数控系统组成原理与维修

数控机床数控系统结构与维修2022/12/1722.1数控系统组成与原理

2.2数控系统硬件

2.3数控系统软件

2.4可编程控制器(PLC)

2.5数控机床检测装置

2.6伺服驱动系统

2.7数控系统诊断技术及维修第二章数控机床数控系统结构与维修2.1数控系统组成与原理一、

CNC系统组成

1．操作面板

2．输入／输出装置

3．计算机数控装置(CNC装置)

4．伺服单元

5．驱动装置6．可编程逻辑控制器(PLC)

第二章机床数控系统结构与维修

4机床I/O电路和装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元机床主进辅运给助动传控机动制构机机构构PLC测量装置计算机数控装置操作面板输入输出装置键盘

图2-1计算机数控系统的组成框图56二、

CNC系统的基本原理CNC系统的生产厂家编制好CNC控制软件(也称为系统程序)后，要把它固化在ROM(EPROM)中，系统接上电源后即自动由CPU按照此固化的程序运行。使用CNC机床加工时，首先要编制好零件程序，而零件程序的解释与具体执行则要由系统程序来完成。

7CNC的控制软件主要完成如下基本任务

①系统管理。②操作指令处理。③零件程序的编辑。④零件程序的输入、解释与执行。⑤系统状态显示。⑥手动数据输入MDI。⑦故障报警和诊断。89三、计算机数控装置的接口

计算机数控装置(以下简称数控装置)的接口是数控装置与数控系统的功能部件(主轴模块、进给伺服模块、PLC模块等)和机床进行信息传递、交换和控制的端口，称之为接口。

10接口电路的主要任务：(1)进行电平转换和功率放大。(2)提高数控装置的抗干扰性能，防止外界的电磁干扰噪声引起误动作。(3)输入接口接收机床操作面板的各开关信号、按钮信号，机床上的各种限位开关信号以及数控系统各个功能模块的运行状态信号，若输入的是触点输入信号，要消除其振动。(4)输出接口是将各种机床工作状态灯的信息送至机床操作面板上显示，将控制机床辅助动作信号送至电柜，从而控制机床主轴单元、刀库单元、液压单元、冷却单元等的继电触器。112.2数控控系系统统硬硬件件一、、CNC的硬硬件件构构成成计算算机机部部分分电源源部部分分面板板接接口口和和显显示示接接口口开关关量量I/O接口口内装装型型PLC部分分伺服服输输出出和和位位置置反反馈馈接接口口主轴轴控控制制接接口口外设设接接口口12二、、CNC的体体系系结结构构CNC装置置从从所所使使用用的的计计算算机机类类型型来来看看，，有有专专用用计计算算机机数数控控装装置置(简称称专专机机数数控控)和通通用用个个人人计计算算机机数数控控装装置置(简称称PC数控控)两种种结结构构。。1．专专用用计计算算机机组组成成的的数数控控体体系系结结构构专用用计计算算机机数数控控按按组组成成CNC装置置的的电电路路板板的的结结构构特特点点可可分分为为大大板板式式结结构构和和模模块块化化结结构构两两类类，，按按CNC装置内的微微处理器(CPU)数量可分为为单微处理理器和多微微处理器结结构两类。。1314单微处理器器结构具有有如下特点点。①结构简单单，容易实实现。②处理器通通过总线与与各个控制制单元相连连，完成信信息交换。。③由于只用用一个微处处理器来集集中控制，，其功能能受到微微处理器字字长、数据据宽度、寻寻址功能和和运算速度度等因素的的限制；由由于插补等等功能由软软件来实现现，因此，，数控功能能的实现与与处理速度度成为一对对矛盾。1516172．开放式数数控体系结结构特点：①以分布式式控制的原原则，采用用系统、子子系统和模模块分级式式的控制结结构。②根据需要要可实现重重构、编辑辑，以便实实现多种用用途。在开开放式体系系结构中，，各模块相相互独立，，在此平台台上，系统统生产厂、、机床厂及及最终用户都可可很容易地地把一些专专用功能和和其他有个个性的模块块加入其中中。③要具有一一种较好的的通信和接接口协议，，以便各相相对独立的的功能模块块通过通信信实现信息息交换，通通过信息交交换来满足足实时控制制的要求。。183．通用PC组成的数控控体系结构构基于通用PC的数控系统统可以充分分利用PC的软硬件资资源，减轻轻设计任务务；可充分分利用计算算机工业所所提供的先先进技术，，方便地实实现产品的的更新换代代；良好的的人机界面面便于操作作；开放性性体系结构构便于在工工厂环境内内集成；由由于有更多多的硬件供供选择，CNC的成本本对于于用户户来说说非常常灵活活。192.3数控系系统软软件一、CNC的软件件结构构类型型软件结结构取取决于于CNC系统中中的软软件和和硬件件的分分工，，也取取决于于软件件本身身的工工作性性质。。在信信息处处理方方面，，软件件和硬硬件在在逻辑辑上是是等价价的，，有些些由硬硬件能能完成成的工工作在在原则则上也也能由由软件件完成成。CNC系统是是一个个实时时的计计算机机控制制系统统，其其数控控功能能是由由各种种功能能子程程序实实现的的。不不同的的系统统软件件结构构对这这些子子程序序的安安排方方式不不同，，管理理方式式也不不同。。在单单CPU的数控控系统统中，，常采采用前前后台台型的的软件件结构构和中中断型型软件件结构构。201．前后后台型型软件件结构构212．中断断型软软件结结构中断型型软件件结构构除了了初始始化程程序之之外，，整个个系统统软件件的各各种任任务模模块被被分别别安排排在不不同级级别的的中断断程序序中，，整个个软件件就是是一个个大的的中断断系统统。其其管理理的功功能主主要通通过各各级中中断服服务程程序之之间的的相互互通信信来解解决。。中断优优先级级共8级，0级最低低，7级最高高，除除了第第4级为硬硬件中中断完完成报报警功功能外外，其其余均均为软软件中中断。。22二、CNC系统软软硬件件的界界面图2-8三种典典型CNC系统的的软硬硬件界界面23三、CNC控制软软件的的特点点1．多任任务并并行处处理2．实时时中断断处理理242.4可编程程控制制器(PLC)一、PLC的基本本组成成与工工作方方式1．PLC的基本本组成成PLC实质是是一种种专用用计算算机，，它的的组成成形式式基本本上与与微机机相同同，主主要包包括微微处理理器(CPU)、存储储器、、用户户输入入／输输出部部分、、输入入／输输出扩扩展接接口、、外围围设备备以及及电源源等。。对于于内装装型PLC、CPU、存储储器、、外围围设备备、电电源等等部分分一般般与CNC装置共共用。。如图图2-9所示为为可编编程控控制器器基本本组成成框图图。25262．PLC的工作作方式式PLC的基本本工作作方式式是顺顺序执执行用用户程程序，，每一一时刻刻执行行一条条指令令，由由于相相对于于外部部电气气信号号有足足够的的执行行速度度，从从宏观观上看看是实实时响响应的的。对对用户户程序序的执执行一一般有有循环环扫描描和定定时扫扫描两两种，，扫描描过程程分为为三个个阶段段，即即输入入采样样阶段段、程程序执执行阶阶段和和输出出刷新新阶段段，27二、PLC的分类类(1)内装型型PLC。(2)独立式式PLC。28(1)内装型型PLC。29(2)独立式式PLC图2-12独立型型PLC的CNC系统30图2-13独立型型PLC的功能能结构构312.5数控机机床检检测装装置一、编编码器器(码盘)编码器器又称称编码码盘或或码盘盘，是是一种种旋转转式测测量元元件，，通常常安装装在被被检测测轴上上，随随被测测轴一一起转转动，，可将将被测测轴的的机械械角位位移转转换成成增量量脉冲冲形式式或绝绝对式式的代代码形形式。。它具具有精精度高高、结结构紧紧凑和和工作作可靠靠等优优点，，常在在半闭闭环伺伺服系系统中中作为为角位位移数数字式式检测测元件件。编码器器又称称编码码盘或或码盘盘，是是一种种旋转转式测测量元元件，，通常常安装装在被被检测测轴上上，随随被测测轴一一起转转动，，可将将被测测轴的的机械械角位位移转转换成成增量量脉冲冲形式式或绝绝对式式的代代码形形式。。它具具有精精度高高、结结构紧紧凑和和工作作可靠靠等优优点，，常在在半闭闭环伺伺服系系统中中作为为角位位移数数字式式检测测元件件。32图2-14编码器器与主主轴安安装的的安装装应用用33二、光光电式式编码码器光电式式编码码器是是一种种光电电式非非接触触式转转角检检测装装置。。码盘盘用透透明及及不透透明区区域按按一定定编码码构成成。根根据其其编码码方式式的不不同，，可分分为增增量式式光电电编码码器和和绝对对式光光电编编码器器。光电编编码器器利用用光电电原理理把机机械角角位移移变换换成电电脉冲冲信号号，是是数控控机床床最常常用的的位置置检测测元件件。光光电编编码器器按输输出信信号与与对应应位置置的关关系，，通常常分为为增量量式光光电编编码器器、绝绝对式式光电电编码码器和和混合合式光光电编编码器器。341．光电电式编编码器器的结结构图2-15光电脉脉冲编编码器器结构构1-电路板板；2-圆光栅栅；3-指示光光栅；；4-轴；5-光敏元元件；；6-光源；；7-连接法法兰。。352．光电电编码码器的的工作作原理理增量式式光电电编码码器能能够把把回转转件的的旋转转方向向、旋旋转角角度和和旋转转角速速度准准确地地测量量出来来，然然后通通过光光电转转换将将其转转换成成相应应的脉脉冲数数字量量，然然后由由微机机数控控系统统或计计数器器计数数得到到角位位移或或直线线位移移量。。绝对对式光光电脉脉冲编编码器器可将将被测测转角角转换换成相相应的的代码码来指指示绝绝对位位置而而没有有累计计误差差，是是一种种直接接编码码式的的测量量装置置。36图2-16增量式式光电电编码码器测测量系系统1-旋转轴轴；2-滚珠轴轴承；；3-透光夹夹缝；；4-光电编编码器器；5-光源；；6-聚光镜镜；7-光栏板板；8-光敏元元件。。37(2)绝对式式光电电编码码器的的工作作原理理绝对式式光电电编码码器的的光盘盘上有有透光光和不不透光光的编编码图图案，，编码码方式式可以以有二二进制制编码码、二二进制制循环环编码码、二二至十十进制制编码码等。。绝对对式光光电编编码器器通过过读取取编码码盘上上的编编码图图案来来确定定位置置。38(a)绝对式式光电电编码码器原原理图图(a)绝对式式光电电编码码器原原理图图39(b)绝对式式光电电编码码器结结构图图40(3)编码器器正反反转辨辨别。。41三、光光栅光栅是是一种种最常常见的的测量量装置置，是是在玻玻璃或或金属属基体体上均均匀刻刻划很很多等等节距距的线线纹而而制成成的。。其制制作工工艺是是在一一块长长形玻玻璃上上用真真空镀镀膜的的方法法镀上上一层层不透透光的的金属属膜，，再涂涂上一一层均均匀的的感光光材料料，然然后用用照相相腐蚀蚀法制制成等等节距距的透透光和和不透透光相相间的的线纹纹，这这些线线纹与与运动动方向向垂直直，线线纹间间的距距离为为栅距距，而而单位位长度度上的的线纹纹数目目称为为线纹纹密度度。421．光栅的结构构光栅装置的结结构由标尺光光栅和光栅读读数头两部分分组成。光栅栅读数头由光光源、透镜、、指示光栅、、光敏元件和和驱动线路组组成。43图2-20光栅尺442．光栅的工作作原理在安装时，将将两块栅距相相同、黑白宽宽度相同的标标尺光栅和指指示光栅刻线线面平行放置置，将指示光光栅在其自身身平面内倾斜斜一很小的角角度，以便使使它的刻线与与标尺光栅的的刻线间保持持一个很小的的夹角。这样样，在光源的的照射下，就就形成了光栅栅刻线几乎垂垂直的横向明明暗相同的宽宽条纹，即莫莫尔条纹。4546图2-22横向莫尔条纹纹的参数473．光栅的种类类(1)物理光栅(2)计量光栅(3)透射光栅根据光栅的工工作原理，玻玻璃透射光栅栅可分为莫尔尔条纹式光栅栅和透射直线线式光栅两类类。(4)反射光栅484．光栅测量系系统(1)光栅测量的基基本电路光栅测量系统统由光源、透透镜、光栅尺尺、光敏元件件和一系列信信号处理电路路组成，如图图2-23所示。信号处处理电路又包包括放大、整整形和鉴向倍倍频。49图2-23光栅测量系统统50(2)鉴向倍频电路路图2-24两光敏元件的的波形51四、测速发电电机测速发电机是是一种旋转式式速度检测元元件，可将输输入的机械转转速变为电压压信号输出，，在数控系统统的速度控制制单元和位置置控制单元中中都得到应用用。尤其是常常作为伺服电电动机的检测测传感器，将将伺服电动机机的实际转速速转换为输出出电压或输出出脉冲与给定定电压或参考考频率进行比比较后，发出出速度控制信信号，以调节节伺服电动机机的转速。521．测速发电机机的结构图2-25直流测速发电电机原理图53图2-26直流测速发电电机的输出特特性542．6伺服驱动系统统一、伺服系统统的概念数控机床伺服服系统是以机机械位移为直直接控制目标标的自动控制制系统，也可可称为位置随随动系统，简简称为伺服系系统。数控机机床伺服系统统主要有两种种：一种是进进给伺服系统统，它控制机机床坐标轴的的切削进给运运动，以直线线运动为主；；另一种是主主轴伺服系统统，它控制主主轴的切削运运动，以旋转转运动为主。。驱动系统的作作用可归纳如如下。①放大CNC装置的控制信信号，具有功功率输出的能能力。②根据CNC装置发出的控控制信号对机机床移动部件件的位置和速速度进行控制制。55二、对伺服驱驱动系统的要要求l．调速范围要要宽2．定位精度要要高3.快速响应，无无超调4．低速大转矩矩，过载能力力强5．可靠性高56三、伺服驱动动系统的组成成l．驱动装置2．执行元件3．传动机构4．检测元件及及反馈电路57四、伺服驱动动系统的分类类l．开环控制进进给驱动系统统CNC步进电机步进驱动器机床工作台指令电源传动机构图2-27开环控制的进进给驱动系统统582．闭环控制进进给驱动系统统596061六、伺服驱动动系统电机类类型l．进给驱动用用的伺服电机机(1)改进型直流电电机。(2)小惯量直流电电机。(3)步进电机。(4)永磁直流伺服服的电机。(5)无刷直流电机机。(6)交流调速电机机。622．主轴驱动电电机数控机床主轴轴驱动可采用用直流电机，，也可采用交交流电机。与与进给驱动不不同的是，主主轴电机的功功率要求更大大，对转速要要求更高，但但对调速性能能的要求却远远不如进给驱驱动那样高。。因此在主轴轴调速控制中中，除采用调调压调速外，，还采用了弱弱磁升速的方方法，进一步步提高其最高高转速。在主主轴驱动中，，直流电机已已逐渐被淘汰汰，目前均使使用交流电机机。由于受永永磁体的限制制，交流同步步电机的功率率不易做得很很大，因此，，目前在数控控机床的主轴轴驱动中，均均采用笼型感感应电机。632.7数控系统诊断断技术及维修修一、装置自诊诊断法l．启动自诊断断(初始化诊断)2.在线诊断(后台诊断)3．离线诊断64二、常规检查查法外观检查是指指依靠人的五五官等感觉器器官并借助于于一些简单的的仪器来寻找找机床故障的的原因。这种种方法在维修修中是常用的的，也是首先先采用的。“先外后内”的维修原则要要求维修人员员在遇到故障障时应先采取取看、闻、嗅嗅、摸等方法法，由外向内内逐一进行检检查。有些故故障采用这种种方法可迅速速找到故障原原因，而采用用其他方法要要花费许多时时间，甚至一一时解决不了了。65三、机、液、、电综合分析析法数控机床是一一种高度机、、电、液一体体化的产品，，它应用了精精密机械、液液压技术、电电气技术、微微电子技术等等，对数控机机床的故障分分析也要从机机、液、电不不同的角度对对同一故障进进行分析诊断断，可以避免免片面性，少少走弯路。最最后确认是机机、液、电中中的哪一个系系统有问题。。以便在哪个个系统中做进进一步的诊断断及排除故障障。66四、备件替换换法将具有相同功功能的两块板板互相交换(一块好的，一一块被怀疑是是坏的)，观察故障现现象是否随之之转移，还是是故障依旧来来判断被怀疑疑板。这些板板是指印制线线路板、模块块、集成电路路芯片或元器器件。若没有有备用电路板板或组件，可可把故障区与与无故障区的的相同的电路路板或组件互互相交换，然然后观察故障障排除及转移移情况，也可可得到确诊。。注意：①必必须断电后才才能更换电路路板或组件；；②有些电路路板，例如PLC的I／O板上有地址开开关，交换时时要相应改变变设置值；③③有些电路板板上有跳线及及桥接调整电电阻、电容，，也应与原板板相同，方可可交换；④模模块的输入输输出必须相同同。以驱动器器为例，型号号要相同，若若不同，则要要考虑接口、、功率的影响响，避免故障障扩大。671．“替换”方法的使用范范围在电气修理中中，采用“替换”方法来检查判判断故障应注注意应用场合合。对一些比比较简单的电电器，如接触触器、继电器器、开关、保保护电器及其其它各种单一一电器，在对对其有怀疑而而一时又不能能确定故障部部位的情况下下，使用效果果较好。而在在由电子元件件组成的各种种电路板、控控制器、功率率放大器及所所接的负载，，替换时应小小心谨慎，如如果无现成的的备件替换，，需从相同的的其它设备上上拆卸时更应应慎重从事，，以避免故障障没找到，替替换上的新部部件又损坏，，造成新的故故障。682．“替换”中的注意点(1)低压电器的替替换应注意电电压、电流和和其他有关的的技术参数，，并尽量采用用相同规格的的替换。(2)电子元件的替替换，如果没没有相同的，，应采用技术术参数相近的的，而且主要要参数最好能能胜过原来的的。(3)拆卸时应对各各部分做好记记录，特别是是接线较多的的地方，可防防止反馈错误误引起的人为为故障。(4)在有反馈环节节的线路中，，更换时要注注意信号的极极性，以防反反馈错误引起起其他的故障障。(5)在需要从其他他设备上拆卸卸相同的备件件替换时，要要注意方法，，不要在拆卸卸中造成被拆拆件损坏。如如果替换电路路板，在新板板换上前要检检查一下使用用的电压是否否正常。69四、电路板参参数测试对比比法当系统发生故故障后，采用用常规电工检检测仪器、工工具，按系统统电路图及机机床电路图，，对故障部分分的电压、电电源、脉冲信信号等进行实实测，在各电电路板的测试试端子上进行行电压值及波波形的测试，，与正常值和和正常波形进进行比较。若若无原始记录录，也可与对对应无故障区区的相同的电电路板比较，，从而确诊故故障电路板是是否发生故障障。如电源的的输入电压超超限，应对电电源监控，以以排除其它原原因。如发生生位置控制环环故障，可用用示波器检查查测量回路的的信号状态，，或用示波器器观察其信号号输出是否缺缺相，有无干干扰。70五、更新建立立法当CNC或PLC装置由于电网网干扰，或其其他偶然原因因发生异常情情况或死机时时，应清除有有关内存区，，重新进行冷冷启动或热启启动。并对CNC参数进行重新新设置，便可可排除故障。。71六、升温，降降温法当设备运行时时间比较长或或者环境温度度比较高时，，机床容易出出现软件故障障。这时可用用电热风或红红外灯直接照照射可疑的电电路板或组件件，人为通过过采用升温法法加速一些高高温参数差的的元器件恶化化(要注意元器件件的温度参数数)，产生“症状”出来，从而确确定有问题的的组件或元器器件。72七、拉偏电源源法有些不定期出出现的软故障障与外界电网网电压波动有有关。当机床床出现此类故故障时，可把把电源电压人人为地调高或或调低，模拟拟恶劣的条件件让故障容易易暴露。73八、分段优选选法电缆断路或短短路故障的查查找，有时非非常困难，特特别是大型数数控机床各轴轴的行程都很很长，有时电电枢到机床去去的电缆要分分几段，每段段有几十米长长，这时应用用优选法从中中部分分段校校线查找故障障点，可以加加快速度。有有时PLC的+24V端子对地短路路，此端子上上接有上百个个输入开关，，单个检查太太慢，也可用用优选法，一一半、一半的的检查短路点点在哪一半中中，然后把有有问题的一半半再一分为二二进行查找……从而大大加快快速度。74九、功能程序序测试法功能程序测试试法是将所维维修数控系统统G、M、S、T、F功能的全部使使用指令编写写出一个试验验程序，并存存储在软盘上上。在故障诊诊断时运行这这个程序，可可快速判定哪哪个功能不良良或丧失。应应用场合：①①机床加工造造成废品而一一时无法确定定是编程、操操作不当，还还是数控系统统故障时；②②数控系统出出现随机性故故障，一时难难以区别是外外来干扰，还还是系统稳定定性不好。如如不能可靠地地执行各加工工指令。可连连续循环执行行功能测试程程序来诊断系系统的稳定性性；③闲置时时间较长的数数控机床在投投入使用时或或数控机床进进行定期检修修时。75十、参数检查查法数控机床的参参数是经过一一系列试验、、调整而获得得的重要数据据。例如工作作范围、轴动动态参数，数数据需要根据据具体的控制制对象而修改改。这种可读读写的存储器器有电池保持持的RAM、EPROM、F1ashROM、硬盘等。应用场合：对对于电池保持持的RAM，一旦电池电电压不足(一般电池2-3年需更换)或机床长期闲闲置或外部干干扰会使参数数丢失或混乱乱，从而使系系统不能正常常工作。EPROM、FlashROM由于不需要电电池，在数控控系统中应用用越来越普遍遍。当机床长长期闲置或无无缘无故出现现不正常现象象或有故障而而无应答时，，就要根据故故障特征检查查和校对有关关参数。76十一、隔离法法隔离法是指将将控制回路断断开，从而达达到缩小查找找故障区域的的目的。在机机床维修时为为了防止故障障扩大，需切切断某些部件件的电源，也也经常采用此此法。77十二、接口状状态显示诊断断法接口是连接CNC系统、PLC、机床本体的的节点，节点点是信息传递递和控制的要要道，通过接接口的状态信信息(通“1”、断“0”)，若系统带有有分立的PLC时，系统产生生故障后，首首先应判断故故障是出现在在CNC系统内部，还还是在PLC或机床(MT)侧。这就要求求熟悉CNC与PLC之间信息交换换的内容，必必须熟悉各测测量反馈元件件的位置、作作用及发生故故障时的现象象与后果。搞搞清楚某一个个动作不执行行是由于CNC没有给PLC指令，还是由由于CNC给了PLC指令而PLC未执行，或是是由于PLC无准备好应答答信号，CNC不可能提供该该指令等。78十三、测量比比较法