加工中心(铣)电气控制系统

1、第 6 章：加工中心（铣）电气控制系统加工中心是一种高效数控加工机床，一台加工中心可完成由几台普通数控机床才能完成的工作。这种机床一般具有刀库和自动换刀装置，在加工过程中能自动地进行刀具更换工作，以满足不同工序加工的需要。一般进给运动与主轴都采用伺服电机，系统采用品牌产品。本章以实例介绍 XH714加工中心的电气控制系统，系统配置 Fanuc 0i-MC ，以便读者了解加工中心电气控制线路中 Fanuc 数控系统、驱动、 I/O 接口与电气控制线路之间的关系。 XH714数控加工中心分别有数控系统（ CNC） , 机床控制电气，主轴无极调速、 X、Y、Z 轴进给驱动，刀库旋转，排屑、冷却及其它

2、控制电路等组成。 XH714立式加工中心外观见图6.1 。图 6.1： XH714 立式加工中心外观1-CRT/MDI 及机床操作面板； 2-主轴； 3-主轴箱； 4-主轴气缸； 5-主轴电动机； 6-Z 轴伺服电动机； 7-电气控制柜； 8-回转刀库； 9- X 轴伺服进给电动机； 10-Y轴伺服进给电动机6.1 FANUC数控系统概述日本 FANUC公司自 50 年代末期生产数控系统以来，已开发出多种系列的数控系统，在中国 CNC市场上处于举足轻重的地位。目前，以0i-MC 与 0i-MD 最为常见。在考虑选择系统的同时还要注意伺服模块及伺服电机的配置，i 在性能质量、跟随性都要高于 i

3、系列。所以选购一台数控机床不要单纯看系统型号还要配置何种伺服驱动系统。0i-MC 这是目前在中国市场上销售量最大的一种系统，它是一种采用高速 32 位微处理器的高性能的 CNC。在结构上采用传统的结构方式，即在主板上插有存储器板、 I/O 板、轴控制模块以及电源单元。只是其主板较其它系列的主板要小得很多，因此，在结构上显得非常紧凑，体积很小，FANUC 公司自称为它是世界上最小的系统。 0i-MC 系列数控系统具有下述特点：图 6.2 ： Fanuc 0i-MC 数控系统外观图1）本系统是一种小型高精度、 高性能的软件固定型CNC。控制电路中采用了高速微处理器、专用LSI （大规模集成电路）、

4、半导体存储器等，这不仅提高了系统可靠性，还提高了系统的性能价格比。2）为了便于系统的维修，内部具备多种自诊断功能：微处理器不断地监视系统内部的工作状态，并能分类显示CNC 内部状态。一旦发生故障，报警指示灯立即发亮，并使CNC 停止工作。同时在CRT 上可分类显示出故障详细内容；在 CRT 显示器上，可显示出从 CNC 输出或向 CNC 输入的接通、关断信号；通过 MDI （手动数据输入）可以 “位”为单位接通、关断从 CNC 输出的接通、关断信号。3）可用 CRT 显示检查数控系统的快速进给速度、加减速时间常数等各种参数设定值。4）由于采用了高速微处理器的数字式交流伺服系统，无漂流影响，实现

5、了高速、高精度的控制。除了0-C 系列的标准功能外，还增加了冲压功能、晶格点阵功能、多段数据加工功能、C 轴控制功能等。6.2.1 实际 FANUC 0I-MC系统的接口图 6.4： FANUC 0I-MC系统的接口1 CP1系统直流 24V输入电源接口。2 FUSE系统 DC24V输入熔断器（ 5A）。3 电源单元4 JA7A串行主轴 / 主轴位置编码器信号接口。5 JD1AI/O Link接口6 JA40模拟量主轴的速度信号接口（ 010V）。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系统操作软键信号接

6、口。10 CA55系统 MDI键盘信号接口。11 CA69伺服检测板接口。12系统电源风扇13 系统存储器电池6.2.3 伺服放大器的连接伺服放大器也叫伺服驱动器，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。目前主流的伺服放大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，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（ IPM）为核心图设计6.5:的驱伺动服电放大路器外,IPM观图 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

7、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交流伺服电机。 脉冲宽度调制 (PWM)，是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微

8、处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。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可控整流电路。外形图见图6.5 ，连接图见图6.6 。DCLink直流300VTB1下一个伺服放大器模块SVMQF3单相（200R,200S)主轴放大器模块伺服放大器模块SPM电源供应模块SVM三相交流浪涌PSM380V吸收器三相交流TB2TC1 200VQF2三相11KW电抗三相风扇电机主轴电机伺服驱动电机图 6.6 ：伺服放大器的连接从图 6.6 伺服放大器的连接具有如下特点：回路电源来自外接电源三相交流380V,经控制

9、变压器 TC1转换后为三相交流200240V交流电。一路经断路器QF2和电抗，经 TB2接入电源模块，直流后变为300V 直流，由短接线 TB1 依次接入各个伺服模块，经伺服模块中的逆变器变频来驱动三相交流伺服电机。另一路经浪涌吸收器后R、 S 两相接入电源模块，同时三相交流电接通主轴风扇电机。PSM(电源模块 )、SPM（主轴模块）、SVM（伺服放大模块） 之间的短接片（TB1）是连接主回路直流300V 电压用的连接线，一定要拧紧。如果拧得不够紧，轻则产生报警，重则烧坏电源供应模块（PSM）和主轴放大器模块（ SPM）。图中的 TB1 和 TB2 不要弄错， TB2 为三相交流 200V 电

10、流引入线， TB1 为铜板短接片，连接主回路直流300V 连接线。6.3 加工中心的 I/O 接口电路6.3.1 PMC 介绍可编程控制器（ PLC）在 FANUC数控系统中称为可编程机床控制器（ Programmable Machine Controller，PMC）。PLC与 PMC 之间只是名称上不同，其本质一致。目前 FANUC公司的数控产品将 PMC 内置，也就是说，不需要独立的PMC 设备， PMC已成为数控系统的重要组成部分。FANUC公司的 PMC 由内装的PMC 软件、接口电路、外围设备（电磁阀、压力开关、接近开关等）构成，连接主控系统（ PMC）与从属 I/O 接口设备的电

11、缆称为高速串行电缆，称为 I/O Link，它是 FANUC公专用的 I/O 总线，工作原理与欧洲标准工业总线 profibus 类似，但协议不同。另外通过 I/O Link 可以连接 FANUC公司系列伺服驱动模块， 作为 PMC 轴使用，用于机床强电信号的驱动。与 CNC连接后，每个 I/O 点被分配唯一的输入/ 输出地址，每一个 I/O 点连接唯一的机床强电控制执行元件的工作点，如机床操作面板上的按键、按钮、开关、指示灯和强电控制柜中的继电器触点、接触器触点、电磁阀等，由机床 PMC程序顺序逻辑控制。FANUC 0i MC数控系统的控制单元有内置的I/O 卡，用于机床各检测元件信号的采集

12、和控制各种气、液压阀组件，指示灯等的动作。在控制单元内置的I/O 卡，其输入点的点数为96 点，输出点点数为 64 点。如输入输出数量未能满足要求时，就需要通过控制单元上的I/O LINK 扩展 I/O 单元来满足使用的要求，并在编写PMC程序时，对各I/O 设备的地址进行分配。6.3.2 FANUC PMC 的接口在讨论 PLC、CNC和机床各机械部件、机床辅助装置、强电线路之间的关系时，常把数控机床分为“ CNC”侧和“ MT”（机床侧）侧两大部分， “ CNC”侧包括 CNC系统的硬件和软件以及与CNC系统连接的外部设备。 “ MT”（机床侧）侧包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑

13、等辅助装置，机床操作面板，机床控制线路等。PMC位于 CNC与 MT 之间，对 CNC侧与 MT侧的输入 / 输出信号进行处理。 PMC与控制伺服电动机和主轴电动机的系统部分，以及与机床侧辅助电气部分的接口关系。图 6.7： PMC 接口情况1从图中各个地址的相互关系可以看出，以 PMC为控制核心，输入到 PMC的信号有 X 信号和 F 信号，从 PMC输出的信号有 Y 信号和 G 信号。 PMC本身还有内部继电器 R、计数器 C、定时器 T 等。2从图中看出 CNC是数控系统的核心，机床I/O 要与 CNC交换信息，要通过PMC处理才能完成， PMC在机床与 CNC之间发挥桥梁作用。3机床本

14、体信号进入PMC，输入信号为 X 信号，输出到机床本体信号为Y 信号。机床本体的输入输出的地址分配有机床厂定义分配。地址用来区分信号，不同的地址分别对应机床侧的输入输出信号， CNC侧的输入 输出信号，内部继电器、计数器、定时器、保持型继电器和数据表。PMC主要使用四种类型的地址：如图6.8 所示：内部继电器RF信号X信号CNC信号PMCG信号Y信号保持性存储器计数器C定时器T保持性继电器K数据表D机床侧(MT）信号图 6.8： FANUC数控系统接口与地址关系实线表示机床侧的PMC输入 输出信号，虚线表示 PMC与 CNC之间的输入输出信号，（仅在 RAM存储器中传送）。每个地址有地址号和位

15、号（0-7 ）组成，在地址号的开头用一个字母来表示信号的类型，如 X110.3.同时地址还有绝对地址与符号地址的区别，绝对地址是I/O 信号的存储器区域，地址唯一，如图6 中的 X0.1 ,X0.0 。符号地址（ symbol address ）是指用英文字母代替的地址，只是一种符号，可为PMC程序编辑、阅读与检查提供方便，但不能取代绝对地址。 如图 6 中可以在 PMC持续中用 STL2替代 X5.7 。符号地址需要编制专门的注释文件表。绝对地址与符号地址可以在PMC程序中混合使用。具体 FANUCoi系统符号、地址、与种类见图表6.9字符符号种类种类OI-B/OIBMATE BPMC-SA

16、1PMC-SB7X0-X127X机床给 PMC的输入信号（ MT PMC）X0-X127X200-X327X1000-X1127Y0-Y127YPMC输出给机床的信号（ PMC MT）Y0-127Y200-Y327Y1000-Y1127F0-F767FNC给 PMC的输入信号（ NCPMC）F0-F255F1000-F1767F2000-F2767F3000-F3767G0-G767GPMC输出给 NC的信号（ PMC NC）G0-G255G1000-G1767G2000-G2767G3000-G3767R内部继电器R0-R999R0-R7999R9000-9099R9000-R9499E外部

17、继电器-E0-E7999A信息显示请求信号A0-A24A0-A249信息显示状态信号A9000-A9249C计数器C0-C79C0-C399C500-C5199K保持继电器K0-K19K0-K99K900-K919T可变定时器T0-T79T0-T499T9000-T9499D数据表D0-D1859D0-D9999L标志号-L1-L9999P子程序号-P0-P2000表 6.9 ： FANUC数控系统符号与地址分配输入 输出信号（ X 信号和 Y 信号）主要包括以下三方面内容：(1) 数控机床操作面板输入和状态指示， FANUC公司的操作面板主要包括以下的功能操作方式开关和状态灯（自动、手动、手

18、轮、回参考点、编辑等） ；程序控制开关与状态灯（单段、运行等） ；主轴正转、反转主轴停按钮和状态灯及主轴倍率开关；手动进给轴方向选择按钮等；冷却控制开关和状态灯；手轮轴选开关和手轮倍率开关（ 1、 10、 100、 1000）；急停按钮；手动按钮和自动倍率开关。(2) 数控机床本体输入信号：一般有每个进给轴减速开关、超程开关、机床功能部件上的开关。(3) 数控机床本体输出信号：一般有冷却泵、润滑泵、主轴正/ 反转（模拟主轴）及机床功能部件上的执行动作。(4) 机床本体上的一些开关量通过接口电路进入系统，大部分信号进入PMC控制器参与逻辑处理，处理结果送给 CNC装置（ G信号）。但有一部分高速

19、处理信号如 *DEC （减速）、*ESP（急停）等直接进入 CNC装置，有 CNC装置直接处理相关功能。 CNC 输出信号为 F 信号， PMC输出信号为 Y 信号。6.3.3 FANUC 0i MC数控系统 I/O 单元硬件连接在 FANUC 0iMC数控系统中， I/O 单元以开关量 I/O 单元为主，用 I/O 单元可以连接 96/48 （输入 / 输出）点开关量与手轮，全部I/O 均为通用 I/O 信号，连接方法见下图，机床接I/0口（96/64+MPG）I/OLINKJD1BCOP104操作面板 PLUG1JD1ACOP106操作面板 PLUG2CP1COP107操作面板 PLUG3

20、直流24V:1 +24VCOP105I/O分线器 COP105:2 0VJA3HA1:1HA1HB1:2HB1 手摇脉冲+5V:90V:12+5V 发生器0V图 6.10：FANUC 0i MC 数控系统I/O 单元连接方法（XH714）（1）JD1B： I/O 模块上的输入端，连接于数控装置的I/O link接口 JD1A，通过 I/O link连接电缆接入。（2）JA3：手摇脉冲发生器脉冲信号输入接口。（3）CP1：I/O 模块工作电源输入接口，输入电压是直流24V。（4）COP104/COP105/COP106/COP107：I/O 单元四组 50 芯的 I/O 接口，每组 24/16

21、输入 / 输出点，共 96/64 个输入 / 输出点，通过 I/O link电缆和主控器或者其它 I/O 设备连接。6.3.4输入 / 输出信号的连接1）输入信号的连接I/O 输入信号分为源型输入和漏型输入两种，所谓的源型输入和漏型输入是对于电流方向来考虑的，电流从触点外外流的就是源型，就是所谓的拉电流，反之就是漏型输入，也叫灌电流。输入信号如图所示：图 6.11：(a)漏型输入(b) 源型输入（1）漏型输入漏型输入是由PMC内部提供输入信号电源且全部输入信号的一端汇总到输入公共端（ DICOM）的输入形式，漏型输入的外部连接示意图如图所示。图 6.12：漏型输入外部连接示意图漏型输入的优点是

22、不需要外部电源，输入电流由 I/O 单元内部向外部 “泄漏”，故称为漏型输入，安全性较高，可防止断线情况下输入有效。常见的漏型输入在I/O 单元内部的接口电路原理简图如图所示，图 6.13：漏型输入接口原理图图中限流电阻通常为 3.34.7K 。在实际接口电路中，一般还有输入指示用 LED、输入滤波、稳压与短路保护等辅助电路。由图知当输入触点 K2 闭合时， I/O 单元的内部直流 24V与 0V 通过光电耦合器件、限流电阻、输入触点、经公共端 DICOM构成电流回路，光电耦合器件的输出为 1，PMC内部获得 1 信号输入。（2）源型输入源型输入是由外部提供输入信号电源（或使用 I/O 单元内

23、部提供给输入回路的电源）且全部输入信号为有源信号，并独立输入 PMC的输入连接方式，如图所示把 DICOM端子与 +24V端子相连接。图 6.14：源型输入外部连接示意图源型输入的接口电路原理图如图所示。同样在实际接口电路中，一般还有输入指示用 LED、输入滤波、稳压与短路保护等辅助电路。图中当输入触点 K2 闭合时，外部直流 24V 与 0V 通过光电耦合器件、 限流电阻、输入触点、经公共端 DICOM 构成电流回路，光电耦合器件的输出为 1，PMC内部获得 1 信号输入。图 6.15：源型输入接口原理图无论是源型输入还是漏型输入，就是使用外部电源还是使用内部电源的区别，这两种输入方式的共同

24、优点是：当输入连接线与外部短路或断路时，不可能有1信号的错误输入，可以减少设备误操作的可能性，此外，由于输入设备使用的是外部电源，输入故障对 I/O 单元的损害较少，它们的缺点是输入信号需要外部电源，PMC 用于输入的直流24V 容量教小，只适用于I/O 点数较少的系统，在一定程度上增加了生产成本。（3）输出信号的连接如图所示， I/O 输出信号也分为源型输出还是漏型输出两种，源型输出是把驱动负载的电源（ +24V）连接到印制电路板的DOCOM端子上，电流是从印制电路板上流出的，所以称为源型输出。漏型输出是把驱动负载的电源（0V）连接到印制电路板的 DOCOM端子上，电流是流入印制电路板，所以

25、称为漏型输出。例如在图 6.17,图 6.17 为 XH714加工中心 PL C部分输入输出信号，在图 6.17中，把机床侧的行程开关的通断信号通过COP105信号接口（ 50 芯电缆线）接入系统 PMC。在图 6.18 中，系统 PMC输出信号通过接口控制中间继电器KA，再通过 220V控制电路控制机床各动作元件达到控制动作要求。图 6.16： (a)源型输出(b) 漏型输出X+X-Y+Y-Z+Z-XRYRZR99SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SQ9COP105COP105152153154155156211212213151:B01:A06:B06:A07:B07:B08

26、:A09:A10:B10:A11+24VX8.0X8.1X8.2X8.3X8.5X8.6X9.0X9.1X9.2FANUC0I -MC图 6.17： PLC输入信号在图 6.15 中PLC驱动信号输入线路中， COP105信号接口 B01根线是 24VDC输出接口，其余 X轴正向超程信号、 X轴负向超程信号、 Y轴正向超程信号、 Y轴负向超程信号、 Z轴正向超程信号、 Z轴负向超程信号、 X轴回参减速信号、 Y轴回参减速信号、 Z轴回参减速信号分别接入PLC的 X8.0、X8.1、X8.2、 X8.3 、X8.5、 X8.6、X9.0、X9.1、X9.2、数字信号输入接口，并分别由行程开关SQ

27、1到 SQ9控制。冷却刀架正转刀架反转刀库电磁阀打刀缸电磁阀Z轴机械抱闸FANUC0I-MCY2.0Y2.1Y2.2Y2.3Y2.4Y2.5DOCCOP105:A16:B16:A17:B17:A18:B18+24V294014024034044054060V30KA2KA3KA4KA5KA6KA10图 6.18： PLC输出信号在图 6.18 中PLC输出信号图中 DOC接口连接至 24V的直流电源。其余的 Y1.0、Y2.1、Y2.2、Y2.3、Y2.2、 Y2.5接口分别向继电器线圈KA2、 KA3、 KA4、 KA5、KA6、KA10输出控制信号，控制冷却泵、刀架电机正转、刀架电机反转、

28、刀库电磁阀、打刀缸电磁阀和 Z轴抱闸电机等支路的通与断。6.3.5 FANUC PMC程序的工作原理（1）梯形图概要在 PMC 程序中，使用的编程语言是梯形图。对 PMC 程序的执行，可以简要地总结为，从梯形图的开头由上到下，然后由左到右到达梯形图结尾后再回到梯形图的开头，循环往复，顺序执行PMC 程序由第一级程序和第二级程序两部分组成。在PMC 程序执行时，首先执行位于梯形图开头的第一级程序，然后执行第二级程序。发那科 PMC 分为： PMC-L/MPMC SA1/SA2/SA3 SB7等几个版本，在机床PMC的 PMCDGN中显示， FANUC 0i-MC 系统是 SA1版本。（2）机床梯

29、形图显示与诊断操作图： PMC 诊断画面6.3.6 FANUC PMC的编程介绍1. FAPT LADDER 编程软件功能介绍： FAPT LADDER是梯形图开发软件，具有 WINDOW操作的一些特点， LADDER-软件的主要功能有 输入，输出，显示，编辑 PMC顺序程序；监控及调试 PMC程序；设定和显示 PMC参数；运行和停止 PMC程序；输入和输出PMC程序； 把 PMC程序写入 CNC系统 FROM中；打印 PMC程序。2.FAPT LADDER-的使用方法新建一个 PMC程序打开软件，在 NEW中新建一个文件名，选择与系统相同的PMC类型，按 确定 传输形式的确定通过工具菜单（ TOOL）来确定传输形式，由系统 PMC传送给计算机，选择LOAD由计算机传送