采用FANUC-0IMateTD系統(tǒng)的CK6132數(shù)控車床串行主軸控制設計

1、常州機電職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）作 者： XX 學 號： 11260314 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 數(shù)控設備應用與維護 題 目： 采用FANUC 0IMateTD系統(tǒng)的CK6132 平床身數(shù)控車床串行主軸控制設計 校內(nèi)指導教師： XXX企業(yè)指導教師： XXX評閱者： 2015 年 4 月畢業(yè)設計（論文）中文摘要數(shù)控機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)也叫主傳動系統(tǒng)是完成主運動的動力裝置部分。數(shù)控機床主軸及其控制系統(tǒng)的性能在某種程度上決定了機床的性能機器檔次。因此，在數(shù)控機床的發(fā)展過程中都引起高度的重視。主軸驅(qū)動系統(tǒng)通過該傳動機構轉變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合進給運動，加工出理

2、想的零件。在CNC中，主軸轉速通過S指令進行編程，被編程的S指令可以轉換為模擬電壓或數(shù)字量輸出，因此主軸的轉速有兩種控制方式：利用模擬量輸出進行控制（簡稱模擬主軸）和利用串行總線進行控制（簡稱串行主軸）。在本論文中，主要探討采用FANUC 0I-Mate TD系統(tǒng)的CK6132平床身數(shù)控車床串行主軸控制設計。在設計過程中，我們會涉及到一系列的參數(shù)設置、PMC程序以及硬件的選擇等。這些都會在下文有所體現(xiàn)！關鍵詞：FANUC系統(tǒng) 串行主軸 PMC程序 控制設計 目錄1 引言11.1 數(shù)控車床發(fā)展現(xiàn)狀11.2選題意義21.3數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的要求31.4 FANUC系統(tǒng)的優(yōu)點42 機床簡

3、介62.1 CK6132外觀圖62.2 CK6132車床簡介62.3 CK6132數(shù)控車床性能特點73 電氣原理的設計103.1 主軸驅(qū)動系統(tǒng)分析103.2 電氣元件選型113.3 電氣硬件連接174 PMC程序設計204.1 FANUC系統(tǒng)與可編程控制器的簡介204.2 PMC的指令214.3 PMC程序梯形圖225 參數(shù)設置275.1主軸模塊標準參數(shù)的初始化275.2主軸系統(tǒng)參數(shù)的設定275.3串行數(shù)字主軸伺服參數(shù)調(diào)整28結論31致謝32參考文獻331 引言1.1 數(shù)控車床發(fā)展現(xiàn)狀我國數(shù)控車床發(fā)展，始于20世紀70年代，通過30余年的發(fā)展，我國生產(chǎn)的數(shù)控車床，按中國需求的特色，形成經(jīng)濟型臥

4、式數(shù)控車床（平床身臥式數(shù)控車床）、普及型數(shù)控車床（斜床身數(shù)控臥式車床和數(shù)控立式車床）和中高檔數(shù)控車床（3軸控制以上）三種形式，經(jīng)濟型臥式數(shù)控車床，普遍采用平床身結構和立軸四工位方刀架，約占數(shù)控車床產(chǎn)量90%。普及型數(shù)控車床生產(chǎn)量不到數(shù)控車床產(chǎn)景的10%。中高擋數(shù)控車床，即車削中心和車銑復合中心，約占數(shù)控車床產(chǎn)量的0.02%。經(jīng)濟型數(shù)控車床，價格低廉，售價僅10萬元左右，不到普及型數(shù)控車床的1/ 3,設備費用投入較少，可以廣泛地滿足企業(yè)發(fā)展初期的需要，特別是受到民營經(jīng)濟企業(yè)的歡迎，仍是我國當前數(shù)控車床的主流產(chǎn)品。普及型數(shù)控車床，即2軸控制的臥式數(shù)控車床（斜床身和立式數(shù)控車床，國產(chǎn)產(chǎn)品得到了用戶認

5、可，基本可以滿足用戶需要。車削中心等3軸控制以上的中高檔數(shù)控車床，國內(nèi)用戶選購的大部分是進口產(chǎn)品或合資。獨資企業(yè)如大連因代克斯、寧夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等機床有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，國產(chǎn)機床市場占有率較低。近幾年，雖然我國開發(fā)了不少中高檔數(shù)控車床新品種，如具有Y 軸功能的車削中心、雙主軸雙刀架車削中心、倒置順置主軸立式車削單元、車銑復合中心等等，但是，高級型數(shù)控車床的重點是要進一步開發(fā)市場，取得國內(nèi)用戶廣泛認可。“十五”期間國產(chǎn)數(shù)控機床發(fā)展很快。從技術上看，數(shù)控車床技術比較成熟，通過技術引進和合作生產(chǎn)、消化吸收和自主創(chuàng)新，我國已掌握了數(shù)控車床設計和制造技術，從產(chǎn)品水平上看，我國已能自行開發(fā)設

6、計各種中高檔數(shù)控車床，國際上最熱門的、水平最高的雙主軸、雙刀架多軸控制車銑復合中心，我國已有多家企業(yè)開發(fā)試制并成功，有的已被國內(nèi)用戶選購和出口國外。從品種上看，我國生產(chǎn)的數(shù)控車床品種比較齊全，每年都有100多個數(shù)控車床新品種，可供各方面用戶選用。從生產(chǎn)規(guī)模上看，國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床已形成規(guī)模生產(chǎn)，有十余家企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模達到年產(chǎn)千臺以上。我國數(shù)控車床的總體水平與國外先進水平差距不大。為進一步提高國產(chǎn)數(shù)控車床國際競爭力和國產(chǎn)數(shù)控車床國內(nèi)市場占有率，建議：（1）經(jīng)濟型數(shù)控車床是特定時期需求的產(chǎn)物，對于發(fā)展中國家工業(yè)重工化階段的初期，經(jīng)濟型數(shù)控車床具有較優(yōu)越的性價比，設備投資較低，受到企業(yè)，特別是民營企業(yè)

7、技術改造設備選型的歡迎，但是，經(jīng)濟型數(shù)控車床與國外廣泛采用的普及型數(shù)控車床相比，技術含量較低，由于是大多數(shù)采用立式4工位刀架，定位精度低。刀具數(shù)少，加工范圍較窄，加工精度較低，有一定的使用局限性。目前，我國生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床的企業(yè)已超過50余家，全國年產(chǎn)量已超過30000臺以上，已達到相當?shù)囊?guī)模。所以，生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床的企業(yè)要密切注意市場需求變化的走勢，及時調(diào)整產(chǎn)品結構。（2）國產(chǎn)普及型數(shù)控車床和車削中心受到國外跨國機床公司的產(chǎn)品和其在國內(nèi)合資企業(yè)和獨資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品雙重挑戰(zhàn)，在產(chǎn)品技術，月產(chǎn)量，規(guī)模上不及外國公司、合資企業(yè)。因而，當前首先要加速普及型數(shù)控車床產(chǎn)業(yè)化程度，通過制造技術和管理技

8、術的提升，提高國產(chǎn)數(shù)控車床的性價比和質(zhì)量穩(wěn)定性，縮短交貨期，爭取更多的國內(nèi)市場份額。（3）采取多種措施，積極開發(fā)已試制成功的中高檔數(shù)控車床國內(nèi)市場，突破一點，在用戶生產(chǎn)使用中不斷改進和完善，以點帶面，逐步取得用戶認可。（4）積極開發(fā)國內(nèi)汽車、航空航天、船舶、軍工和高新技術行業(yè)急需的，國內(nèi)又處于空白的高速高效、高精度、大功率高轉矩的數(shù)控車床新品種。1.2 選題意義 在數(shù)控機床中，主軸是機床里的一個非常重要的部分，對于它的控制的好壞一定程度上反應一個機床的控制柔性的程度。主軸驅(qū)動系統(tǒng)控制數(shù)控車床主軸的旋轉運動，為車床主軸提供驅(qū)動功率以及所需的切削力。目前在數(shù)控車床中，主軸驅(qū)動常使用交流電動機，直流

9、電動機已逐漸被淘汰，由于受永磁體的限制，交流同步電動機功率做得很大時，電動機成本太高。因此目前在數(shù)控機床的主軸驅(qū)動中，均采用籠型異步電動機。為了獲得良好的主軸特性，設計中采用矢量變頻控制的交流主軸電動機，矢量控制分無速度傳感器和有速度傳感器兩種方式，后者具有更高的速度控制精度，在數(shù)控車床中無速度傳感器的矢量變頻器已符合控制要求。近年來，PLC在工業(yè)自動控制領域應用愈來愈廣，它在控制性能、組機周期和硬件成本等方面所表現(xiàn)出的綜合優(yōu)勢是其它工控產(chǎn)品難以比擬的。隨著PLC技術的發(fā)展，它在位置控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理等方面的應用也越來越多。論文以CK6132數(shù)控車床為研究對象，結合所學知識參考數(shù)控設備應

10、用與維護綜合實訓，論文主要研究了CK6132數(shù)控車床的主軸控制系統(tǒng)、電氣原理設計，PMC程序的設計等內(nèi)容。 1.3 數(shù)控機床對主軸系統(tǒng)的要求主軸驅(qū)動系統(tǒng)也叫主傳動系統(tǒng)，是在系統(tǒng)中完成主運動的動力裝置部分。主軸驅(qū)動系統(tǒng)通過該傳動機構轉變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合進給運動，加工出理想的零件。它是零件加工的成型運動之一，它的精度對零件的加工精度有較大的影響。機床的主軸驅(qū)動和進給驅(qū)動有較大的差別。機床主軸的工作運動通常是旋轉運動，不像進給驅(qū)動需要絲杠或其它直線運動裝置作往復運動。數(shù)控機床通常通過主軸的回轉與進給軸的進給實現(xiàn)刀具與工件的快速的相對切削運動。在20紀6070年代，數(shù)

11、控機床的主軸一般采用三相感應電動機配上多級齒輪變速箱實現(xiàn)有級變速的驅(qū)動方式。隨著刀具技術、生產(chǎn)技術、加工工藝以及生產(chǎn)效率的不斷發(fā)展，上述傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動已不能滿足生產(chǎn)的需要?，F(xiàn)代數(shù)控機床對主軸傳動提出了更高的要求:（1）調(diào)速范圍寬并實現(xiàn)無極調(diào)速為保證加工時選用合適的切削用量，以獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。特別對于具有自動換刀功能的數(shù)控加工中心，為適應各種刀具、工序和各種材料的加工要求，對主軸的調(diào)速范圍要求更高，要求主軸能在較寬的轉速范圍內(nèi)根椐數(shù)控系統(tǒng)的指令自動實現(xiàn)無級調(diào)速，并減少中間傳動環(huán)節(jié)，簡化主軸箱。目前主軸驅(qū)動裝置的恒轉矩調(diào)速范圍已可達1：100,恒功率調(diào)速范圍也可達1: 30，

12、般過載1.5倍時可持續(xù)工作達到30min。主軸變速分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式，其中有級變速僅用 于經(jīng)濟型數(shù)控機床，大多數(shù)數(shù)控機床均采用無級變速或分段無級變速。在無級變速中，變頻調(diào)速主軸一般用于普及型數(shù)控機床，交流伺服主軸則用于中、高檔數(shù)控機床。（2）恒功率范圍要寬主軸在全速范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內(nèi)提供主軸電動 機的扱大功率。由于主軸電動機與驅(qū)動裝置的限制，主軸在低速段均為恒轉矩輸出。為滿足數(shù)控機床低速、強力切削的需要。常采用分級無級變速的方法（即在低速段采用機械減速裝置），以擴大輸出轉矩。（3）具有四象限驅(qū)動能力要求主軸在正、反向轉動時均可進行自動加、

13、減速控制，并且加、減速時間要短。 目前一般伺服主軸可以在1秒內(nèi)從靜止加速到6000r/min。（4）具有位置控制能力即進給功能（C軸功能）和定向功能（準停功能），以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及車削中心的某些加工工藝的需耍。（5）具有較高的精度與剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關。為了提高傳動件的制造精度與剛度，采用齒輪傳動時齒輪齒面應采用高頻感應加熱淬火工藝以增加耐磨性。最后一級一般用斜齒輪傳動，使傳動平穩(wěn)。采用帶傳動時應采用齒型帶。應采用精度高的軸承合理的支撐跨距，以提高主軸的組件的剛性。在結構允許的條件下，應適當增加齒輪寬度，提高齒輪的重

14、疊系數(shù)。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動，采用內(nèi)徑定心。1.4 FANUC 系統(tǒng)的優(yōu)點FANUC 0i-Mate TD數(shù)控系統(tǒng)是具有納米插補的高可靠性、高性能價格比的CNC，最多可同時控制3個軸，1個主軸。8.4英寸彩色液晶顯示屏，方便存儲卡的編輯操作，強有力支持系統(tǒng)初始化設定，可以很方便地選擇各種設定和調(diào)整畫面。初始化參數(shù)設定操作更加簡單，安全的加工程序檢查功能，高性價比的一體型的伺服放大器。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）有較完善的保護措施。FANUC對自身的系統(tǒng)采用比較好的保護電路。（2）FANUC系統(tǒng)所配置的系統(tǒng)軟件具有比較齊全的基本功能和選項功能。對于一般的機床來說，基本功能完全能滿足使用

15、要求。（3）提供大量豐富的PMC信號和PMC功能指令。這些豐富的信號和編程指令便于用戶編制機床的PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。（4）具有很強的DNC功能。系統(tǒng)提供串行RS232C傳輸接口，使通用計算機PC和機床之間的數(shù)據(jù)傳輸能方便、可靠地進行，從而實現(xiàn)高速的DNC操作。（5）提供豐富的維修報警和診斷功能。FANUC維修手冊為用戶提供了大量的報警信總，并且以不同的類別進行分類。PLC采用存儲邏輯，其控制邏輯是以程序方式存儲在內(nèi)存中，要改變控制邏輯，只需改變程序即可。PLC是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，速度快， 微秒級，嚴格同步，無抖動。時間繼電器定時精度不高，受環(huán)境影響大。PL

16、C的特點：1.編程方法簡單易學。2.功能強，性能價格比高。3.硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。4.可靠性高，抗干擾能力強。5.系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少。6.維修工作量少，維修方便。7.體積小，能耗低。2 機床簡介2.1 CK6132機床外觀圖圖2-1 CK6132機床外觀圖2.2 CK6132數(shù)控車床簡介CK6132數(shù)控車床采用廣州數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)機床的兩軸控制，配有四工位電動刀架或排式刀架，以滿足不同用戶的需要；可開閉的防護門，確保操作者的安全；機床外觀設計新穎，面板操作方便。能自動完成內(nèi)、外圓柱面、任意圓錐面、圓弧面及公英制螺紋等各種車削加工，適用于多品種、中小批量產(chǎn)品的加工，對于

17、形狀復雜、高精度零件的加工更能顯示其優(yōu)越性。CK6132型精密數(shù)控車床主要運用于內(nèi)外徑、端面、錐面、弧面和螺紋等高效精密加工，刀具安裝為立式四工位電動刀架，也可以采用排刀座形式，標準型可安置6-8把刀架，也可按用戶需要選用六工位電動刀架。機床系統(tǒng)采用廣州數(shù)控GSK980TA數(shù)控系統(tǒng)，也可按客戶要求配置進口系統(tǒng)；主軸采用專用交流變頻電機調(diào)速度，調(diào)速范圍大，可實現(xiàn)恒線速切削。機床采用加寬平床身，三角導軌采用寬大型導軌超音頻淬火，床鞍貼塑提高精密，延長機床壽命。（1）CK6132車床機械結構組成a)主傳動系統(tǒng)：實現(xiàn)主運動；b)進給系統(tǒng)：實現(xiàn)進給運動；c)機床基礎部件：床身、底座、立柱等，支撐機床本體

18、；d)輔助裝置：液壓、氣動、潤滑、冷卻、防護、排屑等裝置，實現(xiàn)某些動作和輔助功能；e)實現(xiàn)工件回轉、分度定位的裝置，如回轉工作臺；f)刀庫、刀架和自動換刀裝置（ATC）；g)自動托盤交換裝置（APC）；h)特殊功能裝置，如刀具破損檢測、精度檢測、監(jiān)控裝置等。（2）車床切削用量的選擇根據(jù)加工工藝的要求合理的選擇切削用量，是確定機床參數(shù)的基本依據(jù)。切削用量包括三要素為切削速度、進給量、背吃刀量。因此在選擇切削用量的時候，應該要考慮到以下幾個方面的關系：a）切削加工生產(chǎn)率在切削加工中，材料的切除率與切削用量三要素切削速度、進給量、背吃刀量均保持線性關系，其中任一參數(shù)增大，都可使生產(chǎn)率提高。但由于刀具

19、壽命的制約，當任一參數(shù)增大時，其它兩參數(shù)必須減小。因此，在指定切削用量時，使三要素獲得最佳組合，此時的高生產(chǎn)率才是合理的。 b）刀具壽命切削用量三要素對刀具壽命影響的大小，按順序為切削速度、進給量、背吃刀量。因此，從保證合理的刀具壽命出發(fā)，在確定切削用量時，應先采用盡可能大的背吃刀量；然后再選用大的進給量；最后按照確定的刀具壽命公式求出切削速度。對于專用機床來說，為了保證刀具的使用壽命，切削用量不宜過大。 c）加工表面粗糙度對于粗加工，在切削力和刀片大小允許時，首先應進可能的加大背吃刀量，相應的降低進給量、切削速度，使粗糙的毛坯表面在一次吃刀中切除。在機床、工件、刀具和刀具夾持剛度等

20、允許時，粗加工也可以盡可能提高進給量，并適當降低切削速度；對于精加工，增大進給量將增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工時抑制生產(chǎn)率提高的主要因素。 2.3 CK6132數(shù)控車床性能特點（1）機床采用傳統(tǒng)的臥式車床布局，整體設計，密封性好，符合安全標準。床身、床鞍等主要基礎基礎件均采用耐磨鑄鐵鑄造，人工實效處理，整機穩(wěn)定優(yōu)越。（2）機床縱、橫向運動采用伺服電機、精密滾珠絲桿副、高剛性精密復合軸承傳動、脈沖編碼器位置檢測的半閉環(huán)CNC控制系統(tǒng)。機床導軌采用超音頻淬火加粘塑工藝，各運動軸響應快、精度高、壽命長。（3）機床功能齊全、操作簡便、精度穩(wěn)定、工作可靠。（4）機床的床頭箱結構簡單合

21、理、品種多、針對性強。主軸系統(tǒng)的前后支架采用高精度軸承，具有轉速高、剛性強、精度高、熱變形小、運轉平穩(wěn)、噪音低的顯著特點。（5）機床采用先進的集中潤滑方式、定時、定量自動間歇式潤滑泵潤滑，工作穩(wěn)定可靠滿足清潔生產(chǎn)的環(huán)保要求，機床采用的半防護、全防護裝置，美觀、獨特、防削，維護方便。（6）機床標準配置采用國內(nèi)名牌的立式四工位刀臺。特殊配置可選用臥式六工位刀臺。（7）機床可根據(jù)用戶要求配置手動、液壓卡盤。表2-1 CK6132參數(shù)表項 目單位CK6132加工范圍床身上最大回轉直徑mm380床鞍上最大回轉直徑mm180最大加工直徑 / 長度mm320/260機床頂尖距mm410主軸主軸通孔直徑mm4

22、1主軸頭型式A 2 - 5主軸內(nèi)孔錐度MT No.5主軸鼻端尺寸mm82.563主軸轉速r/min100 3000卡盤直徑mm165主軸電機功率Kw4行程X/Z軸行程mm205/280X/Z軸快移速度m/min8/10X/Z軸電機功率Kw1.2/1.6X/Z軸電機扭矩Nm4/6刀架刀架型式立式刀位數(shù)4刀具尺寸mm20x20尾座套筒直徑 / 行程mm52/100套筒內(nèi)孔錐度MT No.43 電氣原理設計3.1 主軸驅(qū)動分析(1) 數(shù)控機床對主軸驅(qū)動系統(tǒng)的要求隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的主軸驅(qū)動已不能滿足數(shù)控技術的需要。現(xiàn)代數(shù)控機床對主軸傳動系統(tǒng)提出了更高的要求，具體要求為：a）對功率的要求。要

23、求主軸電動機有2.2250 Kw的功率范圍，既要能輸出大的功率，又要求主軸結構簡單。b）寬調(diào)速范圍。數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)要求在1:(1001000)范圍內(nèi)進行恒轉矩和1:10的恒功率調(diào)速，而且要求主軸在正、反向轉動時，均可進行加減速控制，即要求具有四象限驅(qū)動能力。c）定位準停功能。為了使數(shù)控車床具有螺紋切削功能，要求主軸能與進給驅(qū)動實行同步控制；在加工中心上，為了自動換刀，還要求主軸具有高精度的準停功能。為了實現(xiàn)上述要求，在早期的數(shù)控機床上，多采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)，但由于直流電動機的換向限制，大多數(shù)系統(tǒng)恒功率調(diào)速范圍都很小，且直流電動機結構復雜，壽命短、維修量大。因此，隨著大功率電力電子元件和

24、變頻技術的發(fā)展，現(xiàn)在的數(shù)控機床上大多使用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。當前,世界上高速加工數(shù)控機床異軍突起，電主軸應運而生。在今后一個時期內(nèi)，電主軸將是數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。(2) 串行主軸與模擬主軸的區(qū)別主軸控制在CNC 中，主軸轉速通過S指令進行編程，被編程的S指令可以轉換為模擬電壓或數(shù)字量輸出，因此主軸的轉速有兩種控制方式：利用模擬量輸出進行控制（簡稱模擬主軸）和利用串行總線進行控制（簡稱串行主軸）。模擬主軸控制通過CNC內(nèi)部附加的 D/A 轉換器，自動將S指令轉換為-10V+10 V 的模擬電壓。CNC所輸出的模擬電壓可通過主軸速度控制單元實現(xiàn)主軸的閉環(huán)速度控制，在調(diào)速精度要求不高的

25、場合，也可以使用通用變頻器等簡單的開環(huán)調(diào)速裝置進行控制。主軸驅(qū)動裝置總是嚴格保證速度給定輸入與電機輸出轉速之間的對應關系。如：當速度給定輸入10V時，如果電機轉速為6000r/min，則在輸入5 V 時，電機轉速必3000r/min。模擬主軸與串行主軸的區(qū)別見下表：表3-1 模擬主軸與串行主軸的區(qū)別項目主軸模擬量控制串行主軸控制主軸轉速輸出-10V+10V的模擬量通過串行通信傳輸?shù)膬?nèi)部數(shù)字信號主軸驅(qū)動裝置模擬量控制的主軸驅(qū)動單元(如變頻器）數(shù)控系統(tǒng)專用的主軸驅(qū)動裝置主軸電動機普通的三相異步電動機或者變頻電動機數(shù)控系統(tǒng)專用的主軸伺服電動機主軸參數(shù)設定在主軸驅(qū)動裝置上設定與調(diào)整在CNC上設定與調(diào)整

26、，并利用串行總線自動傳送到主軸驅(qū)動裝置中主軸位置檢測連接直接由編碼器連接到CNC從編碼器到主軸驅(qū)動裝置，再由主軸驅(qū)動裝置到CNC主軸正、反轉啟動與停止控制利用主軸驅(qū)動裝置上的外部接點輸入信號進行控制利用CNC和PMC之間的內(nèi)部 信號進行控制3.2 電氣元件選型(1) 主軸伺服電機的選擇伺服的基本概念是準確、精確、快速定位。伺服電機的構造與普通電機是有區(qū)別的，要滿足快速響應和定位。數(shù)控機床對伺服電機的要求主要為：機械特性剛性好。要求伺服電機的速降小、剛度大，即在外部干擾力（切削力、重力等外力）作用下，這些力從工作部件傳到電機軸上產(chǎn)生的轉角位置變化小。a）快速響應。這在輪廓加工，特別對曲率大加工對

27、象進行高速加工時要求較嚴格。b）調(diào)速范圍寬。這可以使數(shù)控機床適用于各種不同的刀具、加工材質(zhì)，適應于各種不同的工藝內(nèi)容。c）低速大轉矩，并要求一定的過載轉矩。機床進給機械負載的性質(zhì)主要是克服工作臺的摩擦力和切削力，因此主要是“恒轉矩”的性質(zhì)。原則上應根據(jù)負載來選擇伺服電機。電機軸上的負載有兩種，即阻尼轉矩和慣量負載，這兩種負載都要正確地計算，其值應滿足下列條件：a) 當機床作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在伺服電機軸上的負載轉矩應在電機連續(xù)額定轉矩范圍內(nèi)，即在轉矩轉速特性曲線的連續(xù)工作區(qū)。b) 最大負載轉矩、負載周期以及過載實驗都在提供的特性曲線的準許范圍內(nèi)。c) 電機在轉/減速過程中的轉矩應

28、在加減速區(qū)（或短時間工作區(qū)）之內(nèi)。d) 對要求頻繁啟動、制動以及周期性變化的負載，必須檢查它在一個周期中的轉矩均方根值，它應小于電機的連續(xù)額定轉矩。e) 加在電機軸上的負載慣量大小對電機的靈敏度和整個伺服系統(tǒng)的精度將產(chǎn)生影響。慣量即物體轉動時的慣性，與物體的質(zhì)量、直徑有關。通常，當負載慣量小于電機轉子慣量時，上述影響不大。但當負載慣量達到甚至超過轉子慣量的5倍時，會使靈敏度和響應時間受到很大的影響，甚至會使伺服放大器不能再正常調(diào)節(jié)范圍內(nèi)工作，所以對這類慣量應避免使用。下圖為FANUC is 3/5000伺服電動機： 伺服電機系列名稱i 系列號s 電機類型（s：強磁材料）3/ 失速轉矩 （Nm）

29、5000 最高轉速 （r/min）圖3-1 FANUC is 3/5000伺服電動機(2) 伺服放大器的選擇FANUC i SVPM 伺服放大器是多伺服軸/主軸一體型的伺服驅(qū)動裝置，其基本規(guī)格以i SVPM3-15伺服放大器為例，規(guī)格如下：電源電壓：3，200V240V，-15%+10%電源頻率：50/60Hz主回路電源容量：22kVA控制回路電源容量：DC24V，-10%+10%，1.5A輸入電流：64A額定輸出電流：L軸13A；M軸13A；N軸13A如圖3-1所示：圖3-2 i SVPM3-15伺服放大器(3) 熔斷器的選擇熔斷器是一種簡單有效的保護電器。在電路中主要起短路保護作用，選擇熔

30、斷器時主要是選擇熔斷器的類型、額定電壓、額定電流及熔體的額定電流。熔斷器的類型應根據(jù)線路要求和安裝條件來選擇。熔斷器的額定電壓應大于或等于線路的工作電壓。熔斷器的額定電流應大于或等于熔體的額定電流。熔體額定電流的選擇是熔斷器選擇的核心，其選擇方法如下：對于如照明線路等沒有沖擊電流的負載，應使熔體的額定電流大于或稍大于電路電流，即 Ifu I電路 式（1） 式（1）中，Ifu為熔體的額定電流；I電路為電路的工作電流對與電動機一類的負載，應考慮啟動沖擊電流的影響，按下式計算： Ifu 1.52.5IN 式（2） 式（2）中，IN為電動機的額定電流。 對于多臺電動機，如果由一個熔斷器保護，則熔體的額

31、定電流應按下式計算： Ifu （1.52.5）INmax + IN 式（3）式（3）中，INmax為容量最大的一臺電動機的額定電流；IN為其余電動機額定電流總和。 (4) 接觸器的選擇接觸器是一種用來頻繁地接通和分斷帶有負載的主電路的自動控制電器。接觸器由電磁機構、觸點系統(tǒng)、滅弧裝置及其他部件四部分組成。其中電磁機構由線圈、動鐵心和靜鐵心組成；觸點系統(tǒng)包括三對觸點、輔助觸點。工作原理是當線圈通電后，鐵心產(chǎn)生電磁吸力將銜鐵吸合。銜鐵帶動觸點系統(tǒng)動作，使常閉觸點斷開，常開觸點閉合。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在反作用彈簧力的作用下釋放，觸電系統(tǒng)隨之復位。選擇交流接觸器時主要考慮主觸點的額定電壓

32、、額定電流、輔助觸點的數(shù)量與種類、吸引線圈的電壓等級、操作頻率等。CJ20系列交流接觸器主要技術參數(shù)如表3-1所示：表3-2 CJ20系列交流接觸器主要技術參數(shù)型號頻率/Hz輔助觸點額定電流/A吸引線圈電壓/V主觸點額定電流/A額定電壓/N可控制電動機最大功率/KWCJ20-1050536、127220、38010380/2204/2.2CJ20-1616380/2207.5/4.5CJ20-2525380/22011/5.5CJ20-4040380/22022/11CJ20-6363380/22030/18CJ20-100100380/22050/28CJ20-160160380/22085

33、/48CJ20-250250380/220132/80CJ20-400400380/220220/115(5) 繼電器的選擇繼電器是一種根據(jù)電量參數(shù)（電壓、電流）或非電量參數(shù)（時間、溫度、壓力等）的變化自動接通或斷開控制電路，以完成控制或保護任務的電器。繼電器用途廣泛，種類繁多。按反應的參數(shù)可分為電流繼電器、電壓繼電器、時間繼電器、熱繼電器和速度繼電器等；按動作原理可分為電磁式、電動式、電子式等。表3-3 JZ7系列繼電器的主要技術數(shù)據(jù)型號觸點額定電壓/V觸點額定電流/A觸點對數(shù)吸引線圈電壓/V額定操作頻率/（次/h）常開常閉JZ7-44500544交流50Hz時12、36、127、220、3

34、801200JZ7-6262JZ7-80810(6) 低壓斷路器的選擇低壓斷路器通常稱為自動開關或空氣開關，具有控制電器和保護電器的復合功能，可用于數(shù)控機床主電路及分支電路的通斷控制。當電路發(fā)生短路、過載或欠壓等故障時能自動分斷。在正常情況下也可用做不頻繁地直接接通和斷開電動機控制電路。低壓斷路器種類繁多，按其用途和結構特點分為DW型框架式（或稱萬能式）斷路器、DZ型塑料外殼式（或稱裝置式）斷路器、DS型直流快速斷路器和DWX型/DWZ型限流式斷路器等?？蚣苁綌嗦菲饕?guī)格、體積都比較大些，主要用做配電線路的保護開關，而塑料外殼式斷路器相對較小，除用作配電線路的保護開關外，還可用做電動機、照明電路

35、及電熱電路的控制，因此數(shù)控機床主要使用塑料外殼式斷路器。目前數(shù)控機床常用的有DZ5、DZ20、DZX19、DZ108和C45N等系列產(chǎn)品。其中DZ5斷路器具有體積小、分斷能力高、限流性好、操作輕便、型號規(guī)格齊全、可以方便地在單級結構基礎上組合成二級、三級、四級斷路器的優(yōu)點，廣泛使用在60A及以下的支路中。以DZ5系列斷路器為例其主要技術數(shù)據(jù)見表3-3。表3-4 DZ5系列低壓斷路器主要技術參數(shù)型號額定電壓/V額定電流/A極數(shù)脫扣器類別熱脫扣器額定電流/A電磁脫扣器瞬時動作整定值/ADZ5-20/200交流380202無脫扣器DZ5-20/3003DZ5-20/2102熱脫扣器0.15（0.1-

36、0.3）0.2（0.15-0.2）為熱脫扣器額定電流的8-12倍DZ5-20/3103DZ5-20/220直流2202電磁脫扣0.3（0.2-0.3）0.45（0.3-0.45）1（0.65-1）1.5（1-1.5）3（2-3）4.5（3-4.5）10（6.5-10）15（10-15）為熱脫扣器額定電流的8-12倍DZ5-20/3203DZ5-20/2302復式脫扣DZ5-20/3303(7) 其他元氣件的選擇a）直流穩(wěn)壓電源的選擇直流穩(wěn)壓電源的功能是將非穩(wěn)定交流電源變成穩(wěn)定直流電源。在數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)中，需要穩(wěn)壓電源給驅(qū)動器、控制單元、直流繼電器及信號指示燈等提供直流電源。在數(shù)控機床中主

37、要使用開關電源。直流穩(wěn)壓電源的功率為100W。b）按鈕的選擇根據(jù)需要的觸電數(shù)目，動作要求，使用場合及顏色等進行按鈕的選擇。一般用紅色表示停止，綠色表示啟動。3.3 電氣硬件連接（1）對于i 系列的伺服放大器，帶主軸的放大器SPVM是一體型放大器，連接如下圖所示。注意a) 24V電源連接CXA2C(A1-24V,A2-0V)。b)TB3(SVPSM的右下面)不要接線。c)上部的兩個冷卻風扇要自己接外部200V電源。d)三個（或兩個）伺服電機的動力線放大器端的插頭盒是有區(qū)別的，CZ2L（第一軸）, CZ2M（第二軸）, CZ2N（第三軸）分別對應為XX，XY，YY，一般FANUC公司提供的動力線，

38、都是將插頭盒單獨放置，用戶自己根據(jù)實際情況裝入，所以在裝入時要注意一一對應。圖3-3 i 系列的伺服放大器連接圖（2）上述圖中的TB2和TB1不要搞錯，TB2（左側）為主軸電機動力線，而TB（右端）為三相200V輸入端，TB3為備用（主回路直流側端子）。一般不要連接線。如果將TB1和TB2接反，則測量TB3電壓正常（約直流300V），但系統(tǒng)會出現(xiàn)401報警。其中，CX38，CX38 是連接斷電保護回路，一般不用連接。（3）伺服電機動力線和反饋線都帶有屏蔽，一定要將屏蔽做接地處理，并且信號線和動力線要分開接地，以免由于干擾產(chǎn)生報警。如下所示：圖3-4 伺服電機動力線和反饋線連接圖4 PMC程序設

39、計4.1 FANUC系統(tǒng)與可編程控制器的簡介FANUC系統(tǒng)是日本富士通公司的產(chǎn)品，通常其中文譯名為發(fā)那科。FANUC系統(tǒng)進入中國市場有非常悠久的歷史，有多種型號的產(chǎn)品在使用，使用較為廣泛的產(chǎn)品有FANUC0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在這些型號中，使用最為廣泛的是FANUC0系列。系統(tǒng)在設計中大量采用模塊化結構。這種結構易于拆裝、各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。FANUC系統(tǒng)設計了比較健全的自我保護電路。PMC信號和PMC功能指令極為豐富，便于工具機廠商編制PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。系統(tǒng)提供串行RS232C接口，以太網(wǎng)接口，能夠

40、完成PC和機床之間的數(shù)據(jù)傳輸。FANUC系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作界面友好，系統(tǒng)各系列總體結構非常的類似，具有基本統(tǒng)一的操作界面。FANUC系統(tǒng)可以在較為寬泛的環(huán)境中使用，對于電壓、溫度等外界條件的要求不是特別高，因此適應性很強。鑒于前述的特點，F(xiàn)ANLIC系統(tǒng)擁有廣泛的客戶，使用該系統(tǒng)的操作員隊伍十分龐大。PLC (Programmable Logic Controller)可編程邏輯控制器，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC主要由C

41、PU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。PLC的工作原理是用觸點和線圈實現(xiàn)邏輯運算。FANUC數(shù)控系統(tǒng)將PLC記為PMC,稱作可編程機床控制器，即專門用于控制機床的 PLC。目前FANUC系統(tǒng)中的PLC均為內(nèi)裝型PMC。CNC側包括CNC的硬件和軟件；MT側包括機床機械部分、機床輔助裝置、機床操縱臺、機床強電電路等。PMC處于CNC側和MT側之間，對CNC側和MT側的輸入、輸出信號進行處理。PMC、CNC側和MT側三者之間的信息交換包換如下4部分：MT側至PMC；PMC至MT側；CNC至PMC；PMC至CNC側。PMC地址的規(guī)定如下：X：由機床至PMC的輸入信號（MTPLC）Y：由PMC至機

42、床的輸出信號（PMCMT）F：由CNC至PLC的輸入信號（CNCPLC）G：由PMC至CNC的輸出信號（PMCCNC）R：內(nèi)部繼電器D：非易失性存儲器4.2 PMC的指令PMC的指令有兩種：基本指令和功能指令兩種指令。在設計順序程序時，使用最多的是基本指令。由于數(shù)控機床執(zhí)行執(zhí)行順序邏輯往往較為復雜，僅使用基本指令編程會十分困難或規(guī)模龐大，因此必須借助功能指令以簡化程序。PMC的基本指令、功能指令見表4-1,4-2。表4-1 PMC指令表NO.指令處理內(nèi)容1RD讀出指定信號狀態(tài)，在一個梯級開始的觸點是常開觸點時使用2RD.NOT讀出指定信號的“非”狀態(tài)，在一個梯級開始的觸點是常閉觸點時使用3WR

43、T將運算結果寫入到指定的地址4WRT.NOT將運算結果的“非”狀態(tài)寫入到指定的地址5AND執(zhí)行觸點邏輯“與”操作6AND.NOT以指定信號的“非”狀態(tài)進行邏輯“與”操作7OR執(zhí)行觸點邏輯“或”操作8OR.NOT以指定信號的“非”狀態(tài)進行邏輯“或”操作9RD.STK電路塊的起始讀信號，指定信號的觸點是常開觸點使用10RD.NOT.STK電路塊的起始讀信號，指定信號的觸點是常閉觸點使用11AND.STK電路塊的邏輯“與”操作12OR.STK電路塊的邏輯“或”操作表4-1 PMC功能指令表序號指令助記符指令代碼處理內(nèi)容1END1SUB1第一級程序結束2END2SUB2第二級程序結束3TMRBSUB2

44、4固定定時器處理4DECBSUB25二進制譯碼5CODBSUB27二進制代碼轉換4.3 PMC程序梯形圖（1）梯形圖（LAD）是在繼電器控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展出來的一種圖形語言，在形式上類似于繼電器控制電路。FANUC PMC的梯形圖見圖4-3-1。 圖4-3-1 FANUC梯形圖梯形圖編程語言的特點：梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列，兩側的垂直 公共線稱為母線；梯形圖中的繼電器室PMC內(nèi)部的編程元件；在梯形圖中有一個假想的電流，稱為能流，從左到右；PMC按編號來區(qū)別編程元件。PLC程序信號地址表見表4-3。表4-3 PLC程序信號地址表序號信號地址信號名稱1X8.4急停開關2X10.0主軸正

45、傳開關3X10.1主軸停止開關4F1.1復位開關5X10.2主軸反轉開關6Y0.0主軸正轉線圈7Y5.3主軸正轉指示燈8Y0.1主軸反轉線圈9Y5.7主軸反轉指示燈10F7.0M代碼選通11F1.3分配完成信號（2）主軸手動正轉PMC圖4-1 主軸電機正轉PMC程序在JOG模式下，系統(tǒng)檢測到JOG進給信號，內(nèi)部繼電器R0.2觸點閉合。這時按下正轉按鈕，X10.0接通，內(nèi)部繼電器R102.0接通，其常開觸點閉合。導通R102.1，使其觸點閉合，在卡盤夾緊的狀態(tài)下R36.0觸點閉合，形成自鎖。Y0.0接通，電機正轉，燈Y5.3亮。（3）主軸手動反轉轉PMC圖4-2 主軸電機反轉PMC程序在JOG模

46、式下，系統(tǒng)檢測到JOG進給信號，內(nèi)部繼電器R0.2觸點閉合。這時按下正轉按鈕，X10.0接通，內(nèi)部繼電器R104.0接通，其常開觸點閉合。導通R104.1，使其觸點閉合，在卡盤夾緊的狀態(tài)下R36.0觸點閉合，形成自鎖。Y0.1接通，電機正轉，燈Y5.7亮。（4）M代碼的處理圖4-3 M代碼處理PMC程序F7.0為M代碼選通、F1.3分配完成信號，當這兩個接通時，對F10F13的4字節(jié)進行譯碼，當譯出結果在07的范圍內(nèi)時，與R100對應的位為“1”。結果為0時 R100 #0 變“1”結果為1時 R100 #1 變“1”結果為2時 R100 #2 變“1”結果為3時 R100 #3 變“1”結果

47、為4時 R100 #4 變“1”結果為5時 R100 #5 變“1”結果為6時 R100 #6 變“1”結果為7時 R100 #7 變“1”表4-4 譯碼結果表譯出的R地址選通的M代碼譯出的R地址選通的M代碼R100.0M00R100.4M04R100.1M01R100.5M05R100.2M02R100.6R100.3M03R100.7（5）主軸高低速檔的處理圖4-4 主軸高低速檔的處理PMC程序5 參數(shù)設置5.1 主軸模塊標準參數(shù)的初始化主軸模塊標準參數(shù)的初始化，就是將主軸的設定參數(shù)按 FANUC標準主軸電動機型號進行重新覆蓋。對于FANUC系統(tǒng)，主軸模塊標準參數(shù)初始化的步驟如下：（1）系

48、統(tǒng)急停狀態(tài)，打開電源。（2）將主軸電動機型號的代碼設定在系統(tǒng)串行主軸電動機代碼參No.4133中。（3）將自動設定串行數(shù)字主軸標準值的參數(shù)4019#7 (LDSP) 置為“1”。（4）將電源關斷，再打開，主軸標準參數(shù)被寫入。5.2 主軸系統(tǒng)參數(shù)的設定（1）串行數(shù)字主軸控制功能選擇參數(shù)及串行主軸個數(shù)選擇參數(shù) 0iC系統(tǒng)串行主軸控制功能選擇參數(shù)為3701#1, “1”為模擬量控制主軸，“0”為串行數(shù)字控制主軸；串行數(shù)字主軸個數(shù)選擇參數(shù)為3701#4，“0”為 1 個，“1”為 2個。（2）主軸位置編碼器控制功能選用參數(shù) 0iC系統(tǒng)串行主軸位置編碼器控制功能選用參數(shù)為4001#2，“0為不用，“1”

49、為使用主軸位置編碼器。（3）主軸與位置編碼器的傳動比參數(shù) 0iC系統(tǒng)主軸與位置編碼器傳動比參數(shù)為3706#0、3706#1 (二進制代碼組合設定，分別為1: 1、1: 2、1: 4和1: 8)，通常設定為“00”，即為1: 1。（4）主軸速度到達檢測功能參數(shù)0i C系統(tǒng)主軸速度到達檢測功能參數(shù)為3708#0，“0”為不檢測 主軸到達速度，“1”為檢測主軸到達速度。如果設定為“1”，系統(tǒng) PMC控制中還要編制程序?qū)崿F(xiàn)切削進給的開始條件。（5）主軸齒輪檔位的最高速度參數(shù)主軸第14檔的最髙轉速設定參數(shù)，0ic系統(tǒng)對應為37413744。主軸的檔齒輪比（髙檔、中髙檔、中低檔、低檔）：0i系統(tǒng)分別為 4

50、0564059。（6）主軸電動機最髙轉速設定參數(shù)，0ic系統(tǒng)為4020。5.3 串行數(shù)字主軸伺服參數(shù)調(diào)整(1) 主軸伺服畫而顯示參數(shù)串行主軸伺服畫而顯示參數(shù)（SPS)置為“1” FANUCOC/OD系統(tǒng):參數(shù)為389#1 FANUC16/16i/18/18i/0i 系統(tǒng):參數(shù)為 3111#1(2) 主軸畫面顯示圖 5-1 主軸畫面顯示(3) 串行主軸伺服畫面a）主軸設定圖5-2 主軸設定界面b）主軸調(diào)整圖5-3 主軸調(diào)整界面c）主軸監(jiān)視圖5-4 主軸監(jiān)視界面(4) 串行主軸使用的注意事項串行主軸在使用過程中不運轉的幾個原因：a）在PMC 中主軸急停(G71.1)、主軸停止信號(G29.6)、主軸倍率(G30當G30為全1時倍率為0)沒有處理。另外在PMC中注意SIND信號的處理處理不當也將造成主軸不輸出。b） 參數(shù)中沒有設置串行主軸功能選擇參數(shù)，即主軸沒有設定。c） 當No.1404#2 F8A誤設將造成剛性攻絲時速度相差1000倍。d）當No.1405#0F1U誤設將造成剛性攻絲時速度相差10倍。e）當No.4001#0 MRDY( 6501#0 ) ( G229.7 / G70.7 ) 誤設將造成主軸沒有輸出，此時主軸放大器上01#錯誤。f）在沒有使用定向功能而設定No.3732 將有可能造成主軸