数控机床电气控制线路课件

1、 数控机床在各行各业中的应用日趋广泛，其数量越来越多。数控机床是机床自动化的集中体现，数控机床的电气控制线路与普通的机床电气控制线路有所不同，除了常用的电器控制线路外，它还有数控系统，其组成结构框图如图5.1所示 。 本章以实例简要介绍数控机床的电气控制线路以便读者了解数控机床电气控制线路中数控系统、驱动、主轴变频 、 电动机之间的相互连线和工作关系。图5.1 数控机床电气组成结构框图第五章 数控机床电气控制线路1 数控车床的机械部分比同规格的普通车床更为紧凑简洁。主轴传动为一级传动,去掉了普通机床主轴变速齿轮箱，采用了变频器实现主轴无级调速。进给移动装置采用滚珠丝杠，传动效率高、精度高、摩擦

2、力小。第一节 数控车床电气控制线路2 一般经济型数控车床的进给均采用步进电动机，进给电动机的运动由NC装置实现信号控制。 数控车床的刀架能自动转位。换刀电动机有步进、直流和异步电动机之分，这些电动刀架的旋转、定位均由NC数控装置发出信号，控制其动作。而其他的冷却、液压等电气控制跟普通机床差不多。 现以经济型CK0630型数控车床为例，说明普通数控车床的电气控制线路的原理 。1.1 数控车床的主要工作情况3 机械主要性能指标：1、主轴转速802000r/min；2、主轴电动机功率1.5kW；3、最小设置量X轴0.005mm,Z轴0.001mm;4、自动回转刀架八工位。 1.2 CK0630型数控

3、车床的性能指标4电气主要性能指标：1、输入电源3380 V；2、标准ISO 指令编程；3、机床回零功能；4、具有螺纹加工功能；5、机床硬限位，报警解除功能；6、主轴无级调速，主轴正反转控制；7、手动/自动换,3位编码刀号或位非编码刀号刀架；8、冷却开关控制。5 如图5.2及图5.3所示为数控车床电气组成总框图和机床电气控制线路的原理图。图5.2 数控车床电气组成总框图图5.2 数控车床电气组成总框图1.3 数控车床电气控制线路分析6图5.3 数控车床电气控制线路原理图（a）主电路 （b）电气控制回路7 图5.2为数控车床组成结构总框图 包括数控装置(CNC),机床控制电气X、Z轴进给驱动，电动

4、机主轴变频器，刀架电动机控制，冷却控制及其他信号控制电路组成。 图5.3为数控车床电气控制线路原理图 图5.3（a）为主电路图，分别控制主轴电动机、刀架电动机及冷却泵。 图5.3（b）为电气控制回路。包括数控系统的接口、变频器、步进驱动、刀架控制等电路。8 数控系统（又称数控装置）跟外界输入、输出信号的交换都是经过处理的，其中输入、输出信号经过了光电隔离措施，如图5.4所示为输入、输出的接口原理图。 图5.4 数控系统内部I/O接口原理图图5.4 (a)开关量输入接口原理 (b)开关量输出接口原理1.3.1 数控系统9 图5.4（a）中，当输入电压IN为1424V 时,CNC 认定输入是“”状

5、态，当输入电压IN为V时,CNC认定输入是“”状态。图5.4(b)为CNC输出接口电路,当输出“”时,光耦导通,OUT输出导通；当输出为“”时，OUT输出截止。 CNC系统分别有主轴编码器接口 、轴控制接口 、开关量输入接口 、操作面板按钮输出接口等，经济型数控车床选用了数控装置（HN-100T），其接口的说明如下：10 1、主轴编码器反馈信号接口P1： CNC芯连接器引脚定义如图5.5所示。 Z为主轴编码器的输入脉冲，A、B为主轴编码器的码道脉冲。A、B两信号有90的相位差。图5.5 数控系统编码器接口 P1 11 2、轴控制接口P2: 轴控制接口P2可用来控制X轴、Z轴步进电动机的运动和主

6、轴的转速。其引脚定义如图5.6所示。图5.6 进给轴和主轴控制信号接口P2 P2口可根据不同的连接方式而得到电平或电流输出信号。（1）当系统参数 P1（1）=0时，D1=ZCW ；D3=ZCCW；D2=XCW；D4=XCCW 。 12 CW电动机正转脉冲（负脉冲），CCW为高电平。CCW电动机反转脉冲（负脉冲），CW为高电平。 它们与步进驱动的相应端子连接，可驱使 X、Z 轴步进电动机顺时针或逆时针旋转。 （2）当系统参数P1（1）=1时，D1=ZCP；D3=ZDIR；D2=XCP；D4=XDIR。DIR电动机方向信号，高电平正转，低电平反转。CP电动机运转脉冲（负脉冲），每一脉冲对应步进电动

7、机进给一步。脉冲信号波形如图5.7所示。 13图5.7脉冲信号波形图（a）双脉冲信号波形图 （b）单脉冲信号波形图14 3、开关量输入输出接口P3： P3口的各类信号如图5.8所示。其中 P3口的O1O9输出端输出信号均为低电平有效。图5.8开关量输入轴出信号接口P3 15 随着电力电子的发展,现在对主轴三相异步电动机的无级调速控制技术已相当成熟,变频器的应用越来越广泛,前面已经对变频器原理作了介绍,这里主要介绍数控系统对变频器的控制。变频器以三菱变频器为例。 1、变频器功能说明： 图5.9为三菱变频器原理框图。变频器主要信号端功能为： 变频器电源输入为三相交流 380V; 变频器输入端为R、

8、S、T; 变频器输出控制电机为U、V、W。1.3.2 数控系统与主轴变频器信号连接16图5.9三菱变频器原理框图17 2、数控系统与变频器的信号连接： 数控系统输出信号跟主轴变频器有关的信号有 P2口的 V+（P2.）、GND（P2.7）模拟量输出05V，控 制主轴起停、正反转信号，O8（P2.10)、O9（P2.11)。 变频器接收信号与数控系统有关的仅为输入端2、5（模 拟量输入05V）和正反转控制STFSD、STRSD开关 量信号端，其他暂时还用不上。 数控系统模拟量输出P2.8和 P2.7可以直接连接到变频 器的模拟量输入端2、5端，接线原理图如图5.10所示。图5.10数控系统控制变

9、频器接线原理图18图5.10数控系统控制变频器接线原理图19 3、数控系统与步进驱动器的信号连接： 从数控系统P2口的输出信号可以看出,控制进给驱动的信号共有XCP、XDIR、ZCP 、ZDIR，其中XCP、XDIR控制X轴,ZCP、ZDIR 控制Z轴。输出信号低电平有效。 从步进驱动接口图5.11来看，需要接收CP脉冲信号、DIR方向信号，接口信号高低电平都可以。 综合 、内容，可以画出如图 5.11所示信号线连接。数控系统接口电路需要外加+V电源。 数控系统可以单脉冲或双脉冲输出，使用时要取决于步进驱动输入信号要求和数控系统参数设置。20图 5.11数控系统控制步进驱动接线图原理图214、

10、数控系统对电动刀架的控制:(1)、直流型电动机电动刀架 数控系统控制电动刀架,主要控制刀架电动机的正反转,所反应的刀号数送给数控系统.从数控系统输入信号接口来看，低电平有效。由于电动机电流不是太大，故选用数控系统能驱动的功率继电器。 数控系统控制电动刀架电动机的接线原理图如图5.12所示。 P3口的O6(P3.6)和O7（P3.7)控制KA3、KA4继电器,由于输出低电平有效,故中间继电器另一端接+24V。三个微动开关信号SQ1 SQ3分别接P3口的I1（P3.21)、I2（P3.22）、I3（P3.23），信号低电平有效。图5.12中，用 KA3、KA4的触点控制直流电动机正反转，而直流电源

11、 DC27V的产生通过变压器和整流桥等电路产生。22图5.12数控系统控制直流电动刀架接线原理图（a）系统接口电路 （b）整流电路 （c）直流刀架电动机电路23 （2）、三相异步电动机型电动刀架 数控系统控制电动刀架，主要控制刀架电动机的正反转，所反应的刀号送给数控系统,从数控系统输入信号接口来看,低电平有效。数控系统控制电动刀架电动机的接线原理图如图5.13所示。P3口的O6（P3.6）和 O7（P3.7）控制 KA3、KA4继电器，由于输出低电平有效，故中间继电器另一端接+24V，四个传感器信号（SQ1SQ4）分别接P3口的I1（P3.21）、I2（P3.22)、I3(P3.23）、I4（

12、P3.24),信号低电平有效。再用 KA3、KA4的触点控制接触器，再由接触器的触点控制交流电动机。24图5.13数控系统控制交流电动刀架接线原理图（a）系统接口电路 （b）接触器接口电路 （c）交流电动机刀架控制电路25 5、数控机床的其他信号：（1）回零信号：根据数控系统接口要求，信号低电平有效，它们与数控系统接线原理图如图 5.14所示。（2）超程信号：数控系统超程信号接线示意图如图5.15所示。（3）冷却信号：数控系统控制冷却泵电动机的原理图如图5.16所示。 图5.14数控系统回零信号接线图26图5.15数控系统超程信号接线图图5.16数控系统控制冷却泵电动机原理接线图（a）系统接口

13、电路 （b）接触器接口电路 （c）冷却泵电动机控制电路27 经济型数控铣床是三轴联动，步进进给，主轴为无级 调速，有冷却控制。步进电动机驱动的脉冲当量为 0.01mm。数控系统采用国产ZKN 型数控装置。第二节 数控铣床电气控制线路28 数控铣床的主要电气结构框图如图5.17所示。图5.17数控铣床电气结构框图2.1 数控铣床的主要工作情况29 ZKN型数控铣床系统的主要接口有步进电动机与主轴控制接口，开关量输入、输出接口，其对外连接信号端如图5.18所示。图5.18ZKN 型数控铣床系统接口示意图（a）步进电动机与主轴控制端 （b）开关量输入接口端 （c）开关量输出接口端2.2 数控铣床系统

14、简介30 步进驱动与主轴电动机的控制接口信号端（JM）功能如下：YCLKY轴电动机脉冲信号；ZCLKZ轴电动机脉冲信号；YDIRY轴电动机方向信号； ZDIRZ轴电动机方向信号；XCLKX轴电动机脉冲信号；WCLKW轴电动机脉冲信号；XDIRX 轴电动机方向信号；WDIRW轴电动机方向信号。CLK脉冲与DIR信号波形如图5.19所示，CNC系统与 步进驱动接口图如图5.20所示。2.2.1 步进驱动与主轴电动机的控制接口信号31图5.19CLK脉冲与DIR信号波形图5.20数控系统与步进驱动的接口图32 数控系统中的开关量输入接口（JIN）中的+24V、 GND3电源与开关量输出接口（JOUT

15、)中的+24V 、 GND3电源在数控系统内部已连接在一起。使用时， 只 要向+24V 、GND3提供24V电源，数控系统的开关量 输入、输出就能正常工作。开关量输入信号的接口如图 5.21所示。2.2.2 开关量输入接口信号33图5.21数控系统开关量输入接口连线图（a）与触点开关接线 （b）与霍尔开关接线34数控系统的开关量输出接口信号是晶体管集电极开路型，输出功率小。若控制机床电器（如接触器）动作，需外接中间继电器，由中间继电器的触点控制开关量动作或接触器。数控系统输出接口连接图如图5.22所示。图5.22中，V2截止时， 中间继电器不动作，V2导通时，中间继电器动作，中间继电器电源为2

16、4V，导通电流应小于60mA，二极管VD3是中间继电器线圈的泄放电路，不能反接。2.2.3 开关量输出接口信号35图5.22开关量输出接口连接图36 经济型数控铣床的电气控制线路原理图如图5.23所示。图5.23数控铣床电气控制线路原理图图5.23 经济型数控铣床的电气控制线路原理图（a）主电路原理图 （b）电气控制回路原理2.3 数控铣床的电气控制线路37 SA2按下后 KA0通电,KM1接通,变频器通电。SA3按下，主轴变频器断电。主轴电动机的速度、正反转等由变频器控制，变频器由数控铣床系统控制。 数控铣床系统与变频器的接口图如图5.24所示。图5.24数控铣床系统与变频器接口图2.3.1

17、 主轴电动机38 数控控制X、Y、Z三轴的步进电动机接口如图5.25所示。在图5.25中，数控系统输出信号为低电平有效，而步进驱动输入为高、低电平都可以，因此，数控系统输出信号可接步进驱动的对应信号的负端，正端统一与系统的+5V端相连，其余信号一一对应相连。图5.25 数控系统与步进驱动器（X轴）连接图2.3.2 步进电动机39 如图5.23所示，当数控系统编程为M08时，开关量输出口（O5）输出信号，使KA3中间继电器吸合，KA3吸合并自锁 ，KM2吸合,冷却泵工作。 当数控系统编程为M09时，开关量输出口（O6）输出信号 ，使KA4中间继电器吸合，KA4吸合，KM2失电， 冷却泵停止工作。

18、 2.3.3 冷却泵电动机40 数控加工中心的电气控制与数控铣床相似，但增加了 刀库与自动取刀的控制。一般来讲，进给运动与主轴都 采用伺服电机，系统也采用品牌产品。第三节 数控加工中心的电气控制线路41 如图5.26所示为数控加工中心的主要电气组成框图。数控加工中心分别由数控系统（CNC），机床控制电器 ，X、Y、Z轴进给驱动 ，Z 主轴进给驱动，主轴伺服电机，刀库电机，刀臂电机，排削电机，切削液电机，冷却电机及其他信号控制电路等组成。3.1 数控加工中心的主要工作情况42图5.26数控加工中心电气组成框图43 数控机床的核心是控制器,三菱电机公司推出了质量好、性能优的中高档CNC数控系统。目

19、前在中国市场推广使用的有普及型的E60系列、高性能的M60S系列数控系统，以及用于生产线的高性能的C64数控系统。2006年以来，又向市场推出了性能好、性价比高的E68、M70/M700系列数控系统等。3.2 三菱数控系统简介44 三菱数控系统的特点与优点如下：（）灵活性大（）通用性强（） 数控功能丰富（） 可靠性高（） 易于实现机电一体化（） 操作使用方便（） 编程方便（） 维护、维修方便3.2.1 三菱数控系统特点45 三菱CNC系统有E60系列，M60、M70/M700系列以及C系列等数控系统。用户可根据不同控制要求选择它们。 三菱E68数控系统可选用在数控铣或加工中心机床的控制。其外观

20、图如图5.27所示。该系统是可靠性高、功能丰富、性价比高的新概念CNC系统。图5.27三菱电机E68数控系统外观图3.2.2 三菱E68数控系统46（）系统连接总框图： 三菱E68数控系统由控制单元、显示单元、键盘单元、输入输出单元等组成，其系统连接总框图如图5.28所示。3.2.3 三菱E68数控系统的连接47图5.28 三菱E68数控系统连接总框图48（）控制单元主板的连接：控制单元主板分别连接到显示单元 、键盘单元 、基本I/O 单元、远程I/O单元、手动脉冲发生器 、RS232C等,图5.29为控制单元主板的连接系统示意图。图5.29三菱E68数控系统控制单元主板的连接示意图49（）显

21、示与键盘单元的连接：三菱E68数控系统显示单元是8.英寸彩色TFT显示屏，其型号为FCU6DUN24。显示与键盘单元的连接通过F045专用电缆，如图5.30所示。图5.30 三菱E68数控系统显示与键盘单元的连接50（）系统电源的连接：三菱E68数控系统供电电源为DC24V，连接它有两种方式，一种是采用通用电源的方式，另一种是采用三菱公司提供的专用电源（PD25）的方式，连接电路示意图如图5.31所示。图5.31 三菱E68数控系统电源的连接电路图51（）基本I/O单元板的连接：基本I/O单元板与外围电器信号的连接,包括与伺服驱动单元、编码器 、阶跃信号、远程扩展I/O、模拟输出、开关量DID

22、O，以及控制单元与电源。其连接示意图如图5.32所示。图5.32 基本IO单元板连接示意图521、开关量输入接口电路：三菱CNC系统工作通过基本IO单元板与机床进行信号连接。I/O单元板的数字开关量输入信号分为漏极输入电路和源极输入电路两种(即共阳与共阴)。若是漏极型输入，则COM端接+24V，与外围开关信号构成回路；若是源极输入，则COM端接0V，与外围开关信号构成回路。每个单元板都可进行选择，采用漏极输入或者源极输入。开关量输入接口电路如图5.33所示。3.3 三菱CNCI/O接口电路53图5.33 开关量输入接口电路示意图（a）漏型接口电路 （b）源型接口电路54、开关量输出接口电路：I/O单元板的数字开关量输出信号,也分为漏极（DX1*）数字信号输出电路和源极（DX1*1)输出电路,开关量输出接口电路如图5.34所示。图5.34 开关量输出接口电路示意图（a）漏型接口电路 （b）源型接口电路553、实际控制信号的连接：机床与操作面板等外围电路的控制信号与基本I/O单元板的信号连接是通过专用电缆CF31、CF32、 CF33、CF34插头连接的， 输入64点，输出48点。连接图如图5.35所示。图5.35 实际控制信号的连接示意图56 三菱CNC模拟量信号输可以连接到变频器控制端，它可以通过插头A0