数控机床结构与维修（项目化教程）（第二版）课件 任务4、5 数控机床电气系统的认知、数控车床的认知

任务四数控机床电气系统的认知知识要求掌握数控机床电气手册的使用方法了解PLC在数控机床中的使用范围了解数控机床电气系统的基本结构数控机床电气系统的组成电气系统外围电压电气控制系统执行机构机床用PLC概述1.定义：可编程控制器是一种数字运算的电子操作系统装置，专为工业现场应用而设计的，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计认识可编程控制器(PLC)它的起源可以追溯到60年代，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，对生产线上的控制设备提出了新的要求，为此研制了第一台可编程控制器用于生产线上，通过改变存储在里面的指令的方法来改变生产线的控制流程，从而提供了继电器控制系统无法比拟的灵活性。但这一时期它主要是代替继电器系统完成顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器简称PLC（ProgrammableLogicalController）。可编程控制器的发展进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，可以进行模拟量控制、位置控制，特别是远程通讯功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，因此将其称为可编程控制器（ProgrammableController）简称PC,但为了与个人电脑PC相区别，仍将其称为PLC。PLC已被称为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，加速了机电一体化的进程。PLC的主要特点可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。编程简单，使用方便。

通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。体积小，易于实现机电一体化。e)缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。7家举足轻重的PLC制造厂家：美国的Rockwell自动化公司所属的A-B(Allen-Bradley)公司GE-Fanuc公司德国的西门子（Siemens）公司美国的Modicon公司法国TE（Telemecanique）公司日本三菱公司日本立石（OMRON）公司国内PLC的发展概况用PLC改造设备国产的小型PLC（I/O点数≤256）已形成一定的批量，但无主流产品中型PLC的开发才刚刚起步国产小型PLC厂家及其产品有上海东屋电器有限公司生产的CF系列不海工业自动化研究所生产的TCMS-300/D杭州电子计算机厂生产的YZ系列苏州机床电器厂生产的CYK/KB系列等国内中型PLC的发展情况机械部北京自动化所和天津自动化仪表厂开发的1024个I/O点的PLC大连组合机床研究所开发的1152个I/O点的S50PLC中外合资的上上海香岛斯迈克有限公司、华光电子工业有限公司，引进生产线的辽宁无线电二厂，外商独资的厦门A-B公司模拟量输入行程开关继电器触点各种开关传感器CPUROM、RAM电源部件输出接口输入接口外设接口照明电磁装置执行机构采用光电隔离装置继电器、可控硅、晶体管电路编程器打印机计算机采用光电隔离装置1.主机

CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们常说的电脑芯片。(1)

运行用户程序。(2)

监控输入/输出接口状态。(3)

作出逻辑判断和进行数据处理主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器

系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。

用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。

内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器输入/输出(I/O)接口与电源输入接口用于接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源

1、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制（即是实现机床运动轨迹的控制、实现零件的轮廓控制）。这一部分工作有数控系统中NC部分来完成。

2、实现机床辅助设备的控制(包括冷却系统、照明系统、操作面板、换刀系统等等）是由PLC来完成的。二、PLC和NC的关系第一节PLC在数控机床中的应用PLC（ProgrammableLogicController),通常用于设备的自动控制。2.PLC用于机床的控制，主要是用于机床的外围、辅助电气的控制；3.PLC用于数控机床通常称之为可编程序机床控制器；称之为PMC（programmablemachinetoolcontroller）第一节PLC在数控机床中的应用一、数控机床用PLC介绍

1、实现刀具相对于工件各坐标轴几何运动规律的数字控制（即是实现机床运动轨迹的控制、实现零件的轮廓控制）。这一部分工作有数控系统中NC部分来完成。

2、实现机床辅助设备的控制(包括冷却系统、照明系统、操作面板、换刀系统等等）是由PLC来完成的。二、PLC和NC的关系PLC在数控机床中的应用1.外围电路（强电回路）是不能够直接和PLC相互连接的，所以外围电路和PLC相互连接必须要通过中间的继电器回路的转换。2.进入PLC的必须要转换成弱电信号，用于控制外围电路的必须要把PLC输出的弱电信号转换成强电信号。PLC和机床外围电路的关系1.内装式（集成式）：整体设计、信息交换速度快、系统可靠。2.独立式（外装式）：

独立于NC装置，是能够独立完成功能的PLC。方便扩展、选择余地大。PLC在数控机床中的应用形式1、机床侧至PLC：

机床侧的信号通过I/O单元接口输入到PLC，输入的地址由PLC程序编制人员自行定义。当然要根据相关规范确定。2、PLC至机床侧： 根据机床的配置，以及所需要完成的控制功能。PLC将控制信号输送至机床侧。输出信号的地址也是由程序编制人员自行定义。

PLC和外部的信息交换3、PLC至CNC：

PLC至CNC的信号地址和含义由系统厂商定义完成，程序编制人员之能够根据厂商的定义而不能够增减、删除改变。4、CNC至PLC：

CNC送至PLC的信号可由CNC直接送至PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址均由系统厂商定义。PLC和外部的信息交换1、输入采样；PLC扫描读入所有输入端口的信号状态，并将此状态读入到输入映像寄存器中。2、程序执行；系统读入输入映像缓存区、输出映像缓存区的数据，进行运算并将运算结果输出到输出映像缓存区。3、刷新阶段；刷新阶段主要是将新的处理结果输出到外部。五、PLC在数控机床中的工作流程1、操作面板的控制 操作面板的控制分为两个部分，一个是系统操作面板的控制一个是机床操作面板的控制。

系统面板的信号PLC在数控机床中的功能。系统面板信号NCPLC机床面板信号机床机床面板信号PLC机床系统面板的信号2、机床外部开关输入信号将机床侧的开关信号输入PLC，进行逻辑运算。运算的结果用于对机床的控制。3、输出信号控制，PLC将用于控制的信号经过接口以及外围电路中的继电器、接触器、电磁阀等输出给控制对象。4、T功能实现，所谓T功能实际上就是数控机床对刀具的控制功能。就是通过PLC实现刀具调用、换刀等一系列功能。5、M功能的实现 所谓M功能就是数控机床的辅助功能，包括主轴旋转的控制、冷却系统的控制、程序执行方式的控制等等。PLC在数控机床中的功能。NCPLC外围辅助设备

PLCNC指令外部反馈直接控制外部设备小功率设备由继电器、接触器等组成的外围电路辅助设备PLC和外围电路的关系一、PLC对外围电路的控制。1、PLC内部信号和外部信号的对应关系，对于外围电路的控制非常重要。处理他们的对应关系，主要是依据机床厂上的对于外围电路的设计、功能的定义以及PLC程序编制工程是对于PLC输入输出接口的分配。2、地址分配：将PLC许可使用范围内的地址，按照一定的规则使其和外部电路中的信号相对应。也就是一个地址对应着一路信号，也就是地址实际上将内部信号和外部信号连接起来。PLC和外围电路的关系一、PLC内部信号和外部信号的对应。PLC程序编制工程师在编制软件时，通过设置参数、和程序编制时的定义，已经将地址从软件上作了分配。但是，我们在处理外部回路和PLC相连接时，不能够只是靠软件来保证信号的对应关系。PLC内部信号的定义和地址的分配，是和PLC的硬件接口相对应的。我们在使用PLC时，实际上也只能够通过对硬件的使用和辨识来保证接口使用的确实。PLC和外围电路的关系一、PLC内部信号和外部信号的对应。手动绝对值选择停止主轴正转

主轴反转主轴停止线号插座上的针脚号分配的输入地址实际信号含义标注实际开关按钮的编号PLC和外围电路的关系二、外部元件和PLC输入信号PLCPLC和外围电路的关系二、外部元件和PLC输入信号PLC地址通常由三部分组成：1、地址类型；2、地址号；3、位号；如：

X1000.0地址类型地址号位号位号从0~7地址类型由厂家定义PLC和外围电路的关系三、PLC的地址构成

元器件（号）线号插槽或插座号针脚号PLC输入地址号机床上实际使用的电气元件的编号和机床电气元件相连的电缆的线号电缆汇入的插座、插槽的号码每一路信号在插座、插槽上的分配号码每一路信号对应分配的PLC地址PLC和外围电路的关系三、电路图上几种标号的关系1.目录

目录的主要内容是：页码、图号、标题一、机床电气手册的构成NO（页码）DRAWING（图号）TITLE（标题）REMARK（备注）机床电气手册2、线号表

说明线缆的走向，线缆在电气图中的位置。一、机床电气手册的构成机床电气手册3、符号描述表

描述所要表达的电气元件的图形符号一、机床电气手册的构成机床电气手册4、电器柜布置图

用来描述每个器件在电气柜中的位置，以及电气柜和外界相连通的线缆的位置。一、机床电气手册的构成机床电气手册电器柜布置图一、机床电气手册的构成5、控制回路框图

用于描述整个数控机床控制系统控制流程和各部分之间的关系。机床电气手册6、各控制单元图。

在数控机床电气控制图中，对完成某一项或者某一类功能的电路作了单独的描述。除此以外，还对每一个重要的零部件的构成做了详细的描述。通过这些单元图（零部件图），我们可以更加详细而透彻的了解整个数控机床电气控制系统的构成。一、机床电气手册的构成机床电气手册一、机床电气手册的构成NC电源供应单元NCPOWERSUPPLYUNIT机床电气手册1、了解数控机床电气控制系统的工作原理；2、熟练使用机床电气手册维护数控机床电气系统。查找回路的方法一、学习查找回路的目的

通过查找冷却液电机运转的控制回路的工作流程，熟悉和掌握使用机床电气手册的方法。

控制冷却液电机运转的的控制的两种方式：

1、程序自动控制（M指令）；

NC将M指令译码后送至PLC，经过PLC的运算处理后送出控制信号。

2、手动控制（机床面板上的按钮）；

通过操作机床操作面板上的操作开关，开关信号进入PLC，经过PLC运算后送出控制信号。其实，这两种方式在PLC送出控制信号以后，都是通过同一个回路来控制冷却液电机的运行。查找回路的方法二、查找电路图例二、查找电路图例查找回路的方法1、查找电机控制回路通过电气手册目录，查找到电机的控制回路电机控制回路目录

2、查找冷却液电机控制回路

在前面目录所示的页码中，找到电机控制回路，在众多的电机控制回路中，找到冷却液电机控制回路。二、查找电路图例查找回路的方法二、查找电路图例查找回路的方法冷却液电机控制回路2、查找冷却液电机控制回路查找回路的方法二、查找电路图例

3、查找控制冷却液电机的接触器线圈的控制回路接触器线圈控制回路冷却泵控制4、查找控制前述接触器的继电器线圈的控制回路。查找回路的方法二、查找电路图例继电器线圈控制回路冷却泵PLC输出信号5、查找控制冷却泵的PLC输入信号。

通过查找目录，找到I/O单元，在I/O单元里找到控制冷却泵的输入信号。

查找回路的方法二、查找电路图例控制冷却泵的输入信号及外部控制开关查找回路的方法二、查找电路图例6、查找冷却液控制开关。这种控制开关都是集中在操作面板上，所以应该到操作面板上去查找。谢谢s任务五数控车床的认知能力目标与讲解思路掌握数控机床的分类.掌握数控机床的的组成各部分的功用.特点分类组成数控车床数控车床的特点进给运动由滚珠丝杠驱动溜板与刀架实现系统结构简化与普通车床比较随着数控车床制造技术的不断发展，形成了产品繁多、规格不一的局面。因而也出现了几种不同的分类方法。数控系统按其功能不同，可分为以下几种：（1）经济型数控车床。经济型数控车床如图4－1所示，它们一般是在普通车床的基础上进行改进设计，并采用步进电动机驱动的开环伺服系统。其控制部分采用单板机或单片机来实现。此类车床结构简单，价格低廉，但无刀尖圆弧半径自动补偿和恒线速度切削等功能。

数控车床的分类（2）全功能型数控车床。全功能型数控车床就是通常所说的“数控车床”，又称标准型数控车床，即它的控制系统是标准型的，带有高分辨率的CRT显示器以及各种显示、图形仿真、刀具补偿等功能，而且带有通信或网络接口。全功能型数控车床采用闭环或半闭环控制的伺服系统，可以进行多个坐标轴的控制，具有高刚度、高精度和高效率等特点。图4－2所示为某全功能型数控车床。

图4－1经济型数控车床

图4－2全功能型数控车床

（3）车削中心。车削中心是以全功能型数控车床为主体，并配置有刀库、换刀装置、分度装置、铣削动力头和机械手等，以实现多工序复合加工的机床。在工件一次装夹后，它可完成回转类零件的车、铣、钻、铰、攻螺纹等多种加工工序。其功能全面，但价格较高。（4）FMC车床。FMC车床如图4－3所示，它实际上是一个由数控车床、机器人等构成的柔性加工单元。它能实现工件搬运、装卸的自动化和加工调整准备的自动化。

图4－3

FMC车床

2．按主轴的配置形式分类⑴卧式数控车床。其主轴轴线处于水平位置，其床身和导轨有多种布局形式，是应用最广泛的数控车床。⑵立式数控车床。其主轴轴线处于垂直位置，并有一个直径很大的圆形工作台供装夹工件用。这类机床主要用于加工径向尺寸大、轴向尺寸小的大型复杂零件。3．按刀架数量分类（1）单刀架数控车床（2）双刀架数控车床

单刀架数控车床双刀架数控车床卧式数控车床立式数控车床二、数控车床的结构特点与传统车床相比，数控车床的结构有以下特点：1)由于数控车床刀架的两个方向运动分别由两台伺服电动机驱动，所以它的传动链短。不必使用挂轮、光杠等传动部件，用伺服电动机直接与丝杠联结带动刀架运动。伺服电动机丝杠间也可以用同步皮带副或齿轮副联结。2)多功能数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。为扩大变速范围，现在一般还要通过一级齿轮副，以实现分段无级调速，即使这样，床头箱内的结构已比传统车床简单得多。数控车床的另一个结构特点是刚度大，这是为了与控制系统的高精度控制相匹配，以便适应高精度的加工。3)数控车床的第三个结构特点是轻拖动。刀架移动一般采用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副是数控车床的关键机械部件之一，滚珠丝杠两端安装的滚动轴承是专用铀承，它的压力角比常用的向心推力球辆承要大得多。这种专用轴承配对安装，是选配的，最好在轴承出厂时就是成对的。4)为了拖动轻便，数控车床的润滑都比较充分，大部分采用油雾自动润滑。5)由于数控机床的价格较高、控制系统的寿命较长，所以数控车床的滑动导轨也要求耐磨性好。数控车床一般采用镶钢导轨，这样机床精度保持的时间就比较长，其使用寿命也可延长许多。6)数控车床还具有加工冷却充分、防护较严密等特点，自动运转时一般都处于全封闭或半封闭状态。7)数控车床一般还配有自动排屑装置。数控车床的布局三、数控车床的布局典型数控车床的机械结构系统组成，包括主轴传动机构、进给传动机构、刀架、床身、辅助装置(刀具自动交换机构、润滑与切削液装置、排屑、过载限位)等部分。数控车床床身导轨与水平面的相对位置如图1-2所示，它有4种布局形式：图1-2(a)平床身，图1-2(b)斜床身，图1-2(c)平床身斜滑板，图1-2(d)为立床身。数控车床床身导轨与水平面的相对位置图水平床身的工艺性好，便于导轨面的加工。水平床身配上水平放置的刀架可提高刀架的运动精度，一般可用于大型数控车床或小型精密数控车床的布局。但是水平床身由于下部空间小，故排屑困难。从结构尺寸上看，刀架水平放置使得滑板横向尺寸较长，从而加大了机床宽度方向的结构尺寸。如下图所示，卧式数控车床数控车床的加工对象和工艺装备1、数控车床的加工对象精度要求高的零件表面粗糙度好的回转体零件轮廓形状复杂的零件带一些特殊类型螺纹的零件超精密、超低表面粗糙度的零件2.数控车床的工艺装备1）卡盘

液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用卡盘；用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。2）尾座

对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。尾架有普通液压尾架和可编程液压尾座。3）刀架

刀架是数控车床非常重要的部件。数控车床根据其功能，刀架上可安装的刀具数量—般为8把、10把、12把或16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。

刀架的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀架上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控车床的刀架为直排式，刀具沿一条直线安装。（三）工艺范围与分类车床主要用于加工各种轴类、套筒类和盘类零件上的会转变面。数控车床加工零件的尺寸精度可达IT5~IT6，表面粗糙度可达1.6um以下。数控车床主要可以分为数控卧式车床、数控立式车床和数控专用车床（如数控凸轮车床、数控曲轴车床、数控丝杠车床等），或分为普通数控车床和车削加工中心。数控车床的特点与发展（1）高精度（2）高效率（3）高柔性（4）高可靠性（5）工艺能力强（6）模块化设计除此之外，数控车床还向进一步提高主轴转速、到家快速移动以及转位换刀速度，工艺和工序将更加复合化和集中化发展；数控车床向多主轴、多刀架加工方向发展；为实现长时间无人化全自动操作，数控车床向自动化方向发展；机床的加工精度向更高方向发展。同时，数控车床也向简易型发展。数控车床的布局形式数控车床的布局形式受到工件尺寸、质量和形状，机床生产率，机床精度，操纵方便、运行安全与环境保护的要求的影响。随着工件尺寸、质量和形状的变化，数控车床的布局可有卧式车床、落地式车床、单立柱式车床、双立柱式车床和龙门移动式车床的变化，如图所示图4－4工件的尺寸、质量对车床布局的影响

数控卧式车床落地式车床数控立式车床数控车削加工中心数控卧式车床的结构组成数控卧式车床主要加工轴类零件和直径不太大的盘类零件。它是应用数量最大的数控车床种类。数控车床加工零件如图所示为某数控车床外形与组成部件图4－6

TND360数控卧式车床的传动系统图

数控车床的传动系统数控车床的运动时通过传动系统实现的。图4－6

TND360数控卧式车床的传动系统图

主运动传动数控车床主运动传动链的两端部件是主电动机与主轴，它的功用是把动力源（电动机）的运动及动力传递给主轴，使主轴带动卡盘加持工件旋转实现主运动，并满足数控卧式车床主轴变速和换向的要求。进给运动传动进给运动传动是指机床上驱动刀架实现纵向（Z向）和横向（X向）运动的进给运动。（1）纵向进给运动传动纵向进给运动传动由纵向直流伺服电动机经过安全联轴器直接驱动滚珠丝杠螺母副驱动机床上的纵向滑板实现纵向运动。（2）横向进给运动传动横向进给运动传动是由横向直流伺服电动机通过齿数均为24的齿形带轮，经安全联轴器驱动滚珠丝杠螺母副，使横向滑板实现横向进给运动。7.刀盘传动刀盘运动是指实现刀架上刀盘的转动和刀盘的开定位、定位与夹紧的运动，以实现刀具的自动转换。8.尾座套筒的驱动尾座套筒的驱动由液压来实现。

9.数控车床传动系统的主要