（机械工程专业论文）新型车削中心电气设计与调试.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 新型车削中心机床是在平床身数控车床的基础上改进的一款集车与铣为一体的产 品，采用有动力头结构的刀塔。所谓动力头，即刀塔上的刀在动力头电机的带动下可以 自行旋转。机床的主轴可以分度定位。主轴抱紧后，动力头刀具旋转，可以完成铣削加 工。主轴与x 、z 轴插补，实现三轴联动，可以加工出特殊形状的工件，这是普通数控 机床所不能完成的加工。这种新型的车削中心是在平床身基础之上改进的，其价格要低 于倾床身的车削中心。 电气设计和调试是新型加工中心研制过程中的重要内容，优良的电气设计能使机床 的性能发挥到最佳状态，实现预定的机械加工功能，提高加工效率。对于调试过程中遇 到的难题能够及时的反映，查找到原因迅速解决可以提高生产效率，使产品在交货期内 完成，满足用户要求。 本文侧重电气设计和调试难点研究。重点论述在设计车削中心过程中，所遇到调试 难题进行的电气原理图的设计、调试难点和调试故障分析。本文首先对数控机床发展的 意义和国内外知名数控系统做了介绍，对传统和新型车削中心概况进行了综述。论文分 析综述了车削中心的电气总体设计方案，包括电气设计依据与设计方法，f a n u co it c 系统的技术特点，伺服刀塔电气连接调试，并进行了设计举例。结合生产实际，对c s 轮廓控制，多主轴控制，主轴自动换档调试难题进行了讨论，对常见故障进行了分析总 结。所完成的电气设计成功应用于新产品开发，其电气调试经验对类似加工中心的调试 和故障分析有参考意义。 关键词：车削中心：伺服刀塔；电气原理：调试难点：常见故障 新型车削中心电气设计与调试 e l e c t r i c a ld e s i g na n dd e b u g g i n go fn e w t y p et u r n i n gc e n t r e a b s t r a c t t u r n i n gc e n t e ri so n ek i n do fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lc o m b i n i n gt u r n i n ga n d m i l l i n gf u n c t i o nb ym o r eu s i n gt h et u r r e t 、i t hd r i v eh e a dm o t o rs 仃u c t u i c s o - c a l l e dd r i v eh e a d i st h a tt h et o o lc a nf r e e l yr o t a t eb yt h ed r i v eh e a dm o t o rt od r i v et h em a c h i n et o o l ss p i n d l e r e v o l u t i o n ，i n d e x i n ga n df i x i n gp o s i t i o n w h e nt h es p i n d l ee n c l o s e s ，c u t t i n gt o o lo nt h ed r i v e h e a de d g er o t a t e sa n dc a nc o m p l e t et u r n i n ga n dm i l l i n g s p i n d l ea n dx ，za x i s si n t e r p o l a t i o n c a l lr e a l i z et h r e es p i n d l ea c t i n ga tt h es a m et i m ea n dc a l lm a c h i n ep r o p e rw o r k p i e c ew h i c hi s n o tc o m p l e t e db yt h et r a d i t i o n a lc o m m o nm a c h i n et 0 0 1 b e c a u s ei t sf u n c t i o ni sv e r ye x c e s s i v e ， t h er a t i oo fp e r f o r m a n c ea n dp r i c ei sh i g h e rt h a nt h a to ft h eo t h e re c o n o m yn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et o o la n de n t i r ee n g i n e r ym a c h i n et 0 0 1 t h ee l e c t r i c a ld e s i g na n dd e b u g g i n ga r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h en e wt y p et u r n i n gc e n t e r e x c e l l e n te l e c t r i c a ld e s i g nc a l lg u a r a n t e et h ec e n t e rt oo b t a i nt h eb e s tc a p a b i l i t y ，c o m p l e t et h e m a c h i n i n gn e e da n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y t h ed i f f i c u l tp r o b l e m sd u r i n gt h ed e b u g g i n g p r o c e s sc a l lb er e f l e c t e di nt i m ea n dt h er e a s o nc a nb ef o u n dr a p i d l y i tc a nh e l pi m p r o v e m a n u f a c t u r e e f f i c i e n c ya n dd e l i v e rt h eg o o d s i nt i m et os a t i s f yt h ec o n s u m e r sr e q u e s t 。 t h i sp a p e re m p h a s i z e st h ee l e c t r i ce l e m e n t a r yd i a g r a md e s i g na n dd e a l sw i t l ld e b u g g i n g d i f f e r e n c e a c c o r d i n gt oa u t h o r se x p e r i e n c eo fd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gf a n u c0 it cc n c s y s t e mw h o s em a c h i n et o o lt y p ei sc k a 6 18 0 ht u r n i n gc e n t e r , t h em a c h i n el a t h ep a r a m e t e r r e q u i r e m e n ta n dt h ed e b u g g i n gd i f f e r e n c e s ，t h ea r t i c l em a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g no ft h e e l e c t r i ce l e m e n t a r ya n dw i r i n gd i a g r a ma n dd e b u g g i n gd i f f e r e n c ea n dd e b u g g i n gt r o u b l e a n a l y s e s t h i sp a p e rf i r s t l yg e n e r a l i z e st h es i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p m e n to fc n c m a c h i n et o o l s a n dc n cs y s t e mo ff a m o u si n t r o d u c t i o n ，a n do v e r v i e wo ft r a d i t i o n a la n dn e wt u r n i n gc e n t e r m a c h i n et 0 0 1 t h e nt h eo v e r a l le l e c t r i c a ld e s i g no ft u r n i n gc e n t e rh a sb e e np r e s e n t e d i n c l u d i n ge l e c t r i c a ld e s i g nb a s i sa n dd e s i g nm e t h o d s ，f a n u co lt cs y s t e m st e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，s e r v ot u r r e te l e c t r i c a lc o n n e c t i o n ，d e b u g g i n ga n dt h ed e s i g ne x a m p l e f i n a l l y d i s c u s s i o no nc sp r o f i l ec o n t r o l ，m u l t i s p i n d l ec o n t r o la n ds p i n d l ea u t og e a re x c h a n g e d e b u g g i n gd i f f e r e n c eh a v eb e e np r e s e n t e d a n dm o r et h er e g u l a rt r o u b l e sh a v eb e e na n a l y z e d a n ds u m m a r i z e d t h er e s u l t sh a v eb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h en e wt y p et u r n i n gc e n t e r k e yw o r d s ：t u r n i n gc e n t e r ；s e r v ot o o l ；e l e c t r i ce l e m e n t a r y ；d e b u g g i n gd i f f e r e n c e ； r e g u l a rt r o u b l e s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：新型车削中心电气设计与调试 作者签名 日期：2 盟年止月三日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：堑型奎削圭! 堂电氢遮i 土生迥试 作者签名：盘塑j 玺 日期：三1 2 年上l 月三一日 导师签名：三邀竺日期：竺芝年二二月乙日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 数控机床发展的意义 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控 技术为代表的新技术对传统制造业的渗透形成的机电一体化产品。数控技术的应用不但 给传统制造业带来了革命性的变化，是制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的 不断发展和应用领域的扩大它对一些重要行业的发展起着越来越重要的作用f l l 。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控 技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业的最基本装备。制造技术和装备是人类生产 活动的基本生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世 界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应 能力和竞争能力。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成 为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一 些重要行业的发展起着越来越重要的作用。因为这些行业所需装备的数字化已是现代化 发展的大趋势。 数控机床是运用数控技术对零件进行加工控制的机床，经过几十年国内外生产商的 发展，数控机床种类繁多，且控制精度日渐提高【2 1 。数控机床的发展是制造技术的发展， 也是机床自动化技术，特别是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造产业的渗透而 形成的机电一体化产品的结果p j 。数控机床的研发以及应用水平已成为衡量一个地区乃 至个国家的数控机床的技术水平高低【4 1 。 我国数控技术的发展起步于2 0 世纪5 0 年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七 五 期间组织消化吸收和科技攻关，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。从 2 0 年世纪9 0 年代后期起，由于工业现代化和国防与高技术工业的快速发展，对先进制造 装备的数控机床提出了旺盛的需求。1 9 9 2 2 0 0 4 年，国产数控机床产量和消费量的年平 均增长率分别为1 7 5 和1 7 7 ；2 0 0 3 2 0 0 7 年，国产数控机床产量年均复合增长率为 3 7 8 ，截至2 0 0 7 年，中国机床行业产值已位居世界第三位，仅次于日本、德国，成为 机床产值超百亿美元的世界机床生产大国，且已连续六年成为世界最大的机床消费国【5 1 。 数控机床按其技术水平的高低，一般分为高、中、低三档。中国数控机床的研究开 发虽然起步较早，但由于技术、市场等多方面的原因，发展比较缓慢。虽然近年来推出 了一些国产高档数控机床品种，但所占市场份额并不大，高档机床仍基本依靠进口。中 国低档数控机床产品具有竞争优势，数量虽多但金额并不大。中档数控机床不仅数量多 新型车削中心电气设计与调试 而且金额大，是海内外数控机床竞争的重点，近年来国产中档数控机床进步明显，但所 占市场份额仍然不够大。 中国工业正处于生产方式的转型时期，军民机械造业对数控机床的潜在需求正在加 速转化为现实需求。与此同时，中国的数控机床产业已初步形成并具有一定的开发和生 产能力，而且中国的数控装置也正进一步向提高质量和性能价格比方向发展。因此不难 判断，在当今的中国，数控机床已经具备了大发展的条件，预计在未来1 0 年或更长的 时间内，中国数控机床还要继续这种快速发展的趋势。 关于今后数控机床会继续快速发展的预测，并不意味今后的发展过程不会出现起伏 波动。纵观国内外近2 0 多年的数控机床发展历史，几乎都是在机床数控化率上升的大 趋势下，中间出现过数控机床产量、产值停滞不前乃至下滑的年份。今后1 0 年中国数 控机床的发展也存在发生这种波动的可能性。 提升国产数控机床市场竞争力还在于推进中国机床工业的战略性调整和机制、体制 的改革与创新。当前的中国市场正呼唤本国机床制造商在不断满足客户个性化需求的过 程中，始终把质量放在市场开拓的首位，打造出国产中、高档数控机床的知名品牌，以 逐步提高国产数控机床的市场占有率。 国产的数控车床大多为经济型数控车床，约占总数的8 0 左右，多功能数控车床和 车削中心生产量较少；而国外生产的基本上是多功能数控车床和车削中心。国外车削中 心具有双主轴、双刀塔、y 轴、c 轴，甚至还装有b 轴，功能多，可供用户选择。国外 数控车床的主轴转速和主轴功率一般都高于国产数控车床；另外还能生产提供适合于高 强度耐热合金加工和钛合金加工的大功率、高刚度的数控车床和车削中心以及以车代磨 的精密数控车床和车削中心，而此类产品国内基本上处于空白。精密切削技术是在机床 结构及材料、精密主轴系统、快速低温升进给系统、高性能c n c 控制系统、高性能耐 磨刀具材料及刀具设计制造技术、低温冷却切削工艺、高精度测量测试技术、精密切削 工艺、机床整机及基础防震技术等诸多相关的硬件与软件技术均得到充分发展的基础上 综台而成的。其应用领域主要是轿车、汽车、航空航天、兵工制造业中各类精密回转件 或薄壁零件的加工。精密数控车床适应于各类金属材料、工程塑料及一切可切削材料的 精加工，其最大效果是以车代磨取得最终加工效果。 目前，美、德、日机床工艺创新、布局结构多样，高水平功能部件。而且不少数控 车床是针对汽车、轴承、电机、齿轮、钟表行业大批量柔性生产自动化而开发研制的。 在加工精度、主轴转速、n c 系统配套方面比国内n c 车床高一筹。例如，斯宾纳公司t c 一77mcy 高精密数控车削中心，主轴功率：4 3 k w ：主轴最高转速：4 0 0 0 r m i n ： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 x 轴行程3 6 0 m m ；y 轴行程：5 5 - - - + 6 5 r n m ；z 轴行程：9 8 0 m m ；最大回转直径：8 0 0 m m ； 最大车削直径：5 0 0 m m ；1 2 位v d l 5 0 刀塔；动力刀数：1 2 ；动力刀转数：4 0 0 0 r m i n 动力 刀功率：7 k w 。采用整体落地式刚性铸铁斜床身，c 轴单独驱动，楔形一体式y 轴，可 根据用户要求配第二主轴和1 5 0 0 m m i j i l 长床身使用范围，机床结构坚固，功率强劲，高 刚性y 轴，适合个行业较大复杂工件精密加工。美国h a r d i n g e 公司的q u e s t8 5l 高性 能车削中心采用人造花岗岩床身、可装对置双主轴实现工件全部加工，有y 、c 轴，刀 盘分度精度0 1 ；该公司的e l i t e s 5 1 车削中心，主轴5 0 0 0 r m i n ，c 轴( 主轴分度) 增 量为0 0 0 1 ，可加工5 边形面，刀盘分度o 1 ，装有工件和刀具的在线测量头。德国 s p i n n e rt c4 6 数控车床最高转速4 5 0 0r m i n ，快速移动轴10r n m i n ，z 轴2 0m m i n 。 该公司超精密s b p d u p 系列数控车床，重复定位精度o 1l am ，工件圆度0 3l am ，可 实现镜面车削，可选配第二主轴c 轴动力刀架。 1 2 国内外知名数控系统简介 数控系统的性能和水平直接决定着数控机床的性能和水平，我国数控系统发展的比 较晚，但是经过近些年的发展已经取得了很大的进步。德国西门子和日本f a n u c 是老 牌的数控系统生产商，其生产的产品涵盖了由低端到高端的所有产品，这两大生产商的 发展引领着整个数控系统产业的发展。广州数控和华中数控是国内数控系统的领军生产 商，其生产的产品比较完善，不断地推出新产品，全力的和国外的知名的生产商竞争。 以下对这几个系统做简单的介绍。 1 2 1 西门子数控系统 西门子凭借在数控系统1 6 j 及驱动产品方面的专业思考与深厚积累，不断制造出机床 产品的典范之作，为自动化应用提供了日趋完美的技术支持。s i n u m e r i k 不仅仅意味 着一系列数控产品，其力度在于生产种适于各种控制领域不同控制需求的数控系统， 其构成只需很少的部件。它具有高度的模块化、开放性以及规范化的结构，适于操作、 编程和监控。 s i n u m e r i k8 0 2 d 一最新技术，与德国同步。n c k 、p l c 、h m i 集成一体，通过 p r o f i b u s 连接各部件s i m o d r i v e6 11 u 数字驱动系统，可控制4 个进给轴、3 个数 字或模拟主轴，1 0 4 ”真彩液晶显示器，中英文显示，集成大量c n c 功能，提供编程模 拟及图形循环支持功能，p c 卡备份数据，可实现一次编程批量安装。 s i n u m e r i k8 4 0 d 一西门子数控产品的突出代表。它在复杂的系统平台上，通过系 统设定而适于各种控制技术。8 4 0 d 与s i n u m e r i k6 11 数字驱动系统和s i m a t i cs 7 可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于 新型车削中心电气设计与调试 其它系统的动态品质和控制精度。标准控制系统的特征是具有大量的控制功能，如钻削、 车削、铣削、磨削以及特殊控制，这些功能在使用中不会有任何相互影响。由于开放的 结构，这个完整的系统也适于其它技术如剪切、冲压和激光加工等。s i n u m e r i k8 4 0 d 的突出之处在于其不断扩展的特性：n c 包括神经网络，其自学习、自优化系统使系统 的调整时间大为缩短，精调可按机床用户的要求简单自动地进行；交互式编程是操作简 单但功能强大的编辑工具，它给操作人员极大的自由度使零件设计到工件成形的时间大 幅度缩短；为便于p l c 编程，开发了s 7 - h i g r a p h 点阵图形辅助编程工具，用于快速、 简单的机械运动及时序的逻辑设计；全新的a u t o t u r n 软件使车削工件的编程大幅度 简化，加工计划也可简单的通过按键生成；在s i n u m e r i k8 4 0 d 和s i m o d r i v e6 11 的基础上，只需最少的硬件和软件投资，即可生成易于使用的仿形数字化系统。 s i n u m e r i k8 1 0 d 一性能优越，操作简单。是一个全数字化构造的控制器，高集成 数字化数控系统，操作更简单，编程直观。将c n c 和驱动系统集成在一块板子上；可 控制5 轴或4 个进给轴和1 个主轴：可实现4 轴线性插补；采用s i m a t i cs 7 3 0 0 家族 紧凑f o 模块：高速加工中的综合运动控制；提供机械扰动补偿；可提供各种型号的 1 f k 6 、1 f t 6 及1 p h 电机。 s i n u m e r i k8 0 2 s 一经济型方案的最佳选择。模块化设计，3 2 位微处理器；带有图 形支持的n c 编辑功能，中英文显示；方便快捷的p l c 编程；可控制2 3 个进给轴，带 有闭环速度控制的主轴接口；按照欧洲技术标准设计的步进电机和驱动，高性能价格比 的、全新的工艺型数控系统。 1 2 2f a n u c 数控系统 日本f a n u c 公司自5 0 年代末期生产数控系统以来，已开发出4 0 多种系列的数控 系统 7 1 。8 0 年代，f a n u c 公司较有代表性的系统是f 6 和f 1 1 系列，9 0 年代，其主要 产品有f 0 和f 1 5 系列，目前，以f o i 与f 1 6 i 、1 8 i 最为常见。 f a n u c 系统在设计中大量采用模块化结构，所配置的系统软件具有比较齐全的基 本功能和选项功能，提供大量丰富的p m c 信号和p m c 功能指令，有很强的d n c 功能， 提供丰富的维修报警和诊断功能，具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力，有较完善的保 护措施。 f a n u c0 i 系统目前应用比较多，o i 系统与f a n u c l 6 1 8 2 1 等系统的结构相似，均 为模块化结构。其集成度较f a n u c0 系统的集成度更高，因此o i 控制单元的体积更小， 便于安装排布。采用全字符键盘，可用b 类宏程序编程，使用方便。用户程序区容量比 0 m d 系统大一倍，有利于较大程序的加工。使用编辑卡编写或修改梯形图，携带与操 大连理工大学专业学位硕士学位论文 作都很方便。使用存储卡存储或输入机床参数、p m c 程序以及加工程序，操作简单方 便。系统具有h r v ( 高速矢量响应) 功能，伺服增益设定比0 m d 系统高一倍，理论上可 使轮廓加工误差减少一半。机床运动轴的反向间隙，在快速移动或迸给移动过程中由不 同的间隙补偿参数自动补偿。o i 系统可预读1 2 个程序段，比0 m d 系统多。与0 m d 系 统相比，o i 系统的p m c 程序基本指令执行周期短，容量大，功能指令更丰富，使用更 方便。o i 系统的界面、操作、参数等与1 8 i 、1 6 i 、2 1 i 基本相同。0 i 系统比0 m 、0 t 等 产品配备了更强大的诊断功能和操作信息显示功能，给机床用户使用和维修带来了极大 方便。在软件方面o i 系统比0 系统也有很大提高，特别在数据传输上有很大改进。 1 2 3 广州数控系统 广州数控【8 】自1 9 9 1 年成立以来已经研发了g s k 9 8 3 m v 、9 8 0 m d 铣床数控系统、 g s k 9 8 0 t d 、9 2 8 t e i i 、9 8 0 t b l 、2 1 8 t b 车床数控系统、g s k 2 1 8 m 、9 9 0 m a 铣床数控系 统、9 2 8 g 刖g e 磨床数控系统，d a p 0 3 主轴伺服驱动、z j y 2 0 8 、z j y 2 6 5 主轴伺服电机， 8 0 s j t 系列伺服电机。 g s k 9 8 0 t d 车床数控系统自2 0 0 5 年推向市场以来，凭借其优秀的可靠性、良好的 可操作性和较高的性能价格比优势得到市场的认可，采用3 2 位高性能c p u 和超大规模 可编程器件f p g a ，运用实时多任务控制技术和硬件插补技术，实现岬级精度运动控 制和p l c 逻辑控制x 、z 二轴联动、l a i n 级插补精度，最高速度1 6 m m i n ( 可选配3 0 m m i n ) ， 内置式p l c ，可实现各种自动刀架、主轴自动换档等控制，梯形图可编辑、上传、下载； i o 口可扩展选配功能) 具有攻丝功能，可车削公英制单头多头直螺纹、锥螺纹、端 面螺纹，变螺距螺纹，螺纹退尾长度、角度和速度特性可设定，高速退尾处理支持c n c 与p c 、c n c 与c n c 间双向通讯，系统软件、p l c 程序可通讯升级，提供多级操作密 码功能，方便设备管理，具有螺距误差补偿、刀尖半径补偿、反向间隙补偿功能，集 成中文、英文显示界面，由参数选择，具有s 型、指数型加减速控制功能，适应高速、 高精加工，零件程序全屏幕编辑，可存储3 0 0 0 k b 、1 9 2 个零件程序，安装尺寸、电 气接口、指令系统、操作显示界面与9 8 0 t a 兼容。 1 2 4 华中数控系统 武汉华中数控股份有限公司是国内自主开发数控系统的龙头企业，是国家高新技术 产业化基地。 华中数控以“世纪星”系列数控单元为典型产品，华中世纪星h n c 2 1 2 2 t 数控系统 被认定为首批先进制造类国家自主创新产品。采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式 工业p c ，配置彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单 新型车削中心电气设计与调试 元接口、内嵌式p l c 接口于一体，有d n c 、以太网等程序交换功能。具有低价格、高 性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。已成功应用于车、铣、加工 中心等各类数控机床的控制，市场前景广阔，经济价值显著。最大联动轴数为4 轴，采 用开放式体系结构，内置嵌入式工业p c l 9 1 。 h n c 一3 2 数控系统是华中数控系统中的高端产品，是依托i t 行业和现场总线技术的 最新研究成果，紧跟数控系统发展趋势，开发出的新一代总线型高档数控系统。系统基 于工业p c ，采用多处理器及总线结构为硬件平台，以实时操作系统为开放式软件平台， 利用硬件高处理速度与软件开放灵活的优势，实现多轴、多通道高速、高精运动控制。 支持4 通道控制( 可以扩展) ，3 2 个进给轴，4 个主轴；每个通道最大支持9 轴联动。 h n c - 2 1 0 a 、h n c 2 1 0 b 、h n c 一2 1 0 c 系列数控装置采用一体化模具设计，工程操作面板 采用独立安装的形式。集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式p l c 接口 于一体，采用电子盘程序存储方式以及c f 卡、u s b 盘、d n c 、以太网等程序扩展及数 据交换功能，t f t 彩色液晶显示屏有8 4 时、1 0 4 时、1 5 时三种规格。最大控制轴数： 3 2 轴( 4 通道、每个通道8 轴联动) ，主要应用于数控车床和车削加工中心，铣床和加 工中心。全数字交流伺服驱动单元和交流伺服电机全数字交流伺服驱动单元产品包括： h s v 1 8 0 d 、h s v 1 6 0 、h s v 1 6 2 、h s v 1 6 系列等，主轴驱动单元产品：h s v 1 8 0 s 系 列等。交流伺服驱动3 0 0 0 r m i n ，交流伺服主轴驱动最大转速4 0 0 0 0 r m i n 。交流伺服电 机包括：g k 6 系列交流伺服电机，转矩范围从1 1 n m 到1 7 0 n m ，g m 7 系列交流伺服主 轴电机，功率范围从2 2 k w 到1 0 0 k w ，最高转速9 0 0 0r m i n 。特种交流伺服电机，可 在- 4 0 - + 6 0 内工作，交流伺服电机防护等级达到1 p 6 6 。 1 3 本文主要研究内容 本文是侧重于电气设计和处理调试难点的文章。根据作者在设计调试配置f a n u c o it c 数控系统，机床型号为c k a 6 1 8 0 h 车削中心过程中，所进行的电气设计，调试难 点，常见故障分析。 本文首先对数控机床发展的意义，国内外知名数控系统做了介绍，对传统和新型车 削中心概况进行了介绍，对车削中心的电气总体设计进行了介绍，包括电气设计依据与 设计方法，f a n u c0 it c 系统的技术特点，伺服刀塔电气连接调试，并进行了设计举例。 对c s 轮廓控制，多主轴控制，主轴自动换档调试难题进行了讨论，对常见故障进行了 分析总结。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 车削中心概况 2 1 传统车削中心概述 车削中心比数控车床工艺范围宽，工件一次安装，几乎能完成所有表面的加工，如 内外圆表面、端面、沟槽、内外圆及端面上的螺旋槽、非回转轴心线上的轴向孔、径向 孔等【l o l 。 车削中心回转刀架上可安装如钻头、铣刀、铰刀、丝锥等回转刀具，它们由单独电 动机驱动，也称自驱动刀具。在车削中心上用自驱动刀具对工件的加工分为两种情况， 一种是主轴分度定位后固定，对工件进行钻、铣、攻螺纹等加工；另一种是主轴运动作 为一个控制轴( c 轴) ，c 轴运动和x 、z 轴运动合成为进给运动，即三坐标联动，铣 刀在工件表面上铣削各种形状的沟槽、凸台、平面等。在很多情况下，工件无须专门安 排一道工序单独进行钻、铣加工，消除了二次安装引起的同轴度误差，缩短了加工周期。 车削中心回转刀架通常可装刀具1 2 - - 1 6 把，这对无人看管柔性加工来说，刀架上 的刀具数是不够的。因此，有的车削中心装备有刀具库，刀库有筒形或链形，刀具更换 和存储系统位于机床一侧，刀库和刀架间的刀具交换由机械手或专门机构进行。 车削中心采用可快速更换的卡盘和卡爪，普通卡爪更换时间需要5 1 0 m i n ，而快 速更换卡盘、卡爪的时间可控制在2 m i n 以内。卡盘有3 5 套快速更换卡爪，以适应不 同直径的工件。如果工件直径变化很大，则需要更换卡盘。有时也采用人工在机床外部 用卡盘夹持好工件，用夹持有新工件的卡盘更换已加工的工件卡盘，工件卡盘系统 更换常采用自动更换装置。由于工件装卸在机床外部，实现了辅助时间上和机动时间的 重合，因而几乎没有停机时间。 现代车削中心工艺范围宽，加工柔性高，人工介入少，加工精度、生产效率和机床 利用率都很高。 2 2 新型车削中心简介 2 1 1 主要技术特点 新型车削中心机床是在平床身经济型数控车床的基础上，增加动力刀塔、c 轴、床 头箱自动变档功能。采用f a n u c0 it c 系统，主电机采用广域交流伺服电机，功率为 11 1 5 k w ，配合高分辨率的脉冲编码器和主轴液压制动装置，可实现高精度的c 轴分度 功能和铣削功能，并且有低速大扭矩的输出特性。可对巾5 0 0 以内的轴类零件和巾8 0 0 新型车削中心电气设计与调试 以内的盘类零件进行各种车削、钻削、铣削、攻丝等工序的自动加工。特别是主轴通过 液压和电磁离合器变档，实现了1 ：4 0 的大范围四档自动变速。 主传动系统采用广域交流伺服电机驱动，机床纵横向运动副采用交流伺服电机驱 动，机床配备意大利进口十二工位动力刀塔和轴向、径向动力刀具，可完成车削以外的 钻削、铣削、攻丝等复合加工，提高零件加工的工序集中能力和加工精度。 机床配备独立的自动润滑系统和半封闭防护，保证机床始终处于良好的工作状态， 可大大提高机械加工的自动化水平。 2 1 2 主要技术参数 ( 1 ) 加工范围 最大回转直径：中8 0 0 m m 最大切削直径( 轴盘) ：4 9 0 r m n * 8 0 0n 珊 最大切削长度：1 2 5 0 m m ( 2 ) 规格 主轴型式： c 1 1 主轴锥孔：公制1 2 0 主轴最高转速：10 0 0 r m i n 主轴前轴承：内径1 6 0 主轴通孔直径：1 0 0 m m 环形编码器： a 8 6 0 214 0 一t 611 快速移动速度：x 轴4 m m i n ，z 轴8 m m i n 切削进给速度：0 - - - 4 0 0 0m m m i n x z 轴最大行程：x 轴4 0 0 m m ，z 轴1 5 0 0 m m ( 3 ) 机床精度标准 整机精度 根据j b t 8 3 2 4 1 9 6 数控卧式车床精度： 定位精度： ( x ) 0 0 3 m m ，( z ) 0 0 5 m m 重复定位精度： ( x ) o 0 1 2 m m ，( z ) 0 0 2 5 m m 反向差值： ( x ) 0 0 1 3 m m ，( z ) 0 0 2 m m 圆度：0 0 0 5 m m 圆柱度：0 0 3 3 0 0 m m 平面度：0 0 2 5 3 0 0 m m 大连理工大学专业学位硕士学位论文 c 轴分度精度 定位精度：7 2 重复定位精度：3 6 ( 4 ) 主轴传动系统 主轴传动系统在经济型数控车床c k a 6 18 0 的基础上，增加主轴定位、液压制动功 能。液压制动功能分高低压两种夹紧形式。可实现阻尼切削和定位加工。 ( 5 ) 进给系统 交流伺服电机扭矩x z 轴：8 n m 2 2 n m ( 6 ) 动力刀塔 刀塔工位数：1 2 工位( 1 2 个工位均可安装动力刀具) 动力刀具驱动电机功率( k w ) ：5 5 比率：1 4 5 ：l 外圆刀尖回转直径( 衄) ：由5 4 0 动力刀具最大回转直径( 衄) ：咖6 6 0 换刀方式：按最短路径，任意换刀。 换刀时间( 相邻一周) ：0 5 s 0 。9 9 s 刀柄尺寸：3 2 m m 2 5 m m 动力刀具最大钻孔能力( m m x r n n v u ) ：巾2 2x 0 2 动力刀具最大攻丝能力( m m x m m ) ：m 1 8 2 动力刀具最大铣削能力( m m x m i n x m m m i n ) ：2 5 x 2 0 x 4 0 ( 7 ) 机床结构 床身和床腿连接 机床设计制造符合国家标准 机床所有零部件和各种计量单位全部符合国家单位标准 x z 轴导轨形式：贴塑滑动导轨 x z 轴丝杠形式：滚珠丝杠 ( 8 ) 机床防护 机床防护装置安全、半封闭、可靠 机床防护为双拉门结构，便于工件吊装和上下料 机床噪声：符合国家标准 8 3 d b 电控柜冷却采用空调降温，密封防尘，防护等级i p 5 4 拉门观察窗，主轴后端加接水盒，将主轴通孔流出水接回水箱。 新型车削中心电气设计与调试 ( 9 ) 润滑系统 采用自动集中润滑装置，对各滑动面及滚珠丝杠施行强制润滑。 油位过低( 缺油) 时机床显示报警 ( 1 0 ) 冷却系统 冷却泵电机功率0 0 9 k w 刀塔冷却管为内藏式 ( 1 1 ) 电气系统 符合g b 厂r 5 2 2 6 1 1 9 9 6 工业机械电气设备第一部分：通用技术条件标准 系统具有完善可靠的联锁、安全保护和故障自诊断报警等功能 配有r s 2 3 2 标准通讯接口，外接手脉，可用计算机软盘进行程序的储存 数控系统：f a n u c0 it c交流主轴电机： 11 1 5 k w x z 轴伺服电机：8 n m 2 2 n m 动力刀具驱动电机： 5 5k w 随机配有5 m 数据线、存储卡。 ( 1 2 ) 尾座 尾座套筒最大行程( 咖) 2 4 0 尾座套简直径( 衄) 巾1 0 0 尾座轴心锥度( 莫氏) 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 3 车削中心的电气总体设计 3 1电气设计主要内容简介 新型车削中心电气设计主要内容包括f a n u c0 it c 系统、动力刀塔、冷却系统、 液压系统、导轨润滑系统的连接以及辅助功能的设计。在以下的章节里将对f a n u c0 i t c 系统的技术特点进行分析，对动力刀塔连接调试进行详细介绍，对系统上下电线路 图进行设计，对系统硬件连接进行设计，对冷却系统、液压系统、导轨润滑系统的连接 进行设计，对主轴自动换档原理进行分析。 3 2 设计依据与设计方法 3 2 1 设计依据 电气控制系统设计【ll 】依据是电气设备设计任务书，电气设备设计任务书由机床主任 设计师提出。电气设计人员在进行设计前要深入了解任务书的要求，并特别注意以下问 题： ( 1 ) 详细了解机床工作循环及其互锁要求。 ( 2 ) 熟悉组成机床的各通用及专用部件的动作过程及其对电气控制系统的要求。 ( 3 ) 对液压系统要有一定的了解，同时要掌握电磁阀的性质、有关数据及电磁铁 压力继电器等液压元件的接通表。 3 2 2 设计方法 在接到电气设备设计任务书及液压系统图后，首先必须深入了解机床的工作循环。 对机床的总体方案应该做到心中有数，吃透机械、液压设计意图，然后制定电气控制方 案。在制定出电气控制方案后，首先进行各个环节的设计，最后加以综合。综合设计时 应注意以下两点： ( 1 ) 检查各个控制信号的准确性及主令信号的单一性。所谓准确性就是要求每一个控 制信号，只能代表个明确的概念，不允许有一个以上的解释。如油位低不能和 主轴高速信号混为谈：所谓单一性是指在一特定的条件下，对某一特定装置起 作用。 ( 2 ) 互锁的严密性。控制线路的设计应该严密而合理，这主要取决于互锁条件的选择 是否严密而合理。因此，互锁条件对电气控制系统设计来说关系极大。所谓互锁 的严密性有两层意义：一方面是互锁信号要合乎客观实际需要，即通过互锁信号 新型车削中心电气设计与调试 来实现各运动部件之间的相互制约：另一方面，每一个互锁信号应具有明确的概 念，这与控制信号的准确性是一个意义。 3 3f a n u c0 it c 系统的技术特点 该车削中心采用的是f a n u co it c 系统，以下对系统的技术特点做简单的介绍。 f a n u c0 it c 系统是作为低价位机床而被开发出来的高可靠性的c n c ，最大控制 轴数为4 轴。 高性能的内置p m c 能够对机床和外围设备执行顺序控制，机床厂配置了随机存储 芯片，因而能够在c n c 上直接改变p m c 程序和宏执行器程序，无需专用的洲写入 器或p m c 写入器。在显示器方面可以选择7 2 英寸l c d m d i 单元，还可以选择8 4 英 寸彩色l c d 、l o 4 英寸l c d 以及附具有电脑功能的显示单元。如果使用以太网，可以 在加工生产线和工厂主机间建立起进行信息交换的生产系统。图形显示功能可在c n c 显示器上绘出加工工件的刀具路径图形，这样可以在加工前预先模拟加工程序。报警和 操作履历自动地将报警操作状态记录在c n c 存储器，大大方便了故障的诊断。c n c 的 数据，如参数、部件加工程序和偏置数据等都可存储在p c m c i a 存储卡中以便于操作， 也便于在必要的时候恢复。c n c 显示器以波形显示诸如位置误差、指令脉冲、扭矩指 令等各种伺服数据，这样不用示波器即可调整伺服状态，找出伺服的故障。若不熟悉 c n c 操作，可使用帮助功能以了解操作详情或在出现c n c 报警时采取应对措施。 在进给控制方面通过极其顺滑旋转的伺服电机，高精度的电流检测，高响应和高分 辨率的脉冲编码器等硬件和伺服h r v 控制的有机结合，可以实现高速、高精度的控制。 此外，还可以通过共振随动型h r v 滤波器，避免频率变动的机械共振。 在主轴控制方面通过改进高速d s p 和控制软件运算法则( 主轴h r v 控制) ，提高 了电流控制的响应性和稳定性。通过缩短速度回路运算周期和高分辨率的检测电路，实 现高响应、高精度的控制，此外，还可大幅提高c 轴轮廓控制的性能。 伺服调试指南软件提供伺服和主轴调整所需的测试程序的编制，参数的设定，数据 的测量等完整的调试环境。同时还有对应避免谐振的h r v 滤波器的自动调整功能。通 过伺服调试指南，可以在短时间内完成主轴和伺服相关参数的最优化。 编程支持工具包括m a n u a lg u i d ei ，轮廓编程，固定循环 m a n u a lg u i d ei 一即使不熟悉的使用者，使用新型对话编程功能“操作指南i ， 也可以轻易地编制加工