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第6章:加工中心(銑)電氣控制系統(tǒng)加工中心是一種高效數(shù)控加工機床,一臺加工中心可完成由幾臺普通數(shù)控機床才能完成的工作。這種機床一般具有刀庫和自動換刀裝置,在加工過程中能自動地進行刀具更換工作,以滿足不同工序加工的需要。一般進給運動與主軸都采用伺服電機,系統(tǒng)采用品牌產(chǎn)品。本章以實例介紹XH714加工中心的電氣控制系統(tǒng),系統(tǒng)配置Fanuc0i—MC,以便讀者了解加工中心電氣控制線路中Fanuc數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動、I/O接口與電氣控制線路之間的關系。XH714數(shù)控加工中心分別有數(shù)控系統(tǒng)(CNC),機床控制電氣,主軸無極調(diào)速、X、Y、Z軸進給驅(qū)動,刀庫旋轉(zhuǎn),排屑、冷卻及其它控制電路等組成。XH714立式加工中心外觀見圖6。1。圖6.1:XH714立式加工中心外觀1—CRT/MDI及機床操作面板;2—主軸;3-主軸箱;4—主軸氣缸;5—主軸電動機;6—Z軸伺服電動機;7-電氣控制柜;8-回轉(zhuǎn)刀庫;9-X軸伺服進給電動機;10—Y軸伺服進給電動機6。1FANUC數(shù)控系統(tǒng)概述日本FANUC公司自50年代末期生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)以來,已開發(fā)出多種系列的數(shù)控系統(tǒng),在中國CNC市場上處于舉足輕重的地位。目前,以0i-MC與0i-MD最為常見。在考慮選擇系統(tǒng)的同時還要注意伺服模塊及伺服電機的配置,αi在性能質(zhì)量、跟隨性都要高于βi系列。所以選購一臺數(shù)控機床不要單純看系統(tǒng)型號還要配置何種伺服驅(qū)動系統(tǒng).0i-MC

這是目前在中國市場上銷售量最大的一種系統(tǒng),它是一種采用高速32位微處理器的高性能的CNC.在結(jié)構(gòu)上采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式,即在主板上插有存儲器板、I/O板、軸控制模塊以及電源單元。只是其主板較其它系列的主板要小得很多,因此,在結(jié)構(gòu)上顯得非常緊湊,體積很小,FANUC公司自稱為它是世界上最小的系統(tǒng).0i-MC系列數(shù)控系統(tǒng)具有下述特點:圖6.2:Fanuc0i-MC數(shù)控系統(tǒng)外觀圖1)本系統(tǒng)是一種小型高精度、高性能的軟件固定型CNC??刂齐娐分胁捎昧烁咚傥⑻幚砥?、專用LSI(大規(guī)模集成電路)、半導體存儲器等,這不僅提高了系統(tǒng)可靠性,還提高了系統(tǒng)的性能價格比。?2)為了便于系統(tǒng)的維修,內(nèi)部具備多種自診斷功能:①微處理器不斷地監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài),并能分類顯示CNC內(nèi)部狀態(tài).一旦發(fā)生故障,報警指示燈立即發(fā)亮,并使CNC停止工作.同時在CRT上可分類顯示出故障詳細內(nèi)容;②在CRT顯示器上,可顯示出從CNC輸出或向CNC輸入的接通、關斷信號;③通過MDI(手動數(shù)據(jù)輸入)可以“位"為單位接通、關斷從CNC輸出的接通、關斷信號.3)可用CRT顯示檢查數(shù)控系統(tǒng)的快速進給速度、加/減速時間常數(shù)等各種參數(shù)設定值。4)由于采用了高速微處理器的數(shù)字式交流伺服系統(tǒng),無漂流影響,實現(xiàn)了高速、高精度的控制。除了0-C系列的標準功能外,還增加了沖壓功能、晶格點陣功能、多段數(shù)據(jù)加工功能、C軸控制功能等。6。2.1實際FANUC0I-MC系統(tǒng)的接口圖6.4:FANUC0I-MC系統(tǒng)的接口圖6.4:FANUC0I-MC系統(tǒng)的接口1-

CP1系統(tǒng)直流24V輸入電源接口。2—FUSE系統(tǒng)DC24V輸入熔斷器(5A).3—電源單元4-JA7A串行主軸/主軸位置編碼器信號接口。5-JD1AI/OLink接口6—JA40模擬量主軸的速度信號接口(0~10V)。7—JD36BRS-232—C串行通信接口(2通道).8—JD36ARS-232-C串行通信接口(0、1通道)。9—CN2系統(tǒng)操作軟鍵信號接口。10-CA55系統(tǒng)MDI鍵盤信號接口。11—CA69伺服檢測板接口。12-系統(tǒng)電源風扇13—系統(tǒng)存儲器電池6。2。3伺服放大器的連接圖6.5:伺服放大器外觀圖伺服放大器也叫伺服驅(qū)動器,是用來控制伺服電機的一種控制器,其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達。目前主流的伺服放大器均采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心,可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法,事項數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化.功率器件普遍采用以智能功率模塊(IPM)為核心設計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流,得到相應的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電,再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。脈沖寬度調(diào)制(PWM),是英文“PulseWidthModulation"的縮寫,簡稱脈寬調(diào)制,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術,廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置,來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變,這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程.整流單元(AC—DC)主要的拓撲電路是三相全橋不可控整流電路.外形圖見圖6。5,連接圖見圖6.6。圖6.5:伺服放大器外觀圖圖6。6:伺服放大器的連接從圖6.6伺服放大器的連接具有如下特點:回路電源來自外接電源三相交流380V,經(jīng)控制變壓器TC1轉(zhuǎn)換后為三相交流200~240V交流電。一路經(jīng)斷路器QF2和電抗,經(jīng)TB2接入電源模塊,直流后變?yōu)?00V直流,由短接線TB1依次接入各個伺服模塊,經(jīng)伺服模塊中的逆變器變頻來驅(qū)動三相交流伺服電機。另一路經(jīng)浪涌吸收器后R、S兩相接入電源模塊,同時三相交流電接通主軸風扇電機.PSM(電源模塊)、SPM(主軸模塊)、SVM(伺服放大模塊)之間的短接片(TB1)是連接主回路直流300V電壓用的連接線,一定要擰緊。如果擰得不夠緊,輕則產(chǎn)生報警,重則燒壞電源供應模塊(PSM)和主軸放大器模塊(SPM)。圖中的TB1和TB2不要弄錯,TB2為三相交流200V電流引入線,TB1為銅板短接片,連接主回路直流300V連接線。6.3加工中心的I/O接口電路6.3。1PMC介紹可編程控制器(PLC)在FANUC數(shù)控系統(tǒng)中稱為可編程機床控制器(ProgrammableMachineController,PMC)。PLC與PMC之間只是名稱上不同,其本質(zhì)一致。目前FANUC公司的數(shù)控產(chǎn)品將PMC內(nèi)置,也就是說,不需要獨立的PMC設備,PMC已成為數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分.FANUC公司的PMC由內(nèi)裝的PMC軟件、接口電路、外圍設備(電磁閥、壓力開關、接近開關等)構(gòu)成,連接主控系統(tǒng)(PMC)與從屬I/O接口設備的電纜稱為高速串行電纜,稱為I/OLink,它是FANUC公專用的I/O總線,工作原理與歐洲標準工業(yè)總線profibus類似,但協(xié)議不同。另外通過I/OLink可以連接FANUC公司β系列伺服驅(qū)動模塊,作為PMC軸使用,用于機床強電信號的驅(qū)動。與CNC連接后,每個I/O點被分配唯一的輸入/輸出地址,每一個I/O點連接唯一的機床強電控制執(zhí)行元件的工作點,如機床操作面板上的按鍵、按鈕、開關、指示燈和強電控制柜中的繼電器觸點、接觸器觸點、電磁閥等,由機床PMC程序順序邏輯控制。FANUC0i-MC數(shù)控系統(tǒng)的控制單元有內(nèi)置的I/O卡,用于機床各檢測元件信號的采集和控制各種氣、液壓閥組件,指示燈等的動作.在控制單元內(nèi)置的I/O卡,其輸入點的點數(shù)為96點,輸出點點數(shù)為64點。如輸入輸出數(shù)量未能滿足要求時,就需要通過控制單元上的I/OLINK擴展I/O單元來滿足使用的要求,并在編寫PMC程序時,對各I/O設備的地址進行分配。6.3.2FANUCPMC的接口在討論PLC、CNC和機床各機械部件、機床輔助裝置、強電線路之間的關系時,常把數(shù)控機床分為“CNC”側(cè)和“MT”(機床側(cè))側(cè)兩大部分,“CNC”側(cè)包括CNC系統(tǒng)的硬件和軟件以及與CNC系統(tǒng)連接的外部設備?!埃蚑"(機床側(cè))側(cè)包括機床機械部分及其液壓、氣壓、冷卻、潤滑等輔助裝置,機床操作面板,機床控制線路等。PMC位于CNC與MT之間,對CNC側(cè)與MT側(cè)的輸入/輸出信號進行處理。PMC與控制伺服電動機和主軸電動機的系統(tǒng)部分,以及與機床側(cè)輔助電氣部分的接口關系。圖6。7:PMC接口情況1.從圖中各個地址的相互關系可以看出,以PMC為控制核心,輸入到PMC的信號有X信號和F信號,從PMC輸出的信號有Y信號和G信號。PMC本身還有內(nèi)部繼電器R、計數(shù)器C、定時器T等。2.從圖中看出CNC是數(shù)控系統(tǒng)的核心,機床I/O要與CNC交換信息,要通過PMC處理才能完成,PMC在機床與CNC之間發(fā)揮橋梁作用。3.機床本體信號進入PMC,輸入信號為X信號,輸出到機床本體信號為Y信號。機床本體的輸入\輸出的地址分配有機床廠定義分配。地址用來區(qū)分信號,不同的地址分別對應機床側(cè)的輸入\輸出信號,CNC側(cè)的輸入\輸出信號,內(nèi)部繼電器、計數(shù)器、定時器、保持型繼電器和數(shù)據(jù)表。PMC主要使用四種類型的地址:如圖6.8所示:圖6.8:FANUC數(shù)控系統(tǒng)接口與地址關系實線表示機床側(cè)的PMC輸入\輸出信號,虛線表示PMC與CNC之間的輸入\輸出信號,(僅在RAM存儲器中傳送).每個地址有地址號和位號(0-7)組成,在地址號的開頭用一個字母來表示信號的類型,如X110.3。同時地址還有絕對地址與符號地址的區(qū)別,絕對地址是I/O信號的存儲器區(qū)域,地址唯一,如圖6中的X0.1,X0.0.符號地址(symboladdress)是指用英文字母代替的地址,只是一種符號,可為PMC程序編輯、閱讀與檢查提供方便,但不能取代絕對地址。如圖6中可以在PMC持續(xù)中用STL2替代X5.7。符號地址需要編制專門的注釋文件表.絕對地址與符號地址可以在PMC程序中混合使用。具體FANUCoi系統(tǒng)符號、地址、與種類見圖表6。9字符符號種類種類OI—B/OIBMATEBPMC—SA1PMC-SB7X機床給PMC的輸入信號(MT→PMC)X0-X127X0-X127X200-X327X1000-X1127YPMC輸出給機床的信號(PMC→MT)Y0-127Y0-Y127Y200—Y327Y1000—Y1127FNC給PMC的輸入信號(NC→PMC)F0-F255F0-F767F1000-F1767F2000—F2767F3000-F3767GPMC輸出給NC的信號(PMC→NC)G0-G255G0—G767G1000—G1767G2000-G2767G3000-G3767R內(nèi)部繼電器R0-R999R9000-9099R0-R7999R9000-R9499E外部繼電器—E0-E7999A信息顯示請求信號信息顯示狀態(tài)信號A0-A24A0—A249A9000—A9249C計數(shù)器C0-C79C0—C399C500—C5199K保持繼電器K0-K19K0-K99K900-K919T可變定時器T0-T79T0-T499T9000—T9499D數(shù)據(jù)表D0-D1859D0-D9999L標志號—L1-L9999P子程序號—P0-P2000表6。9:FANUC數(shù)控系統(tǒng)符號與地址分配輸入\輸出信號(X信號和Y信號)主要包括以下三方面內(nèi)容:(1)數(shù)控機床操作面板輸入和狀態(tài)指示,FANUC公司的操作面板主要包括以下的功能=1\*GB3①操作方式開關和狀態(tài)燈(自動、手動、手輪、回參考點、編輯等);=2\*GB3②程序控制開關與狀態(tài)燈(單段、運行等);=3\*GB3③主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)主軸停按鈕和狀態(tài)燈及主軸倍率開關;=4\*GB3④手動進給軸方向選擇按鈕等;=5\*GB3⑤冷卻控制開關和狀態(tài)燈;=6\*GB3⑥手輪軸選開關和手輪倍率開關(×1、×10、×100、×1000);=7\*GB3⑦急停按鈕;=8\*GB3⑧手動按鈕和自動倍率開關。(2)數(shù)控機床本體輸入信號:一般有每個進給軸減速開關、超程開關、機床功能部件上的開關。(3)數(shù)控機床本體輸出信號:一般有冷卻泵、潤滑泵、主軸正/反轉(zhuǎn)(模擬主軸)及機床功能部件上的執(zhí)行動作。(4)機床本體上的一些開關量通過接口電路進入系統(tǒng),大部分信號進入PMC控制器參與邏輯處理,處理結(jié)果送給CNC裝置(G信號)。但有一部分高速處理信號如*DEC(減速)、*ESP(急停)等直接進入CNC裝置,有CNC裝置直接處理相關功能。CNC輸出信號為F信號,PMC輸出信號為Y信號。6.3.3FANUC0i-MC數(shù)控系統(tǒng)I/O單元硬件連接在FANUC0i-MC數(shù)控系統(tǒng)中,I/O單元以開關量I/O單元為主,用I/O單元可以連接96/48(輸入/輸出)點開關量與手輪,全部I/O均為通用I/O信號,連接方法見下圖,圖6。10:FANUC0i—MC數(shù)控系統(tǒng)I/O單元連接方法(XH714)JD1B:I/O模塊上的輸入端,連接于數(shù)控裝置的I/Olink接口JD1A,通過I/Olink連接電纜接入.JA3:手搖脈沖發(fā)生器脈沖信號輸入接口。CP1:I/O模塊工作電源輸入接口,輸入電壓是直流24V.COP104/COP105/COP106/COP107:I/O單元四組50芯的I/O接口,每組24/16輸入/輸出點,共96/64個輸入/輸出點,通過I/Olink電纜和主控器或者其它I/O設備連接。6.3.4輸入/輸出信號的連接1)輸入信號的連接I/O輸入信號分為源型輸入和漏型輸入兩種,所謂的源型輸入和漏型輸入是對于電流方向來考慮的,電流從觸點外外流的就是源型,就是所謂的拉電流,反之就是漏型輸入,也叫灌電流。輸入信號如圖所示:圖6.11:(a)漏型輸入(b)源型輸入(1)漏型輸入漏型輸入是由PMC內(nèi)部提供輸入信號電源且全部輸入信號的一端匯總到輸入公共端(DICOM)的輸入形式,漏型輸入的外部連接示意圖如圖所示。圖6。12:漏型輸入外部連接示意圖漏型輸入的優(yōu)點是不需要外部電源,輸入電流由I/O單元內(nèi)部向外部“泄漏”,故稱為漏型輸入,安全性較高,可防止斷線情況下輸入有效。常見的漏型輸入在I/O單元內(nèi)部的接口電路原理簡圖如圖所示,圖6。13:漏型輸入接口原理圖圖中限流電阻通常為3。3~4.7KΩ。在實際接口電路中,一般還有輸入指示用LED、輸入濾波、穩(wěn)壓與短路保護等輔助電路。由圖知當輸入觸點K2閉合時,I/O單元的內(nèi)部直流24V與0V通過光電耦合器件、限流電阻、輸入觸點、經(jīng)公共端DICOM構(gòu)成電流回路,光電耦合器件的輸出為1,PMC內(nèi)部獲得1信號輸入.(2)源型輸入源型輸入是由外部提供輸入信號電源(或使用I/O單元內(nèi)部提供給輸入回路的電源)且全部輸入信號為有源信號,并獨立輸入PMC的輸入連接方式,如圖所示把DICOM端子與+24V端子相連接。圖6。14:源型輸入外部連接示意圖源型輸入的接口電路原理圖如圖所示。同樣在實際接口電路中,一般還有輸入指示用LED、輸入濾波、穩(wěn)壓與短路保護等輔助電路。圖中當輸入觸點K2閉合時,外部直流24V與0V通過光電耦合器件、限流電阻、輸入觸點、經(jīng)公共端DICOM構(gòu)成電流回路,光電耦合器件的輸出為1,PMC內(nèi)部獲得1信號輸入。圖6.15:源型輸入接口原理圖無論是源型輸入還是漏型輸入,就是使用外部電源還是使用內(nèi)部電源的區(qū)別,這兩種輸入方式的共同優(yōu)點是:當輸入連接線與外部短路或斷路時,不可能有1信號的錯誤輸入,可以減少設備誤操作的可能性,此外,由于輸入設備使用的是外部電源,輸入故障對I/O單元的損害較少,它們的缺點是輸入信號需要外部電源,PMC用于輸入的直流24V容量教小,只適用于I/O點數(shù)較少的系統(tǒng),在一定程度上增加了生產(chǎn)成本。(3)輸出信號的連接如圖所示,I/O輸出信號也分為源型輸出還是漏型輸出兩種,源型輸出是把驅(qū)動負載的電源(+24V)連接到印制電路板的DOCOM端子上,電流是從印制電路板上流出的,所以稱為源型輸出.漏型輸出是把驅(qū)動負載的電源(0V)連接到印制電路板的DOCOM端子上,電流是流入印制電路板,所以稱為漏型輸出.例如在圖6。17,圖6。17為XH714加工中心PLC部分輸入輸出信號,在圖6。17中,把機床側(cè)的行程開關的通斷信號通過COP105信號接口(50芯電纜線)接入系統(tǒng)PMC。在圖6.18中,系統(tǒng)PMC輸出信號通過接口控制中間繼電器KA,再通過220V控制電路控制機床各動作元件達到控制動作要求。圖6.16:(a)源型輸出(b)漏型輸出圖6。17:PLC輸入信號在圖6.15中PLC驅(qū)動信號輸入線路中,COP105信號接口B01根線是24VDC輸出接口,其余X軸正向超程信號、X軸負向超程信號、Y軸正向超程信號、Y軸負向超程信號、Z軸正向超程信號、Z軸負向超程信號、X軸回參減速信號、Y軸回參減速信號、Z軸回參減速信號分別接入PLC的X8.0、X8.1、X8。2、X8.3、X8.5、X8。6、X9.0、X9。1、X9.2、數(shù)字信號輸入接口,并分別由行程開關SQ1到SQ9控制。圖6.18:PLC輸出信號在圖6.18中PLC輸出信號圖中DOC接口連接至24V的直流電源.其余的Y1.0、Y2.1、Y2.2、Y2。3、Y2。2、Y2.5接口分別向繼電器線圈KA2、KA3、KA4、KA5、KA6、KA10輸出控制信號,控制冷卻泵、刀架電機正轉(zhuǎn)、刀架電機反轉(zhuǎn)、刀庫電磁閥、打刀缸電磁閥和Z軸抱閘電機等支路的通與斷。6.3.5FANUCPMC程序的工作原理(1)梯形圖概要在PMC程序中,使用的編程語言是梯形圖。對PMC程序的執(zhí)行,可以簡要地總結(jié)為,從梯形圖的開頭由上到下,然后由左到右到達梯形圖結(jié)尾后再回到梯形圖的開頭,循環(huán)往復,順序執(zhí)行PMC程序由第一級程序和第二級程序兩部分組成。在PMC程序執(zhí)行時,首先執(zhí)行位于梯形圖開頭的第一級程序,然后執(zhí)行第二級程序.發(fā)那科PMC分為:PMC-L/MPMCSA1/SA2/SA3SB7等幾個版本,在機床PMC的PMCDGN中顯示,F(xiàn)ANUC0i-MC系統(tǒng)是SA1版本.(2)機床梯形圖顯示與診斷操作圖:PMC診斷畫面6。3.6FANUCPMC的編程介紹1.FAPTLADDERⅢ編程軟件功能介紹:FAPTLADDERⅢ是梯形圖開發(fā)軟件,具有WINDOW操作的一些特點,LADDER-Ⅲ軟件的主要功能有①輸入,輸出,顯示,編輯PMC順序程序;②監(jiān)控及調(diào)試PMC程序;③設定和顯示PMC參數(shù);④運行和停止PMC程序;⑤輸入和輸出PMC程序;⑥把PMC程序?qū)懭隒NC系統(tǒng)FROM中;⑦打印PMC程序。2。FAPTLADDER-Ⅲ的使用方法①新建一個PMC程序打開軟件,在NEW中新建一個文件名,選擇與系統(tǒng)相同的PMC類型,按[確定]②傳輸形式的確定通過工具菜單(TOOL)來確定傳輸形式,由系統(tǒng)PMC傳送給計算機,選擇LOAD由計算機傳送給系統(tǒng)PMC,選擇STORE③工作方式的確定離線方式傳輸選擇I/OBY“I/O”KEYOPERATION在線方式傳輸選擇I/OBYMONIT-ONLINEFUNOTION

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