数控机床电气装调实训指导书（高级）

1、数控机床装调维修工（高级）数控机床电气装调实训指导书无锡市公共实训基地2011年4月目录目录项目一：数控机床虚拟电气装调1项目二：数控车床伺服控制系统电气装调7项目三：加工中心伺服控制系统电气装调20项目四：主轴控制系统电气装调22项目五：信号输入输出控制电气装调30项目六：冷却系统控制系统电气装调35项目七：换刀装置的装调37项目八：液压气动装置电气装调41项目九：FANUC 0i-TD系统数控车床综合电气装调43项目十：SIEMENS 802DSL系统数控车床综合电气装调45项目十一：FANUC 0i-MD系统加工中心综合电气装调47项目十二：SIEMENS 802DSL系统加工中心综合电

2、气装调49项目十三：高档数控系统综合电气装调51附录：数控机床装调维修工国家职业标准5975数控机床电气装调实训指导书（高级）项目一：数控机床虚拟电气装调一、实训目的及要求1. 了解数控机床虚拟装调的意义。2. 掌握仿真软件的基本操作。3. 掌握数控机床的电气控制原理与结构。二、实训内容1. 了解虚拟电气装调在数控机床电气装调进程中的意义。2. 熟悉仿真软件的基本操作，能使用仿真软件进行基本的机床操作，熟悉机床的基本操作方法。3. 利用仿真软件认识数控机床的基本电气组成，认识典型电气元件的作用和操作方法，进而掌握数控机床的电气原理和结构。三、所需仪器与设备仿真软件一套（网络版）、计算机若干台（

3、配教室管理系统或相关管理系统）四、 实训步骤1. 虚拟电气装配的意义数控机床的电气装调仿真培训越来越受到人们的重视，这是因为数控机床的电气装调要求操作人员既要熟悉数控编程指令、CNC的功能，又要了解机床的性能，数控设备及数控加工的这些特点决定了传统的技术培训方式已无法满足需要。所谓传统的技术培训方式是指操作人员先学习技术理论和操作规程，再到生产现场，以师傅带徒弟的方式进行技能培训的方式。这种方式的主要缺点是数控机床一般是比较昂贵的设备，不允许学员任意的开、停和制造事故，所以，学员动手机会少，使得学员掌握操作技能的时间较长。此外，师傅的水平参差不齐，教学质量难以保证。因此，数控机床的电气装调仿真

4、对检验电气装调的正确性和培训操作人员两方面都具有重要的作用。同时对于数控机床电气系统，它们是看不见摸不着的电流流动以及信息传递。让学员在仿真软件中进行虚拟的电气装调，这样更能让学生更加清晰的理解电气控制系统的原理及结构，让教学内容立体化形象化的展示在学生面前，让学生身临其境。2. 初识仿真软件通过仿真软件掌握数控机床操作面板的使用方法，能对系统操作面板、机床操作面板进行简单的操作。掌握数控机床一般功能的调试方法，能进行数控机床一般功能的调试(如启动、关机、JOG 方式、MDI方式、手轮方式等)图1- 1FANUC 0i-MD仿真软件界面图1- 2仿真软件机床面板图1- 3FANUC0i-TD仿

5、真软件界面图1- 4仿真软件中的FANCU系统机床操作面板3. 可以进行电气的虚拟装调1) 打开计算机，进入运行仿真软件图1- 5仿真软件登陆界面2) 运行机床操作面板，虚拟控制面板操作，观察虚拟运行效果图1- 6CNC系统界面3) 运行功能调试。(ON、OFF、MDI、JOG、手轮)操作，观察虚拟运行效果图1- 7操作面板界面4) 电气装调模拟首先登陆电气装调界面：图1- 8电气调试登陆界面选择电气装调电气图：图1- 9电气调试界面1图1- 10电气调试界面2根据电气图，完成电气元件的选择调用：图1- 11电气调试界面3绘制电路连线：图1- 12电气调试界面4练习模拟万用表及控制器的使用：图

6、1- 13虚拟万用表五、注意事项 在仿真软件中虚拟运行时需注意每一步操作，以及操作的运行结果，禁止乱点误操作，以免养成不良习惯。六、实训报告1. 谈谈对虚拟仿真电气装调的理解和认识以及收获，500字左右。项目二：数控车床伺服控制系统电气装调一、实训目的及要求1. 了解数控车床伺服控制系统的组成、原理及其功能。2. 掌握控车床伺服控制系统的电气连接。3. 掌握数控车床伺服控制系统的检测。二、实训内容1. 了解伺服控制系统的基本结构，了解其工作原理。2. 掌握伺服驱动装置的输入、输出结构的功能及其接线方法。3. 检测伺服驱动装置工作时的信号特征并作记录。三、所需仪器与设备数控车床伺服装置试验台（包

7、含CNC系统、伺服驱动器、伺服电机等）数控车床整机四、实训步骤1. 进给伺服驱动系统基本概念伺服驱动系统是CNC装置和机床的连接环节，CNC装置发出控制信息，通过伺服驱动系统，转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服驱动系统用于放大控制信号，具有功率输出的能力，并对CNC装置发出的控制信息对机床进行位置和速度的运行控制。数控机床的伺服驱动系统需要具备：进给调速范围要宽，位置精度要高，速度响应要快，低速扭矩大等特点。伺服系统的结构原理如图2-1所示。图2- 1伺服系统的原理框图常用的执行元件有：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。常用的传动装置：包括减速箱的滚珠丝杠或直线导轨（配备直线电

8、机）。常用的检测元件有：直线感应同步器、光栅和磁尺、测试发电机及其反馈电路、编码器（绝对式或相对式）等。常见的伺服驱动类型有：开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统，如图2-2所示。步进电机开环控制系统的定位精度是0.010.005mm，而闭环控制系统的定位精度可达0.0010.003mm。 图2- 2常见伺服驱动类型1.1步进电机结构原理及其控制步进电机是一种专门用于位置和速度精确控制的特种电机。步进电机的最大特点是其“数字性”，对于微电脑发过来的每一个脉冲信号，步进电机在其驱动器的推动下运转一个固定角度（简称一步），如图2-3所示。如接收到一串脉冲步进电机将连续运转一段相应距离。同时您

9、可通过控制脉冲频率，直接对电机转速进行控制。由于步进电机工作原理易学易用，成本低（相对于伺服）、电机和驱动器不易损坏，非常适合于微电脑和单片机控制，因此近年来在各行各业的控制设备中获得了越来越广泛的应用。图2- 3步进电机工作原理步进电机在构造上有三种主要类型：反应式（Variable Reluctance，VR）、永磁式（Permanent Magnet，PM）和混合式(Hybrid Stepping，HS)。简单的讲，步进电机驱动器根据外来的脉冲，通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组按一定的次序正反通电，从而实现其运转。以两相1.8度步进电机为例，其主要分为4线（双极性），6线（单极性）

10、两种方式：线（双极性）电机，当其绕组的通电方向顺序按照AC-BD-CA-DB四个状态周而复始进行变化，每变化一次，电机运转一步,即1.8度。6线（单极性）电机，当其绕组的通电方向顺序按照OA-OB-OC-OD 四个状态周而复始进行变化，每变化一次，电机运转一步，即1.8度。步进电机的转速公式为：n=f60，其中n为转速（r/min），f为控制脉冲的频率，为步距角。步进电机主要采用开环控制，控制原理如图2-4所示。图2- 4步进电机控制原理步进电机主要采用单电源驱动电路、高低压双电源驱动电路、恒流斩波驱动电路进行驱动，详细驱动原理相关知识请参考相关书籍。1.2直流伺服电机结构原理及其控制直流电动

11、机的工作原理是建立在电磁力定律的基础上的，电磁力的大小正比于电动机的气隙磁场。俺励磁绕组的励磁方式的不同，可以分为：它励式（永磁式）、并励式、串励式和复励式四种。图2- 5永磁直流伺服电机结构永磁直流伺服电机具有：体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽；低速力矩大，波动小，运行平稳；低噪音，高效率；后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点。直流伺服电机可应用在是火花机、机械手、精确的机器等。可同时配置2500P/R高分析度的标准编码器及测速器，更能加配减速箱、令机械设备带来可靠的准确性及高扭力。调速性好，单位重量和体积下，输出功率最高，大于交流电机，更远远超过步进电机。多级结构的力矩波动

12、小。常用的直流伺服电机控制方式有：晶闸管-直流电动机调速系统（SCR-M系统）、脉冲宽度调制器直流伺服电动机调速系统（PWM-M系统）。详细驱动原理相关知识请参考相关书籍。1.3交流伺服电机结构原理及其控制交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。其结构如图2-6所示。图2- 6交流伺服电动机结构图交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性

13、能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电

14、压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：起动转矩大、运行范围较广、无自转现象。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。与步进电机相比，在控制精度、低频特性、扭矩特性、过载能力、运行性能速度相应等方面均优于步进电机。常用的交流伺服电机调速方法有：变频调速器调速和正弦脉宽调至（SPWM）方法，对于交流伺服电动机，常用伺服驱动器进

15、行驱动。伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步

16、交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。伺服驱动器一般可以采用位置、速度和力矩三种控制方式，主要应用于高精度的定位系统，目前是传动技术的高端。1.4直线电机结构原理与普通的伺服电机加滚珠丝杠的进给驱动类型相比，采用直线电机进给驱动方式具有更高的精度，应用前景也越来越广，采用直线电机的进给驱动方式的核心就是直线电机。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，如图2-7所示。图2- 7直线电机示意图由定子演变而来

17、的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。直线电机的原理并不复杂，设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也

18、可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动。直线电机是一种新型电机，近年来应用日益广泛，磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。磁悬浮列车是一种全新的列车。一般的列车，由于车轮和铁轨之间存在摩擦，限制了速度的提高，它所能达到的最高运行速度不超过300km/n。磁悬浮列车是将列车用磁力悬浮起来，使列车与导轨脱离接触，以减小摩擦，提高车速。列车由直线电机牵引直线电机的一个级固定于地面，跟导轨一起延伸到远处；另一个级安装在列车上。初级通以交流，列车就沿导轨前进，列车上装有磁体（有的就是兼用直线电机的线圈），磁体随列车运动时，使设在地面上的线圈（或金属板）中产生感应电流，感应电流

19、的磁场和列车上的磁体（或线圈）之间的电磁力把列车悬浮起来。悬浮列车的优点是运行平稳，没有颠簸，噪声小，所需的牵引力很小，只要几千kw的功率就能使悬浮列车的速度达到550kmh。悬浮列车减速的时候，磁场的变化减小，感应电流也减小，磁场减弱，造成悬浮力下降。悬浮列车也配备了车轮装置，它的车轮像飞机一样，在行进时能及时收入列车，停靠时可以放下来，支持列车。要使质量巨大的列车靠磁力悬浮起来，需要很强的磁场，实用中需要用高温超导线圈产生这样强大的磁场。直线电机除了用于磁悬浮列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等。在我国，直线电机也逐步得到推广和应用，直线电机的原理虽不复杂，

20、但在设计、制造方面有它自己的特点，产品尚不如旋转电机那样成熟，有待进一步研究和改进。直线电机和传统的旋转电机+滚珠丝杠运动系统的比较，在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台（拖板）之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被称为零传动。正是由于这种零传动方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达到的性能指标和优点。1）高速响应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动件（如丝杠等），使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。2）精度直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补

21、运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反馈控制，即可大大提高机床的定位精度。3）动刚度高由于直接驱动，避免了启动、变速和换向时因中间传动环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传动刚度。4）速度快、加减速过程短由于直线电动机最早主要用于磁悬浮列车（时速可达500Km/h），所以用在机床进给驱动中，要满足其超高速切削的最大进个速度（要求达60100M/min或更高）当然是没有问题的。也由于上述零传动的高速响应性，使其加减速过程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较高的加速度，一般可达210g（g=9.8m/s2），而滚珠丝杠

22、传动的最大加速度一般只有0.10.5g。5）行程长度不受限制在导轨上通过串联直线电动机，就可以无限延长其行程长度。6）运动动安静、噪音低由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨（无机械接触），其运动时噪音将大大降低。7）效率高由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动效率大大提高。图2- 8直线电机在数控机床上的应用直线电机的控制方法与交流伺服电动机的驱动方法类似，请查阅相关资料。2. 伺服控制系统的基本组成及原理伺服控制系统主要由CNC系统，伺服驱动器、伺服电机及若干辅助元件（用于电气保护）组成，结构如图2-9所示。图2- 9伺服控制系统的基本组成C

23、NC系统通过特定的数据总线连接到驱动器，多个伺服驱动器可以通过特定接口实现级联控制。驱动器通过专用电缆与伺服电机（步进电机）连接，伺服电机一般内置编码器等反馈装置，反馈信号通过特定的数据线实现与伺服驱动器的连接，实现数据的双向通信，从而保证伺服控制系统的可控。目前常用的伺服驱动器有SINAMIC S120书本型驱动器、SINAMIC S120模块式驱动器、is、is伺服等。图2- 10常用伺服驱动器3. 伺服控制系统的连接伺服控制系统的连接主要包括伺服驱动器与CNC系统的连接，伺服驱动器使能端的保护连接，强电的接入、伺服电机与驱动器的连接、伺服电机的反馈等连接。下面以Sinamic S120

24、AC/AC模块式驱动器与isV2.0为例进行电气连接示例。（1） 基于Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的伺服控制系统连接Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器主要有两个部分组成：控制单元适配器CUA31和功率模块PM340。CUA31通过集成的RM-IF接口与PM340实现对接从而完成运动控制。具体如图2-12所示。图2- 11Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的组成CUA31控制模块适配器的结构说明如图2-12所示，PM340的基本框图如图2-13所示，电机功率电缆和1KF7伺服电机分别如图2-14、2-15所示。图2- 12CUA31控制模块适配器图

25、2- 13PM340基本框图图2- 14电机功率电缆图2- 151FK7伺服电机Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的连接总图如图2-14所示。当CUA31与PM340配合使用时，不需要单独为CUA31提供+24V的电源，由PM340内部为CUA31提供。通过图2-12、2-13、2-14、2-15可以得知，CUA31使用DRIVE CLiQ器件级智能网络连接电路通过X200与siemens802Dsl系统的X1端口连接实现控制，通过X201与下一个级联的CUA31的X200连接。X202接口通过DRIVE CLiQ连接伺服电机的反馈信号。U2、V2、W2用于连接1FK7电机。为了

26、抑制浪涌（电压、电流）和抑制谐波电流，需要在主电源接入PM340的U1、V1、W1前串联电抗器，具体结构如图2-16所示。也可以在电抗器前串联滤波器模块以提高性能。图2- 16电抗器的连接当PM340驱动带有抱闸电机时，使用抱闸继电器或者安全抱闸继电器。抱闸继电器结构及原理如图2-17所示。图2- 17抱闸继电器抱闸继电器需要外接+24VDC电源用于制动， PM340的DCP/R1和R2端子用于连接制动电阻。通过两芯插头实现抱闸继电器控制接口与PM340指定接口（图2-13箭头所示位置的接口）连接实现抱闸制动控制。Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的连接总图如图2-18所示。图2

27、- 18Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的连接总图系统接线图如图2-19所示。图2- 19驱动系统接线图整个驱动系统的流程为：打开系统总电源后，按下NC系统启动键，继电器KA0(24VDC)得电，伺服驱动器用继电器KM0得电，则PM340的U1、V1、W1端子得电，U2、V2、W2得电，由X200接受Siemens 802DSl的指令，X202连接1KF7的编码器信号端口，实现对1KF7的监控。当得到伺服电机停止的指令或者遇到限位、急停等报警信号后，由PM340发出信号给安全抱闸继电器，同时制动电阻其作用，实现对1KF7伺服电机的制动。（2） 基于isV2.0的伺服控制系统的连

28、接基于isV2.0的伺服控制系统的连接系统框图如图2-20所示。图2- 20伺服系统的连接通过伺服系统的连接框图可知，伺服驱动器的COP10B端口通过FSSB光缆连接到CNC系统的COP10A端口，实现与CNC系统的通讯，第二个伺服驱动器的COP10B端口连接前一个伺服驱动器的COP10A端口实现伺服驱动器的级联控制。动力电经过熔断器、电磁接触器和电抗器后连接到CZ7-1的L1、L2、L3，并保证PE口良好接地，通过CZ7-4端口的U、V、W、PE连接到伺服电机的UX、VX、WX、PE端口。利用A660-2005-T505专用数据线连接JF1端口和电机反馈端口实现电机的反馈控制。CX30为急停

29、端口，有24V和ESP两个端口，连接KA3/KA6继电器，用于对伺服驱动器的急停控制，控制电路如图2-22所示。CXA19B端口为控制电源接入端口，接24VDC。CZ7-3和CXA20端口接A06B-6093-H401电阻模块，用来制动电机用。伺服控制系统的接线如图2-21所示。图2- 21is 伺服控制系统接线图图2- 22急停控制电路fanuc典型急停控制电路的连接图如图2-23所示，当出现X向、Y向、Z向超程或者按下急停按钮的情况下，急停继电器动作，从而同时使得急停1和2获得急停信号，通过急停1为系统提供相应报警信号，通过急停2提供伺服系统的报警信号，急停1和2联动，从而使得系统和伺服驱

30、动器在超程或急停按钮按下时迅速动作，防止危险的发生。这里需要强调的是，超程信号和急停按钮接入均采用掉电报警的模式（正常工作带电），这样可以消除采用得电动作时因为线缆的破坏而无法响应的弊端。保证系统的安全性。图2- 23 FANUC典型急停控制电路的连接4. 数控车床伺服控制系统的检测伺服控制系统的连线完毕后请仔细检查，确认无误后方可通电检测，将CNC系统的模式切换至JOG方式，按下+X、-X、+Z、-Z等按键观察X、Z向伺服运动状况是否符合实际要求，并对出现的状况进行记录和解决。伺服运动满足实际要求后，仔细观察伺服驱动器的指示工作区，观察指示工作区的代码的特征并作记录。五、注意事项 所有的电气

31、连接必须在断电的条件下操作，连接完成后必须认真检查并经指导老师确认方可进行下一步动作。 实验结束后整理现场并将所有器材归位，恢复初始状态。六、实训报告1. 阐述数控车床伺服控制系统的控制原理。2. 总结数控车床伺服控制系统的电气连接要点并绘制电气原理图。项目三：加工中心伺服控制系统电气装调一、实训目的及要求1. 了解加工中心伺服控制系统的组成、原理及其功能。2. 掌握加工中心服控制系统的电气连接。3. 掌握加工中心伺服控制系统的检测。二、实训内容1. 了解伺服控制系统的基本结构，了解其工作原理。2. 掌握伺服驱动装置的输入、输出结构的功能及其接线方法。3. 检测伺服驱动装置工作时的信号特征并作

32、记录。三、所需仪器与设备加工中心伺服装置试验台（包含CNC系统、伺服驱动器、伺服电机等）加工中心整机四、实训步骤1. 伺服控制系统的基本组成及原理加工中心伺服控制系统的基本组成参照项目二，最大的区别就是加工中心为3轴加工方式，而数控车为两轴加工方式，两者的基本原理相同。2. 伺服控制系统的连接伺服控制系统的连接主要包括伺服驱动器与CNC系统的连接，伺服驱动器使能端的保护连接，强电的接入、伺服电机与驱动器的连接、伺服电机的反馈等连接。下面以Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器与isV2.0为例进行电气连接示例。（1） 基于Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的伺服控制系统

33、连接加工中心基于Sinamic S120 AC/AC模块式驱动器的伺服控制系统的连接与项目二相同，具体的区别在于X轴伺服驱动器的X200接口连接到Y轴伺服驱动器的X201接口，Y轴伺服驱动器的X200接口连接到Z轴伺服驱动器的X200接口，X轴的X200接口与siemens802Dsl的X1接口，从而实现X、Y、Z三轴伺服驱动器的级联控制。伺服电机的连接、制动与反馈连接参照项目二的方式进行连接。（2） 基于isV2.0的伺服控制系统的连接加工中心基于isV2.0的伺服控制系统的连接与项目二相同，具体的区别在于X轴伺服驱动器的CXA19A接口连接到Y轴伺服驱动器的CXA19B接口，Y轴伺服驱动器

34、的CXA19A接口连接到Z轴伺服驱动器的CXA19B接口，X轴的CXA19B接口与FANUC 0i-MTC的CXA19A接口，从而实现X、Y、Z三轴伺服驱动器的级联控制。伺服电机的连接、制动与反馈连接参照项目二的方式进行连接。3. 加工中心伺服控制系统的检测伺服控制系统的连线完毕后请仔细检查，确认无误后方可通电检测，将CNC系统的模式切换至JOG方式，按下+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z等按键观察X、Y、Z轴伺服运动状况是否符合实际要求，并对出现的状况进行记录和解决。伺服运动满足实际要求后，仔细观察伺服驱动器的指示工作区，观察指示工作区的代码的特征并作记录。五、注意事项 所有的电气连接必须在

35、断电的条件下操作，连接完成后必须认真检查并经指导老师确认方可进行下一步动作。 实验结束后整理现场并将所有器材归位，恢复初始状态。六、实训报告1. 阐述加工中心伺服控制系统的控制原理。2. 总结加工中心伺服控制系统的电气连接要点并绘制电气原理图。项目四：主轴控制系统电气装调一、实训目的及要求1. 了解加主轴系统的组成、原理及其功能。2. 掌握伺服主轴控制系统和模拟主轴控制系统的电气连接。3. 掌握伺服主轴控制系统和模拟主轴控制系统的检测。二、实训内容1. 了解主轴控制系统的基本结构，了解其工作原理。2. 掌握伺服驱动装置的输入、输出结构的功能及其接线方法。3. 检测伺服驱动装置工作时的信号特征并

36、作记录。三、所需仪器与设备主轴控制系统试验台（包含CNC系统、伺服驱动器/变频器、主轴电机等）加工中心/数控车床整机四、实训步骤1. 主轴控制系统的基本组成及原理主轴系统与伺服驱动控制系统有着很大的差异，随着社会生产率的不断提高，对主轴驱动也提出了更高的要求，要求主轴电机具有较大的功率调节范围，而且要求结构简单。主轴类型有：直流主轴电动机和交流主轴电动机。传统的主轴系统采用电动机加减速机构的方式，空间体积较大，维护较难，典型的数控车床和加工中心主轴结构如图4-1和4-2所示。所示，随着技术的进步，电主轴在数控机床上也得到了一定的应用，电主轴的结构形式如图4-3所示。图4- 1数控车床主轴结构图

37、图4- 2加工中心主轴结构图图4- 3电主轴结构示意图无论采用何种主轴结构类型，最终都需要通过对主轴电机的控制来实现主轴系统的动作。主轴控制系统主要有两种类型：伺服主轴和模拟主轴。对于伺服主轴而言，主要由CNC系统，伺服驱动器，伺服电机（含反馈装置）和若干保护元件组成，而对于模拟主轴而言，主要由CNC系统，变频器，主轴电机和编码器组成。对于伺服主轴而言，采用的是伺服驱动器控制，因此可以将主轴系统看做伺服控制系统的一个轴，将伺服主轴的伺服驱动器与伺服驱动系统级联控制即可。对于模拟主轴而言，采用的是变频器附加编码器的控制形式，CNC系统增加一个模拟电压输出模块与变频器的模拟电压输入接口相连，通过模

38、拟电压值的变化控制输出频率，从而控制主轴速度。通过主轴编码器检测主轴速度并及时反馈给CNC系统，从而实现主轴系统的控制。变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。现在使用的变频器主要采用交直交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波

39、是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。整流器 最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路 在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器 同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流

40、功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型PWM逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关

41、断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(TG、PLG等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值常见的变频器品牌有：ABB、SEW、安川、欧姆龙、艾默生、西门子、富士、施耐德、台达、惠丰等等，ABB某型变频器如图4-4所示。图4- 4ABB某型变频器2. 主轴控制系统的连接主轴控制系统的连接分为主电路的连接与控制电路的连接。主电路的连接通过电源连接线、转换开关、空气开关和交流接触器后接入伺服驱动器/变频器的动

42、力电接入端口，然后通过动力电输出端口接入主轴电机，对于伺服主轴而言，主轴电机的正反转有CNC系统指令通过总线控制，对于模拟主轴而言，主轴电机的正反转通过I/O模块控制继电器的通断，由继电器的通断来控制变频器的正反转控制端口。对于伺服主轴而言，连线方式参照项目二，唯一的不同就是主轴系统采用角度控制，这个只需要在系统参数中设置即可。对于模拟主轴，本文采用的是三菱的FR-D740-1.5KW变频器。其接线方式及端口含义如图4-5所示。图4- 5三菱变频器接线方式及端口含义下面以SIEMENS 802Dsl和FANUC 0i-MTD系统的模拟主轴系统为例进行电气连接示例。（1） SIEMENS 802

43、Dsl系统的模拟主轴控制系统连接SIEMENS 802Dsl系统模拟主轴控制系统主要包括CNC系统、MCPA、变频器、主轴电机、SMC30和TTL主轴编码器的连接。主轴系统的主电路如图4-6所示。图4- 6 SIEMENS 802Dsl的主轴控制电路由4-6可知，主电源通过熔断器，空气开关和交流接触器后连接到变频器的R、S、T端口，主轴电机与变频器的U、V、W相连，注意变频器地线与主轴电机地线的正确连接。STF端口连接KA1的常开触点用来控制主轴正传，STR端口连接KA2的常开触点用来控制主轴反转。正反转信号的选取主要通过PP72/48的I/O根据系统辅助指令M的PLC程序进行控制。SD端接+

44、24VDC为STF、STR端口供电。2，5端口连接MCPA端口给定的模拟电压（0-10V），B，C端口连接I/O模块的I0.6端口，当出现变频器故障时B、C端口会输出信号，系统可以迅速报警信息，保证系统的安全。SIEMENS 802Dsl系统主轴控制系统的反馈采用SMC30配合TTL方波式编码器。SMC30如图4-7所示。具体控制电路如图4-4所示。图4- 7与TTL方波编码器配套的SMC30图4- 8 SMC30反馈控制通过图4-8可知，将SMC30的X500端口与某一轴的CUA31的X201相连，X520与主轴电机的TTL编码器相连，将主轴系统的反馈装置作为该轴的附加装置进行信号的传输。从

45、而保证系统对主轴的监控。（2） FANUC 0i-MTD系统的模拟主轴控制系统连接对于FANUC 0i-MTD系统而言，主控制电路与Siemens 802Dsl基本相同，主控制电路如图4-9所示。图4- 9 FANUC 0i-MTD主轴控制电路对于FANUC 0i-MTD系统，将CNC系统的JA40端口与变频器的2，5端口提供模拟电压。将主轴电机的编码器与CNC系统的JA41端口相连实现主轴的反馈检测控制。B、C端口的作用与接线与SIEMENS 802Dsl相同。3. 主轴控制系统的检测主轴控制系统的连线完毕后请仔细检查，确认无误后方可通电检测，对于FANUC系统而言，将CNC系统的模式切换至

46、MDI方式，输入M03S500观察运行状况是否符合实际要求，并对出现的状况进行记录和解决。对于SIEMENS 802Dsl系统而言，将CNC系统的模式切换至MDA方式，输入M03S500观察运行状况是否符合实际要求，并对出现的状况进行记录和解决。利用万用表对2，5端口在不同速度下的电压进行测量并记录，并与理论数值进行比较。五、注意事项 所有的电气连接必须在断电的条件下操作，连接完成后必须认真检查并经指导老师确认方可进行下一步动作。 实验结束后整理现场并将所有器材归位，恢复初始状态。六、实训报告1. 阐述主轴控制系统的控制原理。2. 总结主轴控制系统的电气连接要点并绘制电气原理图。3. 对变频器

47、的模拟电压控制特点进行阐述。项目五：信号输入输出控制电气装调一、实训目的及要求1. 了解信号输入输出模块的意义。2. 掌握输入输出模块的安装连接方法。3. 掌握输入输出模块的信号检测。二、实训内容1. 了解信号输入输出模块的意义，加强对强电、弱电的理解。2. 掌握CNC系统端口的含义，并掌握输入输出模块的安装连接方法。3. 掌握输入输出模块的信号检测。三、所需仪器与设备数控车床/加工中心整机四、实训步骤1. 输入输出模块的意义输入输出模块又称I/O模块，是CNC系统与机床控制主电路的中间环节，主要是采集机床的相关信号输入给CNC系统，并对特定的CNC系统指令进行解析，然后传递给相应的继电器或其

48、它部件，从而保证数控机床的高效安全运作。例如数控机床的操作面板、手轮、急停按钮、启动按钮，超程用霍尔元件/行程开关、刀架用霍尔元件信号的输入输出等等，都是通过I/O模块与系统建立了一一对应的关系，而且数字量的输入输出在抗干扰，准确性等方面有着模拟输入输出无法比拟的优势，因此I/O模块在数控机床中具有非常重要的作用。2. 输入输出模块的的连接这里主要以SIEMENS 802Dsl系统和FANUC 0i-MTD两种系统的输入输出模块的连接进行介绍。（1） SIEMENS 802Dsl系统的PP72/48输入输出模块的连接PP72/48输入输出模块可以提供72个数字输入和48数字输出。每个模块具有三

49、个独立的50芯插槽，每个插槽包括了24位数字量输入和16位数字量输出（输出的驱动能力为0.25A，同时系数为1）。PP72/48的结构及端口如图5-1所示。802Dsl最多可配置3块PP模块。第一个PP72/48模块的总线地址为9，第二个PP72/48模块的总线地址为8，第三个PP72/48模块的总线地址为7。与CNC系统的通讯采用PROFIBUS总线结构。PCU为PROFIBUS的主设备，每个PROFIBUS从设备（如PP72/48）都有自己的总线地址，因而从设备在PROFIBUS 总线上的排列次序是任意的。PROFIBUS 的连接请参照图5-2。PROFIBUS 两个终端设备的终端电阻开关

50、应拨至ON位置。PROFIBUS的插头连接如图5-3所示。图5- 1 PP72/48结构及端口说明图5- 2 P72/48的连接图5- 3 PROFIBUS的插头连接方式通过PP72/48模块的扩展，为系统带来了更为丰富的接口。图5-4，5-5即为典型应用。图5- 4 输入输出典型应用1图5- 5 输入输出典型应用2（2） FANUC 0i-MTD系统的分离式I/O板的连接FANUC I/O Link 是一个串行接口，将CNC、单元控制器、分布式I/O、机床操作面板连接起来，并在各设备间高速传送I/O 信号（位数据）。当连接多个设备时，FANUC I/O Link 将一个设备认作主单元，其它设

51、备作为子单元。子单元的输入信号每隔一定周期送到主单元，主单元的输出信号也每隔一定周期送至子单元。0i-D/0i Mate-D 系列中，JD51A（0i C/0i Mate-C系列中 I/O Link在 FANUC主板上的插槽名称为JD1A，与JD51A不同）插座位于主板上。I/O Link 分为主单元和子单元。作为主单元的0i/0i Mate系列控制单元与作为子单元的分布式I/O相连接。子单元分为若干个组，一个I/O Link 最多可连接16 组子单元。(0i Mate系统中I/O的点数有所限制)根据单元的类型以及I/O 点数的不同，I/O Link 有多种连接方式。PMC程序可以对I/O 信

52、号的分配和地址进行设定，用来连接I/O Link。I/O 点数最多可达1024/1024 点。I/O Link 的两个插座分别叫做JD1A 和JD1B。对所有单元（具有I/O Link功能）来说是通用的。电缆总是从一个单元的JD1A 连接到下一单元的JD1B。尽管最后一个单元是空着的，也无需连接一个终端插头。对于I/O Link中的所有单元来说，JD1A和JD1B的引脚分配都是一致的，可按照图5-6来连接I/O Link。本实验台的FANUC主板连接了1个I/O单元。这个I/O单元就安装在本试验台“数控装置”版块上。图5- 6 FANUC系统的I/O模块扩展3. I/O模块的信号检测通过按下操

53、作面不上带有指示灯的按键后，观察不同地址的输入输出端口的电平的变化通过M、T指令来检测对应端口的电平信号的规律并作记录。五、注意事项 所有的电气连接必须在断电的条件下操作，连接完成后必须认真检查并经指导老师确认方可进行下一步动作。 实验结束后整理现场并将所有器材归位，恢复初始状态。六、实训报告1. 阐述输入输出模块在数控机床中的意义。2. 总结输入输出模块的电气连接要点并绘制电气原理图。项目六：冷却系统控制系统电气装调一、实训目的及要求1. 了解冷却控制系统的原理。2. 掌握冷却控制系统的电气连接。3. 掌握冷却控制系统的检测。二、实训内容1. 了解冷却控制系统的基本组成，了解其工作原理。2.

54、 掌握冷却控制系统的电气连接方法。3. 检测冷却控制系统信号特征并作记录。三、所需仪器与设备数控车床/加工中心整机四、实训步骤1. 冷却控制系统的基本组成及原理冷却控制系统主要有CNC系统、冷却电机、冷却泵、继电器、接触器和I/O模块组成。由CNC系统对冷却指令（M08冷却开、M09冷却关）进行解析，并通过PLC程序实现对I/O模块指定端口的通断控制，由指定端口的通断控制继电器的通断，继电器的通断控制冷却电机的接触器的通断，从而使得冷却系统可被CNC系统控制。2. 冷却控制系统的连接在冷却控制系统的主电路中，通过主电路电动机保护开关QM1接入KM2电磁继电器的常开触点的一端，将对应的另一端接入

55、冷却电机，将主电源的PE端与冷却电机的PE端良好连接。KM2线圈得电与否有KA8控制，KA8为低压控制的继电器，通过KA8的通断可以保证KM2是否得电，从而只需在I/O模块中控制KA8是否得电即可。冷却控制系统的主电路及控制电路如图6-1所示。3. 冷却控制系统的检测冷却控制系统的连线完毕后请仔细检查，确认无误后方可通电检测，对于FANUC系统而言，将CNC系统的模式切换至JOG方式，按下“冷却液开”按键，观察冷却泵是否工作。（检测电机是否运转及运转方向是否正确，运转方向反向则需要调换其中的两相位置）对于SIEMENS系统而言，将CNC系统的模式切换至JOG方式，按下K4按键，观察冷却泵是否工

56、作（检测电机是否运转及运转方向是否正确，运转方向反向则需要调换其中的两相位置）。 图6- 1冷却控制系统主电路及控制电路五、注意事项 所有的电气连接必须在断电的条件下操作，连接完成后必须认真检查并经指导老师确认方可进行下一步动作。 实验结束后整理现场并将所有器材归位，恢复初始状态。六、实训报告1. 阐述冷却控制系统的控制原理。2. 总结冷却控制系统的电气连接要点并绘制电气原理图。项目七：换刀装置的装调一、实训目的及要求1. 了解换刀装置的组成、原理及其功能。2. 掌握换刀装置的电气连接。3. 掌握换刀装置的检测。二、实训内容1. 了解换刀装置的基本结构，了解其工作原理。2. 掌握数控车床换刀装置、加工中心换刀装置接线方法。3. 检测换刀装置的工作信号特征并作记录。三、所需仪器与设备数控车床换刀试验台、加工中心换刀装置试验台数控车床/加工中心整机四、实训步骤1. 换刀装置的基本组成及原理对于数控车床而言，换刀装置主要包括CNC系统、刀架机械本体、刀架电机、检测元件、I/O模块组成。对于加工中心而言，换刀装置ATC包括CNC系统，机械本体，气动装置、检测元件、I/O模块组成。对于数控车而言，以四工位刀架而言，当系统解析到T0101（FANUC系统）时，系统会接收I/O模块指定端口的状态量与系