下。的控制之下。其他系統(tǒng)如其他系統(tǒng)如0 0系統(tǒng)，系統(tǒng)電源和伺服電源均為系統(tǒng)，系統(tǒng)電源和伺服電源均為AC200VAC200V輸入。輸入。 2021-11-20圖圖4-3 機(jī)床連接框圖機(jī)床連接框圖2021-11-204.2 4.2 數(shù)控機(jī)床的電氣控制數(shù)控機(jī)床的電氣控制 4.2.1 數(shù)控車床的電氣控制系統(tǒng)數(shù)

5、控車床的電氣控制系統(tǒng)4.2.2 數(shù)控銑床的電氣控制數(shù)控銑床的電氣控制4.2.3 典型數(shù)控機(jī)床電氣控制系典型數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)原理圖統(tǒng)原理圖 2021-11-204.2.1 4.2.1 數(shù)控車床的電氣控制系統(tǒng)數(shù)控車床的電氣控制系統(tǒng)下面以下面以TK1640數(shù)控車床為例進(jìn)行說明，數(shù)控車床為例進(jìn)行說明，TK1640數(shù)控車數(shù)控車床采用主軸變頻調(diào)速，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由床采用主軸變頻調(diào)速，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由5.5kW變頻主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)至變頻主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)至I軸，經(jīng)三聯(lián)齒輪變速將軸，經(jīng)三聯(lián)齒輪變速將運(yùn)動(dòng)傳至主軸運(yùn)動(dòng)傳至主軸E，并得到低速、中速和高速三段范圍內(nèi)，并得到低速、中速和高速三段范圍內(nèi)

6、的無(wú)級(jí)變速。機(jī)床進(jìn)給為兩軸聯(lián)動(dòng)，配有四工位電動(dòng)的無(wú)級(jí)變速。機(jī)床進(jìn)給為兩軸聯(lián)動(dòng)，配有四工位電動(dòng)刀架，可滿足不同需要的加工。刀架，可滿足不同需要的加工。Z坐標(biāo)為大拖板左右運(yùn)動(dòng)方向，其運(yùn)動(dòng)由坐標(biāo)為大拖板左右運(yùn)動(dòng)方向，其運(yùn)動(dòng)由GK6063-6AC31交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)實(shí)現(xiàn)；交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直聯(lián)實(shí)現(xiàn)；X坐標(biāo)為坐標(biāo)為中拖板前后運(yùn)動(dòng)方向，其運(yùn)動(dòng)由中拖板前后運(yùn)動(dòng)方向，其運(yùn)動(dòng)由GK6062-6AC31交流交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶及帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠永磁伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶及帶輪帶動(dòng)滾珠絲杠和螺母實(shí)現(xiàn)。和螺母實(shí)現(xiàn)。為保證螺紋車削加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)一圈，刀架移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程為保證螺紋車削加

7、工時(shí)主軸轉(zhuǎn)一圈，刀架移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程（即被加工螺紋導(dǎo)程）。主軸箱的左側(cè)安裝了一光電（即被加工螺紋導(dǎo)程）。主軸箱的左側(cè)安裝了一光電編碼器配合縱向進(jìn)給交流伺服電動(dòng)機(jī)，主軸至光電編編碼器配合縱向進(jìn)給交流伺服電動(dòng)機(jī)，主軸至光電編碼器的齒輪傳動(dòng)比為碼器的齒輪傳動(dòng)比為1:1。 2021-11-20圖圖4-5 TK1640強(qiáng)電回路強(qiáng)電回路2021-11-20圖圖4-6 TK1640電源回路電源回路2021-11-20圖圖4-7 TK1640交流控制回路圖交流控制回路圖2021-11-20圖圖4-8 TK1640直流控制回路圖直流控制回路圖2021-11-204.2.2 4.2.2 數(shù)控銑床的電氣控制數(shù)控銑床的電

8、氣控制 以以XK714A數(shù)控銑床為例進(jìn)行說明，數(shù)控銑床為例進(jìn)行說明，XK714A數(shù)控銑床采用數(shù)控銑床采用主軸變頻調(diào)速，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由主軸變頻調(diào)速，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由5.5kW變頻主軸電變頻主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)至動(dòng)機(jī)經(jīng)皮帶傳動(dòng)至I軸，經(jīng)三聯(lián)齒輪變速將運(yùn)動(dòng)傳至主軸軸，經(jīng)三聯(lián)齒輪變速將運(yùn)動(dòng)傳至主軸E，并得到低速、中速和高速三段范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。機(jī)床進(jìn)并得到低速、中速和高速三段范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)變速。機(jī)床進(jìn)給為三軸聯(lián)動(dòng)，換刀采用自動(dòng)松夾、手動(dòng)換刀，可滿足不給為三軸聯(lián)動(dòng)，換刀采用自動(dòng)松夾、手動(dòng)換刀，可滿足不同需要的加工。同需要的加工。XK714A數(shù)控銑床工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)為數(shù)控銑床工作臺(tái)左右運(yùn)動(dòng)為X坐標(biāo)，

9、前后運(yùn)動(dòng)為坐標(biāo)，前后運(yùn)動(dòng)為Y坐坐標(biāo)，均由標(biāo)，均由GK6062-6AF31交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶、帶輪、滾珠絲杠和螺母實(shí)現(xiàn)；主軸箱上下運(yùn)動(dòng)為形帶、帶輪、滾珠絲杠和螺母實(shí)現(xiàn)；主軸箱上下運(yùn)動(dòng)為Z坐標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)由坐標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)由GK6063-6AF31帶抱閘的交流永磁伺服電帶抱閘的交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶、帶輪、滾珠絲杠和螺母實(shí)現(xiàn)。動(dòng)機(jī)通過同步齒形帶、帶輪、滾珠絲杠和螺母實(shí)現(xiàn)。機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則由YPNC-50-5.5-A主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步帶主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)同步帶及帶輪傳至主軸。主軸電動(dòng)機(jī)為變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，及帶輪傳至主軸。主軸電動(dòng)機(jī)為變頻

10、調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)調(diào)速。由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器的輸出頻率實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)調(diào)速。 2021-11-20圖圖4-9 XK714A數(shù)控銑床動(dòng)力電路數(shù)控銑床動(dòng)力電路2021-11-20圖圖4-10 XK714A數(shù)控銑床電源控制線路數(shù)控銑床電源控制線路2021-11-20圖圖4-11 XK714A數(shù)控銑床直流控制線路數(shù)控銑床直流控制線路2021-11-20圖圖4-12 XK714A數(shù)控銑床交流控制線路數(shù)控銑床交流控制線路2021-11-20圖圖4-13 數(shù)控銑床主軸單元電氣原理圖數(shù)控銑床主軸單元電氣原理圖2021-11-204.2.3 4.2.3 典型數(shù)控機(jī)床電氣控

11、制系統(tǒng)原理圖典型數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)原理圖 2021-11-20圖圖4-14 典型數(shù)控機(jī)床典型數(shù)控機(jī)床電源供電系統(tǒng)原理圖電源供電系統(tǒng)原理圖2021-11-20圖圖4-15 數(shù)控機(jī)床伺服數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)電路電氣控制原理圖驅(qū)動(dòng)電路電氣控制原理圖2021-11-204.3 4.3 數(shù)控機(jī)床電氣控制設(shè)計(jì)示例數(shù)控機(jī)床電氣控制設(shè)計(jì)示例 4.3.1 CK6142數(shù)控車床的電氣控制要求數(shù)控車床的電氣控制要求4.3.2 CK6142數(shù)控車床的電氣控制方案數(shù)控車床的電氣控制方案 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)4.3.3 強(qiáng)電控制回路的設(shè)計(jì)強(qiáng)電控制回路的設(shè)計(jì)4.3.4 HANUC輸入輸出控制回路的連接與輸入輸出控制回路的連接與 參數(shù)設(shè)置

12、參數(shù)設(shè)置4.3.5 機(jī)床信號(hào)的連接機(jī)床信號(hào)的連接4.3.6 HANUC系統(tǒng)伺服軸接口與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服軸接口與伺服驅(qū)動(dòng) 器以及伺服電動(dòng)機(jī)的連接與參數(shù)設(shè)置器以及伺服電動(dòng)機(jī)的連接與參數(shù)設(shè)置4.3.7 HANUC系統(tǒng)與變頻器、主軸編碼器系統(tǒng)與變頻器、主軸編碼器 的連接與參數(shù)設(shè)置的連接與參數(shù)設(shè)置 2021-11-204.3.2 CK61424.3.2 CK6142數(shù)控車床的電氣控制方案設(shè)計(jì)數(shù)控車床的電氣控制方案設(shè)計(jì) 1輸入點(diǎn)數(shù)的確定根據(jù)要求，輸入信號(hào)包括四工位電動(dòng)刀架的四個(gè)到位信號(hào)和刀架鎖緊信號(hào)、根據(jù)要求，輸入信號(hào)包括四工位電動(dòng)刀架的四個(gè)到位信號(hào)和刀架鎖緊信號(hào)、急停信號(hào)、報(bào)警信號(hào)，以及主軸換擋的急停信

13、號(hào)、報(bào)警信號(hào)，以及主軸換擋的2個(gè)到位信號(hào)，一共個(gè)到位信號(hào)，一共9個(gè)輸入點(diǎn)。個(gè)輸入點(diǎn)。為了擴(kuò)展方便，預(yù)留為了擴(kuò)展方便，預(yù)留3個(gè)報(bào)警輸入點(diǎn)，所以按個(gè)報(bào)警輸入點(diǎn)，所以按12個(gè)輸入點(diǎn)計(jì)算。個(gè)輸入點(diǎn)計(jì)算。2輸出點(diǎn)數(shù)的確定根據(jù)要求，輸出信號(hào)包括主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止信號(hào)，電動(dòng)刀架的正轉(zhuǎn)和根據(jù)要求，輸出信號(hào)包括主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止信號(hào)，電動(dòng)刀架的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào)，主軸換擋的輸出信號(hào)，冷卻電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)、潤(rùn)滑油泵控制反轉(zhuǎn)信號(hào)，主軸換擋的輸出信號(hào)，冷卻電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)、潤(rùn)滑油泵控制信號(hào)，一共信號(hào)，一共9個(gè)輸出點(diǎn)。為了擴(kuò)展方便，預(yù)留個(gè)輸出點(diǎn)。為了擴(kuò)展方便，預(yù)留3個(gè)輸出點(diǎn)，所以按個(gè)輸出點(diǎn)，所以按12個(gè)輸個(gè)輸出點(diǎn)計(jì)算。

14、出點(diǎn)計(jì)算。3交流伺服電動(dòng)機(jī)的確定交流伺服電動(dòng)機(jī)采用日本交流伺服電動(dòng)機(jī)采用日本SANYO DENKI P6系列電動(dòng)機(jī)，系列電動(dòng)機(jī)，X 軸采用軸采用1.0kW的伺服電動(dòng)機(jī)的伺服電動(dòng)機(jī)P60B13100HXS00，Z軸采用軸采用1.5kW的伺服電動(dòng)機(jī)的伺服電動(dòng)機(jī)P60B13150 HXS00。由于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要提供三相。由于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要提供三相200V的電壓，所的電壓，所以必須采用專門定做的伺服變壓器：容量為以必須采用專門定做的伺服變壓器：容量為3KVA（大于（大于X軸和軸和Z軸伺服軸伺服電動(dòng)機(jī)的功率之和電動(dòng)機(jī)的功率之和2.5kW），輸入端為三相），輸入端為三相380V交流電，輸出端為三相

15、交流電，輸出端為三相200V。4控制變壓器的確定強(qiáng)電控制回路主要控制交流接觸器的通斷，采用交流強(qiáng)電控制回路主要控制交流接觸器的通斷，采用交流220V的控制電源，因的控制電源，因此需要選擇一個(gè)控制變壓器：容量為此需要選擇一個(gè)控制變壓器：容量為400VA，輸入端為交流，輸入端為交流380V，輸出，輸出端為交流端為交流220V和和36V（工作照明燈用）。（工作照明燈用）。 2021-11-205強(qiáng)電主回路的設(shè)計(jì)強(qiáng)電主回路如圖4-16所示，從電網(wǎng)上接入三相交流380V電源，實(shí)現(xiàn)到主軸電動(dòng)機(jī)、冷卻電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑電動(dòng)機(jī)等的主回路。圖圖4-16 強(qiáng)電主回路強(qiáng)電主回路 2021-11-204.3.3 4.3.3

16、 強(qiáng)電控制回路的設(shè)計(jì)強(qiáng)電控制回路的設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)采用深圳市海納科數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)采用深圳市海納科數(shù)控科技有限公司生產(chǎn)的AE-08數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)，AE-08系統(tǒng)是以嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式 PC 為平臺(tái)，率先為平臺(tái)，率先采用采用DSP運(yùn)動(dòng)控制模塊的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且具備速運(yùn)動(dòng)控制模塊的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且具備速度和加速度前饋控制，使得整機(jī)具有良好的加工精度度和加速度前饋控制，使得整機(jī)具有良好的加工精度和動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)可同時(shí)控制和動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)可同時(shí)控制4個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸，采用模個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)軸，采用模擬量電壓控制，速度指令給定電壓為擬量電壓控制，速度指令給定電壓為10V+10V，還，還可以實(shí)

17、現(xiàn)脈沖型運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)具有豐富的加工功能，可以實(shí)現(xiàn)脈沖型運(yùn)動(dòng)控制。系統(tǒng)具有豐富的加工功能，指令代碼兼容指令代碼兼容FANUC 0系統(tǒng)指令集，同時(shí)具有良好的系統(tǒng)指令集，同時(shí)具有良好的結(jié)構(gòu)性、可操作性和可擴(kuò)展性。結(jié)構(gòu)性、可操作性和可擴(kuò)展性。 2021-11-201HANUC系統(tǒng)的上電回路系統(tǒng)的上電回路如圖4-17所示，SB1為接操作面板上的“電源開”按鈕，連接其常開觸點(diǎn)， SB2為操作面板上的“電源關(guān)”按鈕，連接其常閉觸點(diǎn)。 圖圖4-17 上電回路上電回路2021-11-202交流接觸器的控制回路交流接觸器的回路連接如圖4-18所示，圖中KM表示交流接觸器線圈或觸點(diǎn)，KA表示中間直流繼電器的常開或

18、常閉觸點(diǎn)。 圖圖4-18 交流接觸器控制回路交流接觸器控制回路2021-11-204.3.4 HANUC4.3.4 HANUC輸入輸出控制回路的連接與輸入輸出控制回路的連接與參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置 1輸入控制回路的連接2輸入量參數(shù)設(shè)置3輸出控制回路的連接4輸出量參數(shù)設(shè)置2021-11-204.3.5 4.3.5 機(jī)床信號(hào)的連接機(jī)床信號(hào)的連接 圖圖4-21 機(jī)床信號(hào)的連接機(jī)床信號(hào)的連接2021-11-204.3.6 HANUC4.3.6 HANUC系統(tǒng)伺服軸接口與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服軸接口與伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電動(dòng)機(jī)的連接與參數(shù)設(shè)置器以及伺服電動(dòng)機(jī)的連接與參數(shù)設(shè)置 1伺服軸接口與伺服驅(qū)動(dòng)器以及伺服電動(dòng)機(jī)的連接2SANYO、DENKI、PY2伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置3伺服進(jìn)給軸的參數(shù)配置2021-11-204.3.7 HANUC4.3.7 HANUC系統(tǒng)與變頻器、主軸編碼器系統(tǒng)與變頻器、主軸編碼器的連接與參數(shù)設(shè)置的連接與參數(shù)設(shè)置 1主軸接口（軸4）與變頻器、主軸編碼器的連接2主軸參數(shù)配置2021-11-2