机电一体化毕业设计（论文）TOM850加工中心主轴控制程序设计与分析

1、毕业设计（论文） 作 者： 学 号： 系 部： 机械工程系 专 业： 机电一体化 题 目： tom850 加工中心主轴控制程序设计与分析 指导者： 评阅者： 2011 年 4 月 毕业设计（论文）中文摘要 本论文主要介绍了加工中心的主轴控制系统的结构、分类及发展方向；根 据电气控制的要求，进行电气方案的确定，设计了的电气原理图，主要包括电源 电路、主轴电路、强电控制电路及 plc 输入/输出电路等。根据设计要求及强电 控制线路和控制要求，编写 plc 程序，主要包括主轴定向，主轴正反转以及齿轮 换挡等。介绍了 fanuc 系统内置 plc 的地址信号、fanuc 系统的指令以及编程； 总结了一

2、些主轴驱动系统的故障及维修方法。最后，针对所设计的内容进行总结。 关键词：cnc;主轴控制系统；plc 毕业设计（论文）外文摘要 abstractabstract： this paper mainly introduced nc lathe spindle control system structure, classification and direction. according to the electrical control requirements, electrical scheme, design of electrical determined principle char

3、t, mainly including power supply circuit, spindle circuit, control circuit and specialized plc input/output circuit, etc. according to the design requirements and control circuit and control requirements summarizes some spindle drive systems fault and maintenance method. finally, designed by summari

4、zes the contents. keywords: cnc; spindle control system; plc 目录目录 第 1 章 概述.5 1.1 课题的背景及意义.6 1.2 数控机床主轴控制系统简介.6 1.3 tom850 立式加工中心主要用途和特点.9 第 2 章 电气控制系统的设计.11 2.1 电气方案的确定.11 2.2 电气原理图的设计.13 第 3 章 plc 程序的设计.20 3.1 fanuc 系统 plc 信号简介.20 3.2 fanuc 系统的 plc 指令.20 3.3 plc 程序编程.25 第 4 章 交流伺服主轴驱动系统及故障维修.28 4.1

5、 交流伺服主轴驱动系统.28 4.2 交流伺服主轴驱动系统常见故障.29 结 论.36 致谢.37 参考文献.38 第第 1 1 章章 概述概述 现代化的金属切削机床均用电动机作为动力源.机床主轴转速、位置进给 量的调节以及工作循环的控制与操作等离不开相应的电气控制系统.机床的电气 控制系统已经成为现代机床不可缺少的重要组成部分.而以电气为主的自动控制 系统使机床的性能不断提高,使其工作机构.传动机构大为简化。众所周知，高 速主轴系统历来就是数控机床三大高新技术之一(高速主轴、数控系统、送给驱 动)。 随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不 断地向高速、高精、高效、高智

6、能化发展，内装式电主轴单元已成为最能适宜 上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一。尤其是在多轴联动、多面体加 工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，内装式电主轴单元的优异特 点是其他类型主轴单元不能替代的。 据中国机床工具工业协会专项信息emo2003 考察报告汇编介绍：2003 年意大利米兰欧洲国际机床展览会中，大部分展出的加工中心均采用电主轴配 置。其最高转速普遍为 12,000-20,000r/min。其中最高的是日本 makino 铣床 公司的 j4m 卧式加工中心，其配备的电主轴最高转速可达 60,000r/min。本次 展会电主轴展品琳琅满目，具有不同档次的技术性能，可选择

7、性较大。高速电 主轴的最高转速及功率、扭矩普遍提高。有的还采用了传感技术对振动进行监 测和诊断。瑞士的 ibag、step-tec、flscher、starrag-heckert 公司，德国的 gmn、cytec、ina，意大利的 gamfier、omlat 等公司的电主轴都各有特色。 我国大型数控铣、加工中心和数控车床实用型电主轴的开发始于 1998 年。洛 阳轴研科技股份有限公司在“九五”期间，以国家重点科技攻关项目为依托， 先后开发了装备国产电机的、最高转速为 15,000r/min、12,000r/min。10,000r/min、 8,000r/min 的内装式电主轴，其 最大扭矩为

8、129nm。 十五”期间又继续开展上述科技攻关工作。到 2003 年止，洛阳轴研科技股 份有限公司又先后开发了用于高速数控铣的 30,000r/min 电主轴和用于加工中 心的 24,000r/min 电主轴。同时又系列开发了转速自 5,000r/min 到 12,000r/min 的数控车床用电主轴。与此同时，北京机床研究所数控机床有限 公司也相继开发了用日本 funac 电机组装的 15,000r/min、20,000r/min 电主轴。 北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用德国 rexroth 的电机组装成转 速高于 10,000r/min 的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈合作也

9、开发出转速 高于 10,000r/min 的电主轴。近期又有汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有 限公司，大连金功机械有限公司等数家企业相继投入开发电主轴单元的行列。 1.11.1 课题的背景及意义课题的背景及意义 国内外数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现 状。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，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。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产 量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水

10、平的 重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非 常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。 主轴是数控车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范 围，提升加工质量有着重要的作用。 从手动控制发展到自动控制，从简单的控制设备发展到复杂的控制系统， 从有触点的继电接触器控制系统发展到以计算机为核心的软件控制系统，电 气控制技术是随着元器件的不断更新和计算机技术的发展，并且综合应用了计 算机、自动控制、电子技术、精密测量等先进科技成果而迅速发展起来的。由 于 plc 可靠性很高，平均无故障运行时间可达 10 万小时以上，可以大大

11、减少 设备维修费用和停产造成的经济损失。当前 plc 已经成为电气控制系统中应用 最为广泛的核心装置，在工业自动控制领域占有十分重要的地位。 1.21.2 数数控机床主轴控制系控机床主轴控制系统简介统简介 目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统 的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速 电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合 理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种 工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的 调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指

12、令自动进行的，因此变 速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日 趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提 高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的主传动系统中更能显示出它的优越 性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础 上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时 就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传 动主要有三种配置方式。 (1)带有变速齿轮的主传动 这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩 大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的

13、要求。一部分小型数控机床业采 用此种传动方式，以获得强力切屑时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用 液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。 (2)通过皮带传动的主传动 这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。 但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。 (3)由调速电机直接驱动的主传动 这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部 件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。 1.2.1 主轴控制系统结构和原理 主轴是车床最主要的部件之一，整个机器的性能很大程度上决定于主轴的 性能，主轴直接承受切屑力，转速的范围很大。所以我们引入主轴控制系统

14、,利 用 cnc 控制器监控主轴的转动速度和方向来完成对工件的精确加工。主轴控制 系统由五个部分组成：控制器 cnc、变频器、编码器、主轴电机、主轴。 主轴控制系统原理图如图 1-1 所示 图 1-1 主轴控制系统原理图 1.2.2 主轴控制系统的发展方向 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达 国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现 代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动 检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点， 对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前

15、，数控 技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时 动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型 化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科 技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调 节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， cad/cam 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加 工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，cnc 只能作为非智 能的机床运动控制 器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工 前用手

16、工方式或通过 cad/cam 及自动编程系统进行编制。cad/cam 和 cnc 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 cnc 只是一个封闭式的开环执行机构。 在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、工件材料、主轴转速、 进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加工参数，无法在现场环 境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修 正 cad/cam 中的设定量，因而影响 cnc 的工作效率和产品加工质量。由此 可见，传统 cnc 系统的这种固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了 cnc 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过程，因此，对数控 技

17、术实行变革势在必行。 1.31.3 tom850tom850 立式加工中心主要用途和特点立式加工中心主要用途和特点 tom850a 立式加工中心是一种高质量、高精度、高性能的高档技术密集型 产品。 该机床具有 xyz 轴三个数控轴,可实现三轴控制,各座标轴可自动定位, 工件在一次装夹后,可自动完成铣钻镗铰和攻丝等多种工序的加工。如果 选用数控转台, 机床可扩大为四轴控制,工件在一次装夹后,可自动完成多面 加工。特别适合加工各种复杂模具的型腔和表面，也适合加工中小型板件 盘件壳体件等零件。 该机床的设计采用了国内外最新发展的数控技术及机械加工技术,具有以下特 点: 本机床的铸件均采用树脂砂铸件，

18、且经过两次人工时效处理，稳定性好， 强度高，各项精度稳定可靠。 本机床所选用的主轴系统全套从台湾的专业生产配套厂商进口，各重要零 部件均经过强化处理；主轴采用世界名牌 p4 级主轴专用轴承及 klubr nbu15 油 脂，在恒温条件下组装，且经过高速动平衡校正及 跑合测试，整套主轴的使用寿命长，可靠性高。 本机床三轴滚珠丝杠均采用台湾顶级配套厂商 pmi 提供的高精密 c3 级双 螺母预紧滚珠丝杠，丝杠轴承均采用进口 p4 级大接触角配对组合滚珠丝杠专用 轴承，三轴滚珠丝杠均进行预拉伸安装。联轴器采用进口 bk3 型联轴器，从而 使得三轴的传动刚性强，精度稳定可靠与强化导轨相结合的滑鞍导轨、

19、工作台 导轨均采用耐磨贴塑处理，降低了导轨间的动静摩擦阻力，在低速进给时无爬 行，高速进给时振动小，提高了机床的运动精度。 机床采用自动集中供油润滑系统，可确保任一润滑部位得到的定时定量的 润滑。 机床设计采用了机电一体化结构,控制柜.润滑气动装置都安 装在立柱和床身上,减少了占地面积,简化了搬运和安装,机床操纵箱紧贴在 机床防护右側,操纵箱体可在一定范围内转动,操作灵活方便。 工作台面尺寸mm 1050500 工作台行程（x 向）mm800 滑鞍行程（y 向）mm500 主轴箱行程（z 向）mm550 主轴端面至工作台面的距离mm105655 主轴中心线至立柱导轨面的距离mm550 主轴锥孔

20、bt40 主轴最高转速rpm8000 主电机功率kw7.5/11 工作进给速度mm/min015000 快速进给速度m/min18 刀 柄bt40 拉 钉lda-40bt 刀库容量24 把 刀具换刀时间s6 相邻刀位有 刀 80 刀具最大直径 相邻刀位无 刀 mm 120 刀具最大重量 kg8 x 轴0.008 定位精度 gb/t17421.2-2000 y 轴 mm 0.008 z 轴 0.008 x 轴0.006 y 轴0.006重复定位精度 gb/t17421.2-2000 z 轴 mm 0.006 工作台最大荷载质量kg800 机床外观尺寸（长宽高）mm 275021802 540 第

21、第 2 2 章章 电气控制系统的设计电气控制系统的设计 2.12.1 电气方案的确定电气方案的确定 2.1.1 主轴变速的方式 数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分 比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造水平的重要标志之一。数控车床 是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来 一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中的一 个重要部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要 的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床 停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用

22、无级变速。目 前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或 交流主轴电机。通过带传动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮 （以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调 速，使主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上 使用非常普遍。 .2 车床数控系统车床数控系统 (1)fanuc 数控系统 fanuc 数控系统由日本富士通公司研制开发，目前在我国得到了广泛的应 用。在中国市场上，应用于车床的数控系统主要有 fanuc 0i tatbtc 和 fanuc 0imate ma 等。 (2)siemens 数

23、控系统 siemens 数控系统由德国西门子公司开发研制，该系统在我国应用也相当 普遍。目前，在我国市场上，常用的数控系统除 sinumerik 840dc 和 sinumerik 840dm 等。 (3)国产系统 国内常用于车床的数控系统有华中数控系统，如 hnc21t 操作面板等；广 州数控系统，如 gsk928t、gsk980t 操作面板等；北京航天数控系统，如 casnuc 2100 等；南京仁和数控系统，如 renhe 一 321ot100t 等。 （4）其他系统 除了以上 3 类主流数控系统外，国内使用较多的数控系统还有日本三菱数 控系统和大森数控系统、法国施耐德数控系统、西班牙的

24、法格数控系统和美国 的 ab 数控系统等。 .3 电气方案的确定电气方案的确定 1fanuc 的数控系统的优点 通过本课题的调研情况综述，我们了解到 fanuc 的数控系统具有高质量、 高性能、全功能，适用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超 过其他的数控系统。主要体现在以下几个方面: （1）系统在设计中大量采用模 块化结构。这种结构易于拆装，各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高， 而且便于维修、更换； （2）具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力。其工作环 境温度为 045，相对湿度为 75； （3）有较完善的保护措施。fanuc 对 自身的系统采用比较好的保护电路；

25、 （4）fanuc 系统所配置的系统软件具有 比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足 使用要求； （5）提供大量丰富的 pmc 信号和 pmc 功能指令。这些丰富的信号 和编程指令便于用户编制机床侧 pmc 控制程序，而且增加了编程的灵活性； （6）具有很强的 dnc 功能。系统提供串行 rs232c 传输接口，使通用计算机 pc 和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的 dnc 操作； （7）提供丰富的维修报警和诊断功能。fanuc 维修手册为用户提供了大量的报 警信息，并且以不同的类别进行分类。 2可编程控制器的优点 （1）可靠性高。 可靠性是用

26、户的首要要求，因而 plc 的生产厂家都着力 于提高可靠性指标。目前各生产厂家生产的 plc，其平均无故障时间都大大超 过了 iec 规定的 10 万小时。而且规模较大、要求较高的系统还可以采用多机冗 余系统或表决系统，再进一步提高系统的可靠性。 （2）编程方便，易于使用。 plc 编程可采用与继电器电路极为相似的梯 形图语言，直观易懂，深受现场电气人员的欢迎。今年来又发展了面向对象的 顺控流程图语言，使编程简单更方便。 （3）控制功能极强。 除基本的逻辑控制、定时、记数、算术运算等功能 外，配合特殊功能模块还可以实现点位控制、pid 运算、过程控制、数字控制 等功能，为了方便工厂管理又可以上

27、位机通信，通过远程模块可以控制远方设 备。因此，plc 几乎是全能的工业控制计算机。 （4）扩展及外部联接极其方便。由于具有上述特点，故 plc 的应用范围极 其广泛。可以说只要有工厂，有控制要求，就会应用 plc。 3主轴变频器的优点 变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，其靠改变 电机电源频率来实现调速的，调速范围大，可减速也可增速，并且可以作为电 机的启动器，有节能，提高生产率，提高产品质量，设备合理化，节省维护， 工厂自动化，改善环境，耐恶劣环境等很多的优点。 通过以上分析，故本课题所设计的数控车床采用了日本 fanuc 公司的数控 系统，能够实现我们的设计方案。 2

28、.22.2 电气原理图的设计电气原理图的设计 电气原理图是表达所有电器元件的导电部件和接线端子之间的相互关系。 根椐便于阅读和分析线路及简单清晰的原则，电气原理图应该采用标准电气元 件图形符号绘制。电气原理图一般分为主电路和辅助电路两部分。主电路是从 电源到电动机等通过大电流的电路。辅助电路包括控制电路、照明电路、信号 电路和保护电路等，辅助电路中流过的是小电流。 .1 cnccnc 电路的电路的设计设计 本课题采用 fanuc 公司 power 0ic 数控系统，该系统有以下性能。 1）可控制 2 台性能价格比好的 fanuc 系列交流伺服电动机。 2）采用最新的新硬件技术，

29、控制器小型、紧凑、可靠性更高。 3）内置 plc，可简化外部强电线路。具有螺纹切削、恒线速控制、刀尖半 径补偿等车削特有的功能。此外为了简便地制定加工程序，配备了用户宏程序 功能，提高加工精度的补偿功能。 4）显示器 crt/mdi 画面清晰，操作方便。 cnc 电路如图 2-1，w1-a1 为 cnc 装置。cnc 装置控制变频器（ja11） 、主轴 位置编码器(ja12)、手摇脉冲发生器（w1-gp）及强电柜；m1-k1 为接通/断开 继电器。 图 2-1 cnc 电路图 2.2.2 电源电路的电源电路的设计设计 电源电路如图 2-2,.其中 d1-qf1 为电源总断路器，电源 ac380

30、v 供给变 频器。d1-tc1 为控制变压器，一次侧为 ac380v，二次侧为 220v，为交流接 触器提供电源；d1-vc1 为开关电源，为 cnc、crt/mdi、中间继电器提供 dc24v 电源。d1-fu1、-fu2、-fu3、-fu4、-fu5 为电路的断路保护。 2.2.3 主轴电路的主轴电路的设计设计 主轴电路如图 2-3，采用变频器（h1-a1）控制，配置 3.7kw、2890 r/min 的交流异步电动机（h1-m1） ，这是一个速度开环控制系统。cnc 输出的模拟 信号（010v）到变频器 13、14 端，从而控制电动机的转速，通过设置变频器 的参数，实现从最低速到最高速的

31、调速；h1-k1 为主轴交流接触器，接通/断开 主轴动力电源；主轴上的位置编码器 h1-gp 使主轴能给驱动同步控制，以便加 工螺纹；m3-k2、m3-k3 为主轴正反转继电器，通过 plc 实现正反转；m1-k2 为急停继电器，当按下急停按钮时，断开主轴电路；当变频器有异常情况时， 通过 1、2 端子输出报警信号到 plc。 图 2-3 主轴电路图 .4 强电控制电路的强电控制电路的设计设计 强电控制电路如图 2-4.当按下急停按钮 m1-sb1 时，sb2、sb3 为 cnc 接通/ 断开按钮，发出急停信号-k2 停止主轴转动，打开电源钥匙 m1-sa1,接通中间继 电器-

32、k3，ac220v 上电，m3-k1 为通过 plc 接通主轴电动机接触器 h1-k1 的信号。 图 2-4 强电控制电路 2.2.5 plcplc 输入输入/ /输出电路输出电路的设计的设计 plc 的输入电路如图 2-5，m2-sb1、-sb2 为主电动机接通/断开按钮；按下 急停按钮时发出急停信号 m1-k2，机床立即停止工作；当机床设备异常，出现 一个报警信号时，报警灯亮。 图 2-5 plc 的输入电路 plc 的输出电路如图 2-6，m3-k1 为接通主轴电动机继电器，-k2、-k3 为主 轴正反转继电器。 图 2-6 plc 的输出电路 位号 地址号 x12.3 第第 3 3 章

33、章 plcplc 程序的设计程序的设计 3.13.1 fanucfanuc 系统系统 plcplc 信号简介信号简介 fanuc 系统 pmcpa1 型 plc，plc 的输入/输出信号是来自机床侧的直流信 号。信号地址表明了信号的位置。这些地址信号包括机床的输入/输出信号和 cnc 的输入/输出信号、内部继电器、非易失性存储器等。 其信号地址由地址号（字母和其后四位之内的数）和位号（07）组成， 格式如图 4-1 所示。主要的地址类型如表 4-1 所示。 地址类型表 3-1 plc 的内部 r 与非易失性存储器 d 都是系统内部存储器，但是他们之间 有所区别。r 地址中的数据在断电后会丢失，

34、在上电时候其中的内容为 0，而 d 地址中的数据断电后可以保存，因而常用来做 plc 的参数或者用做数据表。 3.23.2 fanucfanuc 系统的系统的 plcplc 指令指令 数控机床用 fanuc plc 有 pmc-a、pmc-b、pmc-c、pmc-d、pmc-g 和 pmc-l 等多种型号，它们分别适合用于不同的 fanuc 数控系统，组成内装式的 plc。plc 变成使用惯用的继电器符号和简单的逻辑指令、功能指令编制梯形图， 其读/写存储器 ram 主要用于存放随机变化的数据、表格等，接有备用锂电池能 实现断电自保，输出负载能力小于 5va，最大可达 25va。fanuc p

35、lc 的输入信 符号符号类型 x 由机床至 plc 的输入信号 （mtplc） y 由 plc 至机床的输出信号 （plcmt） f 由 cnc 至 plc 的输入信号 （cncplc） g 由 plc 至 cnc 的输入信号 （plccnc） r 内部继电器 图 3-1 信号地址的格式 d 非易失性存储器 号式来自机床侧的直流信号，规格为 30v，16ma。 在 fanuc 系列的 plc 中，有基本指令和功能指令两种指令，型号不同时，只 是功能指令的数目有所不同，除此以外，指令系统是完全一样的。 表 3-2 基本指令 n o. 指 令处 理 内 容 1 rd 读出指定信号状态,在一个梯级开

36、始的触点是常开触 点时使用 2 rd.not 读出指定信号的“非”状态,在一个梯级开始的触点 是常闭触点时使用 3 wrt 将运算结果写入到指定的地址 4 wrt.no t 将运算结果的“非”状态写入到指定的地址 5 and 执行触点逻辑“与”操作 6 and.no t 以指定信号的“非”状态进行逻辑“与”操作 7 or 执行触点逻辑“或”操作 8 or.not 以指定信号的“非”状态进行逻辑“或”操作 9 rd.stk 电路块的起始读信号，指定信号的触点是常开触点使 用 10 rd.not .stk 电路块的起始读信号，指定信号的触点是常闭触点使 用 11 and.st k 电路块的逻辑“与

37、”操作 12 or.stk 电路块的逻辑“或”操作 功能指令用到 end1、end2 两种信号，处理的内容是第一级程序和第二级程 序结束。功能指令见表 3-3。 表 3-3 功能指令 end1 在程序中必须指定一次，其位置在第一级程序的末尾，当无第一级程 序时，则在第二级程序的开头指定。 end2 在第二级程序末尾指定。 定时器指令 tmr 和 tmrb 在数控机床梯形图中，是不可缺少的指令，功能相 当时间继电器。 （1）tmr 定时器。它是设定时间可以更改的通电延时型定时器，如图 4-2 所示，在保持型存储器的 t 区设定时间，t 区共有 80 字节，两个字节诶一个定 时器，定时器号为 14

38、0，其中 18 号定时器的单位为 48ms 最大为 1572.8s，940 号定时器的单位为 8ms ，最大为 262.1s。 序号指令助记符指令代码处理内容 1end1sub1 第一级程序结 束 2end2sub2 第二级程序结 束 3tmrbsub24 固定定时器处 理 4decbsub25 二进制译码 图 3-2 tmr 指令 控制原理：当 act=0 时，定时器关断，输出 w1=0；当 act=1 时，定时器开 始计时，达到预定的时间后，输出 w1=1。 （2）tmbr 固定定时器。tmbr 是设定时间固定的通电延时型定时器，如图 4-3 所示，通过功能指令参数来指定所需的延时时间。预

39、设定时间以十进制来 表示，以毫秒为单位（最大值为 262136ms） 。定时器号为 1100。 图 3-3 tmbr 指令 （3）二进制译码指令 decb 数控机床在执行加工程序的运行中，除各轴要 按程序指令运行外，还要执行程序指令规定的 m 功能、s 功能和 t 功能.cnc 以 二进制代码形式输出 m、s、t 代码信号。这些信号需要经过译码才能从二进制 编码状态，转换成具有特定功能含义的一位逻辑状态。 decb 指令是对有 cnc 至 plc 的 1 字节、2 字节或 4 字节的二进制代码译码， 如图 3-4 所示。 图 3-4 中，格式说明为 1（或 2、4）指定了 1 字节（或 2 字

40、节、4 字节） 的二进制代码；译码信号地址是指需译码的二进制代码的起始地址；译码规定 数是指与译码有关的八个连续数的第一个；译码结果输出地址的第 0 位到第 7 位与译码规定数开始的八个连续数想对应,第 0 位对应第一个数,第一位对应第 二个数,以次类推,第 7 位对应第八个数。 当控制条件 act=1 时,对二进制代码进行译码,若译码出数据与译码规定数 开始的八个连续的数中任意一个数符合时,译码结果输出地址中相对应的位被置 定时器号 定时器号 tmrb 设定时间 译码信号地址 格式说明 译码规定数 译码结果输出地址 为 1,否则,对应的位被置为 0。 图 3-4 decb 指令 3.33.3

41、 plcplc 程序编程程序编程 3.3.1 主轴定向控制主轴定向控制 加工中心在进行加工时，自动交换刀具或精镗孔时要用到主轴定向功能， 其控制梯形图 图中，m06 是换刀指令，m19 是主轴定向指令，这两个信号并联作为主轴 定向控制的主令信号；auto 为自动工作状态信号，手动时 auto 为 0，自动 时为 1；rst 为 cnc 系统的复位信号；orcm 为主轴定向继电器，其触点输出 到机床以控制主轴定向；orar 为从机床侧输入的定向到位信号。 为了检测主轴定向是否在规定时间内完成，这里应用了功能指令 tmr 进行定时的操作。整定时限为 4.5s，如在 4.5s 内不能完成定向控制，将

42、发出报 警信号，r1 即为报警继电器。 图 3-5 主轴定向控制电路图 3.32 主轴正、反转及齿轮换挡控制主轴正、反转及齿轮换挡控制 主轴换挡结构简图如图 3-6 所示， 图 3-6 主轴换挡结构简图 控制梯形图如图 3-7 所示， 图 3-7 控制梯形图 图中信号含义如下 hs.m 手动操作开关 as.m 自动操作开关 cw.m 主轴正转按钮 ccw.m 主轴反转按钮 off.m 主轴停转按钮 splgear 齿轮低速换挡到位行程开关 sphgear 齿轮高速换挡到位行程开关 lgear 手动低速换挡到位操作开关 hgear 手动高速换挡到位操作开关 程序中应用了译码和延时 2 个功能指令

43、，所涉及到的 m 功能是: m03 主轴正转 m04 主轴反转 m05 主轴停转 m41 主轴齿轮换低速档 m42 主轴齿轮换高速档 由梯形图控制可知，当在预定时间内齿轮换挡不成功，则通过时间继电器 tm01 常开触点的延时闭合，发出主轴换挡错误信号 sperr。 在主轴正、反转控制和高、低速换挡控制梯形图中，都有逻辑互锁关系，以 免造成控制功能切换时发生故障。在执行过程中，主轴正、反转接触器电路中 还要加上相应的互锁环节，以提高互锁的可靠性。 第第 4 章章 交流伺服主轴驱动系统及故障维修交流伺服主轴驱动系统及故障维修 4.14.1 交流伺服主轴驱动系统交流伺服主轴驱动系统 数控加工中心对主

44、轴有较高的控制要求，首先要求在大力矩、强过载能力 的基础上实现宽范围无级变速，其次要求在自动换刀动作中实现定角度停止(即 准停)，这使加工中心主轴驱动系统比一般的变频调速系统或小功率交流伺服系 统在电路设计和运行参数整定上具有更大的难度。主轴的驱动可以使用交流变 频或交流伺服 2 种控制方式，交流变频主轴能够无级变速但不能准停，需要另 外装设主轴位置传感器，配合 cnc 系统 pmc (指数控系统内置 plc)的逻辑程序 来完成准停速度控制和定位停止；交流伺服主轴本身即具有准停功能，其自身 的轴控 plc 信号可直接连接至 cnc 系统的 pmc，配合简捷的 pmc 逻辑程序即可 完成准停定位

45、控制，且后者的控制精度远远高于前者。 交流伺服主轴驱动系统由主轴驱动单元、主轴电动机和检测主轴速度与位 置的旋转编码器 3 部分组成，主要完成闭环速度控制，但当主轴准停时则完成 闭环位置控制。由于数控机床的主轴驱动功率较大，所以主轴电动机采用鼠笼 式感应电动机结构形式，旋转编码器可以在主轴外安装，也可以与主轴电动机 做成一个整体，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由内部的高速信号处理 器及控制系统实现。与交流伺服驱动一样，交流主轴驱动系统也有模拟式和数 字式两种型式 。 4.24.2 交流伺服主轴驱动系统常见故障交流伺服主轴驱动系统常见故障 交流主轴驱动系统按信号形式又可分为交流模拟型主轴驱动

46、单元和交流数 字型主轴驱动单元。交流主轴驱动除了有直流主轴驱动同样的过热、过载、转 速不正常报警或故障外，还有另外的故障条目，总结如下。 1、主轴不能转动，且无任何报警显示。 产生此故障的可能原因及排除方法见表 4.1。 可能原因检查步骤排除措施 机械负载过大 尽量减轻机械负载 主轴与电动机 连接皮带过松 在停机的状态下，查看 皮带的松紧程度 调整皮带 主轴中的拉杆 未拉紧夹持刀具的 拉钉(在车床上就是 卡盘未夹紧工件) 有的机床会设置敏感元 件的反馈信号，检查次反馈 信号是否到位 重新装夹好刀具或工 件 系统处在急停 状态 更具实际情况下，松 开急停； 机械准备好信 号断路 检查主轴单元的主

47、交流 接触器是否吸合 排查机械准好信号电 路 主轴动力线断 线 电源缺相 用万用表测量动力线电 压 确保电源输入正常 正反转信号同 时输入 利用 plc 监查功能查看 相应信号 无正反转信号通过 plc 监视画面，观 察正反转指示信号是否发出 一般为数控装置的输 出有问题，排查系统的主 轴信号输出端子 使能信号没有 接通 通过 crt 观察 i/o 状态， 分析机床 plc 梯形图（或流 程图），以确定主轴的启动 条件，如润滑、冷却等是否 满足； 检查外部启动的条件 是否符合 主轴驱动装置 故障 更换主轴驱动装置 主轴电动机故 障 有条件的话，利用交换 法，确定是否有故障 更换电动机 表 4.

48、1 主轴不能动故障原因 2、主轴速度指令无效，转速仅有 12r/min。 可能原因检查步骤排除措施 动力线接线错误 检查主轴伺服与电动机之 间的 uvw 连线 确保连线对应 cnc 模拟量输出 （d/a）转换电路故 障 用交换法判断是否有故障更换相应电路板 cnc 速度输出模 拟量与驱动器连接不 良或断线 测量相应信号，是否有输 出且是否正常 更换指令发送口或更 换数控装置 主轴驱动器参数 设定不当 查看驱动器参数，是否正 常 依照说明书，正确设 置参数 反馈线连接不正 常 查看反馈连线确保反馈连线正常 反馈信号不正常检查反馈信号的波形调整波形至正确或更 换编码器 表 4-2 主轴速度指令无效

49、可能故障 3、速度偏差过大 指的是主轴电机的实际速度与指令速度的误差值超过允许值，一般是启动 时电机没有转动或速度上不去。引起此故障的原因见表 4-3。 可能原因检查步骤排除措施 反馈连线不良确保反馈连线正确 反馈装置故障 不启动主轴，用手盘动主轴 使主轴电动机以较快速度转起来， 估计电机的实际速度，监视反馈 的实际转速 更换反馈装置 动力线连接不正常确保动力线连接正 常 动力电压不正常 用万用表或兆欧表检查电动 机或动力线是否正常（包括相序 不正常）确保动力线电压正 常 机床切削负荷太重， 切削条件恶劣 重新考虑负载条件， 减轻负载，调整切削参 数 机械传动系统不良 改善机械传动系统 条件

50、制动器未松开查明制动器为松开的原因确保制动电路正常 驱动器故障 电流调节器控制板 故障 电动机故障 利用交换法，判断是否有故 障 更换出错单元 表 4-3 速度偏差过大报警综述 4.过载报警。 削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴过热、 主轴驱动装置显示过电流报警等造成此故障的可能原因见表 4-4 。 可能原因检查步骤排除措施 负载太大检查机械负载调整切削参数， 干山切削条件，减 轻负载 长时间开机 后再出现此故障 频繁正、 反转 减少频繁正、 翻转次数 开机后即出 现此报警 表 4-4 电流报警等造成此故障的可能原因 5、主轴振动或噪声过大 首先要区别异常噪声及振动发生

51、在主轴机械部分还是在电气驱动部分。 检查方法： 若在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生 回路故障； 若在恒转速时产生，可通过观察主轴由停车过程中是否有噪声和振动来 区别，如存在，则主轴机械部分有问题； 检查振动周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好； 如有关系，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。 故障 部位 可能原因检查步骤排除措施 系统电源缺相、相 序不正确或电压不正常 测量输入的系统 电源 确保电源正确 反馈不正确测量反馈信号确保接线正确， 且反馈装置正常 驱动器异常，如： 增益调整电路或颤动调 整电路的调整不当 根据参数说明书， 设置好相关参数 电气 部分故障 三相输入的相序不用万用表测量输确保电源正确 对入电源 主轴负荷过大