数控机床机电系统概述

1、1,技术讲座 数控机床系统概述,报告人:张志义北华大学工程训练中心 2008年11月,2,技术讲座 数控机床系统概述,主要内容：,概述: 数控机床发展、组成、工作原理,机械结构：导轨、主轴、进给机构、辅助装置,CNC数控系统：硬件连接、电机、检测、其它控制,机床实例及故障分析,3,技术讲座(1) 数控机床概述,一、数控机床产生与发展,1数控机床的产生 1952年，美国帕森斯公司和麻省理工学院研制成功了 世界上第一台数控机床。半个世纪以来，数控技术得到了 迅猛的发展，加工精度和生产效率不断提高。数控机床的 发展至今已经历了两个阶段和六代。 1952年的第一代电子管数控机

2、床 1959年的第二代晶体管数控机床 1965年的第三代集成电路数控机床 1970年的第四代小型计算机数控机床 1974年的第五代微型计算机数控系统 1990年的第六代基于PC的数控机床。,4,技术讲座 数控机床概述,现在大致分为专用数控系统和通用数控系统,2数控机床的发展趋势,（1）高速度、高精度化 （2）多功能化、智能化、小型化 （3）高可靠性 （4）网络化（柔性制造系统）,5,技术讲座 数控机床概述,二、数控机床的概念及组成,1数控机床的基本概念 （1）数控（Numerical Control，简称NC）是采用数字化信息对机床的运动及其加工过程进行控制的方法。 （2）数控机床（Numer

3、ically Controlled Machine tool） 是指装备了计算机数控系统的机床，简称CNC机床。,COMPUTER,6,技术讲座 数控机床概述,2、数控机床的组成及工作原理,7,技术讲座 数控机床概述,三、数控机床的分类,1按工艺用途分类 （1）金属切削类数控机床 （2）金属成型类数控机床 （3）数控特种加工机床 （4）其它类型的数控机床,2按机床运动的控制轨迹分类,（1）点位控制类数控机床 主要有数控钻床、数控冲床、 数控镗床、数控点焊机等,8,技术讲座 数控机床概述,（2）直线控制类数控机床 主要有数控车床、数控铣床、 数控磨床,（3）轮廓控制数控机床 2个以上的运动轴联动

4、,加工各种曲线/曲面.数控车、 铣、线切割、加工中心,9,技术讲座 数控机床概述,3. 按伺服控制方式分,（1）开环控制,（2）闭环控制,10,技术讲座 数控机床概述,（3）半闭环控制,11,技术讲座(2) 数控机床机械结构介绍,数控机床对机械要求,无级调速，调速范围宽,具有较高的精度、刚度、耐磨 性，传动平稳、噪声低,具有良好的抗震性,一、床身（导轨）,床身：车床有直/斜床身；铣床有倒Y/ 直柱等。,导轨,线轨,硬轨,塑料轨,12,技术讲座 数控机床机械结构介绍,二、主轴,直连/带减速器/电主轴 注意:主轴润滑/冷却,BT30/BT40/BT50,主轴准停装置,铣床用电主轴,13,变频器在数

5、车床主轴调速上的应用,CAK6136,CAK6150DJ,主轴调速,14,变频器在数铣床主轴调速上的应用,XK714A,数控雕铣机,主轴调速,15,技术讲座 数控机床机械结构介绍,三、进给机构,采用滚珠丝杠直接与伺服电机直连,注意,16,技术讲座 数控机床机械结构介绍,四、辅助装置,1.工作台,各种类型的工作台,数控分度头,数控回转工作台,17,技术讲座 数控机床机械结构介绍,四、辅助装置,2.液压和气动系统,3.润滑系统,4.冷却系统,5.排屑系统,6.自动换刀,垂直转塔式立式加工中心,18,技术讲座(3) 数控系统介绍,一、CNC系统及连接,1.数控系统构成,NC 核心,HMI,PLC,1

6、9,技术讲座 数控系统介绍,2.典型数控系统-FANUC,FANUC系统,20,技术讲座 数控系统介绍,2.典型数控系统802DSL,21,技术讲座 数控系统介绍,2.典型数控系统802DSL,22,技术讲座 数控系统介绍,3.数控系统原理,23,4.数控系统 连接-802DSL,24,西门子数控系统信号接口结构,25,4.数控系统 连接-FANUC,26,技术讲座 数控系统介绍,二、伺服电机,1.分类,直流,高速直流伺服-永磁式,低速大转矩宽调速,交流,异步型:不能经济的实现宽范围调速,同步型: 多用永磁式,优点:结构简单,可靠,效率高,缺点:体积大,启动特性不佳,2.速度-转矩特性,27,

7、技术讲座 数控系统介绍,28,技术讲座 数控系统介绍,3.过载能力,过载能力强300%, 但过载时间有限制. 驱动器对过载输出 电流及过载时间都 有严格限制.,注意: 在实际使用中出现电流过载报警, 必须查明原因.不可放大过载极限和 过载时间-损坏电机和驱动器.,29,技术讲座 数控系统介绍,4.主轴电机,机械主轴:,变频电机,伺服电机,电主轴:结构与特性如下图,恒转矩区,恒功率区,主轴转速与转矩可用变速器改变,主轴电机过载能力,30,技术讲座 数控系统介绍,三、检测,常用位置检测装置,31,技术讲座 数控系统介绍,1.光栅,32,技术讲座 数控系统介绍,光栅工作原理,a,b,莫尔条纹的宽度计

8、算： 设a=b=W/2， 则 (W/2)/B=sin(/2)， 当很小时，sin(/2)=/2， 故有：B=W/， 称作莫尔条纹的宽度，又称为节距。,33,技术讲座 数控系统介绍,光栅细分电路,一个光电池进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。,34,技术讲座 数控系统介绍,有接触式、光电式、电磁式，又分为绝对和增量式，主要参数：脉冲数/转,2.脉冲编码器,（1）增量脉冲编码器,35,36,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,一、CNC系统供电,1.驱动器电源模

9、块:上电/断电,2.数控系统独立供电:上电/断电,端子64驱动器进入工作状态/端子63激活驱动器脉冲控制/端子48控制 接触器通-直流母线充电,37,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,3.伺服系统供电,38,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,二、急停及限位,1.急停控制: 在紧急时,制动运动部件短时停车,急停不应直接切断主电源,要根据伺服断电要求控制,39,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,2.限位控制: 硬限位/软限位/加工区域限制,硬限位:外部安全保证撞块长度减速距离PLC或外部电路控制,软限位:内部安全功能基准是机床的原点,机床回参考点后生效,加工区域限制:另一种软限位可根据

10、需要随时设定.另可根据特殊要求通过 PLC激活第二软限位-用于换刀区域保护.,40,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,三、进给倍率/主轴倍率,编码式波段开关:进给0120%,主轴50120%, 编码形式为二进制或 格林码. 如是2进制可在PLC中转化为格林码. 格林码特点是五位没 有全”0”的编码.,41,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,格林码进给倍率 /主轴倍率对照表,42,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,四、电子手轮,是操作部件, 可手动移动坐标轴. 100个刻度/转, 增量1-0.001mm, 增量10-0.01mm, 增量100-0.1mm, 1000-1mm. 一般机

11、床可设 3个手轮.,硬件接口为RS422协议, 有2个信号(A和B), 6根导线(A, A, B, B, +5V, 0V),由PLC定义手轮变量, PLC-NCK 读写 西门子3200100032001009/380X00045,由PLC定义手轮变量包括:手轮选择/移动/ 增量选择/进给保持/连续点动等,43,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,五、主轴控制方式/换挡,伺服主轴 控制方式,速度控制方式:由M03/M04/M05/SXXXX自动变速,手动,位置控制方式:主轴分度/刚性攻丝/自动换刀定位 SPOS/M19激活.,摆动控制方式:M41M45对应1挡5挡.,数控系统默认是自动换挡,根

12、据程序及机床定义自动完成换挡 M41M45是强制换挡.,对不同的数控系统换挡时序不同,但对同一系统的几个挡位换挡时序相同.,44,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,主轴换挡设定,45,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,主轴换挡过程,换挡过程互锁主要 是主轴零速.,换挡过程边界条件: 1.由时间控制每次动作. 2.多次换挡没有完成,由 计数器停止换挡动作.,46,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,六、冷却系统,冷却系统,组成,液冷/气冷,手动/自动控制方式:M07,M08,M09,47,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,七、导轨润滑,润滑系统,组成,手动/自动控制方式,48,技术

13、讲座(4) 数控机床典型电路介绍,八、车床刀架控制,系统,组成:机械/电气电机,霍耳元件/码盘,手动/自动控制方式,49,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,简易刀架控制霍耳/单向旋转,50,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,简易刀架控制位置码盘/可双向旋转,51,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,简易刀架控制位置码盘/可双向旋转,52,技术讲座(4) 数控机床典型电路介绍,九、加工中心刀库控制,53,技术讲座(5) 数控机床故障分析,1. 机床坐标轴运动部件配合故障 故障现象:不加工伺服电机温度高. 60,分析,断开传动还热, 说明是伺服电机内部机械故障,断开传动不热, 说明是传动

14、系统机械故障,2. 伺服电机与丝杠的连轴器松动 故障现象:加工的尺寸有明显的变化.,分析,半闭环: 没有任何报警,一定是机械传动故障-连轴器,全闭环:出现轮廓误差报警,一定是机械传动故障-连轴器,一、机械故障,54,技术讲座(5) 数控机床故障分析,3. 主轴电机轴承损坏 故障现象:电机发热,轴断温度明显高, 高速过载报警, 机械摩擦声,分析,为了完成主轴刚性攻丝,给齿带施加了过大的张紧力, 使施加 在轴端的悬臂力增大, 使电机轴承的使用寿命缩短.,4. 液压/气动故障.,5. 参考点故障.,55,技术讲座(5) 数控机床故障分析,1. 不重复性故障 故障现象:没有规律,偶尔发生. 传输数据突然中断,