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1、机床的电气改造方法1.1 数控系统的选择机床数控系统(CNC系统)是数控机床的控制核心，随着机床数控技术的不断发展与进步，提高了数控机床的整体性能，尤其是它的加工精度和生产效率提高得更为显著，现在，数控机床已在机械工业生产中得到广泛应用。目前市场上流行的数控系统，如FANUC、西门子、GSK980TD等都配置有车床数控系统，能够胜任车、削加工的大部分工作，并具有价格低廉、可靠性强、功能强大等特点。在对多家数控系统进行比较后!我们选择了GSK980TD型数控系统。数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故降连续运行。为保证机床长期可靠地运行，数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。
2、常年的工作考脸证明GSK980TD系统是最可靠的数控系统之一，它能在一般车间环境下运行。其工作场地的室温为0-45，相对湿度75%短时可达95%,抗震为0.5g ，电网电压波动为10%-15%,经对使用中系统的实际统计，GSK980TD系统的故障率为0.008，比较好地满足了我国市场的要求。GSK980TD系统之所以有非常高的可靠性，主要源自以下因素：(1)可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺。(2)大规模及超大规模的专用集成电路芯片：GSK980TD系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。(1)全自动化工厂生产制造：多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统的
3、组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界(人)的不稳定因素的干预。所以产品的一致性好，增加了可靠性。 (4)良好的控制软件设计：GSK980TD系统经过在国内各地数年的运行，积累了丰富的数据，因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况，加入了许多保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检侧、过压、过流、反馈断线等报警，使得机床运行中出现故障时，系统能及时处理，从而进免了元部件的损坏。(5)数字式进给伺服和数字式主轴驱动：数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆，使信号免受外界干扰。1.1.
4、1 硬件结构采用CISC（超大规模集成电路）技术的GSP主板，主板上连接可插接(分离的)小模板。对于数控系统，由于其是弱电电路，如果采用十24VDC为电源输入，可以大大降低其热源和不稳定因素。用户可以把+24V稳压电源放在电气柜内，从而大大提高了整个数控系统的可命性能。GSK980TD系统的可靠性好，性能/价格比高，在全国各地己销售10余万台。随着大规棋集成电路芯片的发展，GSK980TD系统的破件结构已经改进过多次。目前销售的TA和TD，其硬件结构基本一样，只是控制轴数不同，所配置的进给轴驱动电机不同。GSK980TD系统的CNC单元为大板结构。基本配置有主板、存储器板、I/O板、伺服轴控制
5、板和电源。各板插在主板上，与CPU的总线相连。(1)主板主CPU在该板上。主CPU用于系统主控，原来用80186，从1998年起改用80486/DX2。此外，显示的CRT控制也在该板上。(2)存储器板该板上有：系统的控制软件ROM(共5片)。GSK980TD系统可控制车床。不同类型的机床控制软件不同；伺服控制软件ROM I片；PMC-L的ROM芯片2片，用于存储机床的强电控制逻辑程序；RAM芯片，用于寄存CPU的中间运算数据，根据需安装；COMSRAM，用于存储系统和机床参数、零件加工程序，根据用户要求配置，最大可为128K字节。CMOSRAM与4.5V 电池相连，关机时保存信息。(1)I/O
6、板该板是CNC单元与机床强电柜的接口，接收或输出24V直流信号，由PMC实施输入/输出控制，I/O点数可根据机床的复杂程度选择，标准配置为104个输入点，72个输出点。(4)进给伺服控制板GSK980TD系统全部用数字式交流伺服控制。其控制板装在CNC单元内，插在主板上，即CNC单元与进给伺服为一体化设计。伺服板上有2个CPU(TMS120)，用于伺服的数字控制。每个CPU控制2个轴，一块板可控制4个轴。该板接受主CPU分配的伺服控制指令，输出6个相位各差60的脉宽调制信号(每轴)，加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。TD系统为4轴(最大配里)控制，2轴联动，只用一块伺服板。(5)电源主要有5V
7、直流电，用于各板的供电。24V直流电，用于单元内各继电器控制。除上述这些板外，还有图形控制板、PMC-M板、远程缓冲器(REMOTE BUFFER)板，这些板用户可根据自身要求选订。(6)PLC功能的内部集成PLC功能的内部集成化，提高了PLC和CNC的内部通讯能力，增强了机床的逻辑控制，PLC的12输入和24输出模块，阳M的12输入和24输出模块，可以和外围的电路相连接，而这种模块，通过阳M提供的电缆和刚M数控系统连接。这就提高了整个机床的可靠性。同时又提高了数控系统的保护(如果有间题，只能损坏这种模块，不会对数控系统造成破坏)。光纤技术的通讯，可以扩展PLC输入输出点，通过光纤进行连接，简
8、化和线路的连接。(7)轴转接模块GSK980TD提供了轴转接模块，机床的编码器和到伺服的线路可以直接联到此模块，通过它再和数控系统的轴板进行连接。提高了数控系统的可靠性，如果机床的轴有问题，可以直接把轴模块上的插头相对换，就能很快的查出问皿所在(系统内部或外部)。1.1.2 软件功能(1)CNC功能系统软件的开放性和友好界面，帮助性的编程方式。定义的固定循环并使用户很方便地根据其加工特性进行编写自己的固定循环，用户集成的G代码功能。M功能和PLC功能的调用子程序，E参数(用户可以通过E参数来读取或改变CNC的数值)。强大的通讯功能(RS212IRS4221RS485) ，边加工边传输功能。提高
9、了计算机的CAD/CAM程序的加工能力。完善的丝杠螺距补偿。FANUC的螺距补偿为线性补偿，补偿中仅把相应的拐点坐标值输入即可。并且没有固定的距离和补偿值的限制。(2)PLC功能梯形图的PLC程序，多任务的PLC程序的编程结构，提高了PLC程序的编写和可读性。梯形图PLC程序在屏幕上的动态显示，方便了最终用户的维修。丰富的PLC和CNC交换信息量, PLC图形界面的管理。(1)强大的编程软件 GSKCC软件。Windows环境下并运行在PC计算机上，PLC程序的编写工具，方便的机床程序管理。简便的通讯能力(PCIONC间为主从关系，所有操作均在PC侧完成)，动态的PLC程序显示(PC侧)。 G
10、SKCC软件Windows环境并运行在PC计算机。调整NC的机床参数和伺服系统，图形的动态响应，强大的优化功能，方便地调整系统参数。1.1.1 显示GSK980TD系统的显示器120 240点阵，用单色液晶显示器(LCD),标准为5.7,也可配彩色显示器。GSK980TD系统有图形显示功能：对编制的加工程序进行加工前的图形模拟，模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形状:在加工过程中显示刀尖的轨迹，使操作员能够监视切削过程。图形可局部放大，以便观察细部。显示图形必须用图形控制板，该板为专用微机，CPU用80186。1.1.4 PMC控制PMC就是可编程序机床控制器，是专门用于控制机床的PLC。GSK
11、980TD系统的PMC只有47条指令基本指令有12条，功能指令有15条)。基本指令为2进制位的逻辑运算，功能指令主要有数据定义、数据变换、译码和代数运算。GSK980TD系统用梯形图编制PMC顺序逻辑程序。由于有功能指令，使得PMC程序编制非常容易，简捷。梯形图可用下述两种方法编制：用专用的编辑卡利用LCD液晶显示画面在系统上现场编制。在计算机上装入专用软件用计算机编制，然后经RS-212C口将梯形图程序传送到数控系统。调试好的程序要用写入器写入EPROM。GSK980TD系统PMC控制有FMC-L和PMC-M2种。PMC-L的处理机与主机共用，其处理时间为6 /步，最大步数为5000步。PM
12、C-M为专用处理机，徽处理器为80186，专用一块板，插在主板上，处理时间为2us步，最大步数为8000步。2种PMC的扫描周期均为I6ms。1.1.5 进给伺服驱动GSK980TD系统进给轴的驱动使用交流同步电动机，目前为a系列。根据其负载特性和快速性分为:a(标准型)、am(高加速特性)、ac(经济型)和aL(低惯量型)。最大力矩为400Nm。 0-C配a型;0-D配置ac型。am加速特性好，从0至最高转速的启动过程为24ms，故用于高速加工。电机轴上装有脉冲编码器，每转发出65516个脉冲(经电路倍频)，用做位置反馈和速度反馈。这种位置反馈，是间接测量工作台的直线位移，所以称为半闭环伺服
13、系统。但是，只要设定相应的参数GSK980TD系统可以使用直线光栅尺，使系统接成全闭环。除此之外，还可接成双位置反馈，即同时具有上述2个闭环。这样，既可以提高系统的稳定性，还可以提高系统的快逮性和加工精度。进给伺服单元的控制用前述的轴控制板，该板输出控制指令信号到功率放大器。功率放大器为模块化结构，分为整流模块和逆变模块，使用IPM元件。LSI是专用位置控制大规模集成电路芯片。ROM中存储的控制程序主要有同步电机的快速响应矢量控制、IP调节器、速度和位里的反馈控制、前馈和提前前馈控制和状态观测器。此外，还有许多非线性补偿与控制，如单脉冲抑制、超调抑制、反向间隙加速补偿、机床的速度反馈等。还有运
14、行过程的监测及保护。由于有这些控制，使GSK980TD系统运行可靠、快速、平稳、精度高。1.1.6 主轴驱动GSK980TD系统可以同时控制2个主轴电动机，可以是2个数字式控制的电机，也可以一个为数字式，另一个为模拟式控制电机。模拟控制指令是0-10V的直流电压。该系统的主轴电机为异步电机，目前为a系列。有以下品种;a:标准型，恒功率调速范围4:1; aP：恒功率宽调速范围型(8:1); aC经济型;aT：与主轴直连型。主轴电机的最大功率为17kW，最高转速可达15000r/min，用数字式矢量控制。主轴驱动有速度控制和位置控制2种工作方式，普通加工为速度控制。主轴电机轴上装有圆型的磁性传感器
15、，用做速度反馈。位置控制用于主轴同步、主轴定向、刚性攻丝、Cs轴轮廓控制。因此需要控制主轴的转角或转位，轮廓控制时要与其它轴插补。此时需在机床的主轴上装位置编码器，位置编码器有光电式和磁性传感器。普通为每转发出1024个脉冲，高精度的发出160000个脉冲/转。主轴控制用单独的CPU控制，处理器为TMS-120。从CNC单元输出的控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元，数据为串行传送，因此可靠性比较高。1.1.7 RS-212C口及数据通讯GSK980TD系统有2个串口(RS-212C)，分4个通道，用于系统与外部设备的数据交换。交换的数据包括:系统及机床的设定参数、PMC参数、零件加工程序、刀
16、具补偿值、设定的工件坐标系、丝杠的螺补值等。与计算机相连时，计算机内必须装有数据传送软件。最快的传送速率为9600bps。除上述的信息交换外，利用串行通讯还可实现下列方式的在线加工与机床的DNC管理:(1)纸带方式的加工:加工复杂零件时，加工程序非常长，CNC的内存容量不够用，可将程序存于外设，如计算机的软盘。用电缆将PC机与CNC经串口连接后，启动自动加工，CNC预读15个程序段，开始加工。此后加工一段读入一段，直至结束。(2)远程缓冲(REMOTEBUFFER):上述方式虽然解决了长程序的存储问题，但由于数据的边读入、边处理、边加工，所以加工速度慢。对于小程序段、快速加工，走刀有停顿现象，
17、为此，开发了REMOTEBUFFER功能。该功能可实现数据块的传送，有2种工作方式:计算机存储的加工程序是通常的加工代码指令方式。缓冲器接受后变为2进制，然后送到CNC执行。计算机存储的加工程序是按2进制编制的。缓冲器收到后不经转换即送往CNC执行。这2种方式都比纸带方式的加工速度快，数据传送速率最快为77900bps.最诀加工速度为15m/s，电缆最长可达100m(无调制解调器时)。(1)DNC2:它可使8台CNC机床与主计算机远程相连，实现多台机床的加工监控与管理。连接方式为点点式，数据传输协议为LVS2，传送速率最高为19200bps。CNC与主计算机交换的信息除了系统和机床的参数、加工
18、程序、加工的设定值外，还可传送机床的工作状态，如自动加工启动、停止、加工中暂停、报警等。DNC2共设计了60多条指令。主计算机必须根据这些指令格式编制相应的处理程序，编程语言用C。为方便用户，可提供宏指令库。1.1.8 调机、维护与故障诊断(1)伺服参数设定与调整:为了方便调机，系统的CRT有进给伺服参数设定画面和调整画面。在参数的设定画面上，只需设定初始化位、电机代码等参数即可设定好所用电机的标准参数，使电机稳定运行。其中的柔性变速比可设定电机与滚珠丝杠及位置反馈传感器(脉冲编码器)之间的齿轮传动比。该变比可以不为整数。在伺服调整画面上可以定量地读出机床工作台移动时各轴的伺服增益、伺服误差及
19、其变动情况。据此，可判断系统运行是否稳定、有无爬行以及跟随精度等，根据情况进行适当的调整。有故降时该画面还显示伺服的报警。(2)主轴参数设定:输入主轴电机的代码及初始化位即可设定好主轴电机的标准参数，电机即可稳定运行。主轴运行有监视画面，在该画面上可读出主轴电机的转速、负载百分比及主轴的转速，从而可以省去通常的转速表和负载表。(1)加工程序错误显示:程序出错时，CRT上显示报警号。根据报警号可由说明书中查出错误原因，报警表是多年经验的积累，几乎所有的编程错误都可从该表中查出。(4)运行故障显示:CNC控制软件的运行、硬件的各主要元件、伺服控制、主轴控制等出现故障时，CRT上均显示相应的报警号。
20、GSK980TD系统对这些故障有较好的保护。例如，伺服反馈断线形成大开环时，既不会撞车，也不会损坏元件。(5)I/O信号诊断。CRT可显示梯形图，在该图上可以检查机床强电信号的工作。CRT还有诊断画面，通过该画面，根据信号的地址检查0/1状态变化，可判断其是否正常工作。1.1.9 系统的功能GSK980TD系统为全功能型，下列一些功能增加了系统的应用范围和操作的方便:Cs轴轮廓控制:可以省掉Cf轴，用主轴的转动作为回转坐标与其它直线轴插补，加工轮廓曲线。刚性攻丝:Z轴进给与主轴转动同步，不用弹簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。PMC轴控制:用梯形图程序控制伺服进给轴，用于回转轴分度或定
21、量位置进给。0-C系统PMC可控制2个进给轴。主轴双刀架。0.1um分辨率:系统分辨率标准设定为1urn。可用参数设定为其1/10.加工程序的后台编辑:自动切削过程中可以编辑新的程序。菜单编程。图形会话在线自动编程:有多种形式，最新的是符号指令形式，易学，易操作。有工艺参数语句。用户宏程序:一种参量编程软件包，用来编制加工程序(适合于成组工艺)或者用其接口变量编制PMC程序，控制CNC的运行状态。CNC是本系统的核心部分，用以完成人机对话与通讯，解释机械加工语言，分配加工任务，以及协调各功能模块的工作等。进给控制部分选用NUMDRIVE交流伺服系统，根据计算以及参考同类型机床，纵向(Z轴)选1
22、6N.m交流何服电机，横向(X轴)选用22N.m电机，实现位置、速度双闭环控制，以实现机床精确的进给运动。辅助控制部分包括机床的冷却系统、润滑系统与主轴运动等方面的控制。同时在主轴箱内安装编码器，以构成加工螺纹所需的主输系统(c轴)。选用IOO Opmr的编码器，由于主轴大齿轮为128齿(m=5)，故编码器前端齿轮选用20齿，其速比为6.4:1,则主轴每转一转，编码器将返回6400个脉冲，经四分频后，每转计数脉冲为25600，分辨率为50.625秒/脉冲，完全满足数控系统对C轴的反馈精度要求。1.2 数控系统电气控制线的连接原机床已有一个电控柜，里面放置了开关、继电器、接触器等。根据改造后的电
23、气原理图，设计制作电控柜，淘汰了原有的电控柜。GSK980TD数控系统外围接口棋块如下:(1)RS-212通讯接口。(2)X轴,Z轴及主轴控制接口:用来控制X轴、Z轴伺服电机的运动及主轴的转速。(1)编码器反馈信号接口:用于与主轴电机的编码器的连接，编码器的作用是将转速信号转换为脉冲信号，从而实现了对主轴转速的检测，这在螺纹加工的时候是不可缺少的。(4)手摇脉冲发生器接口:实现手动、联动切削。(5)开关量输入输出接口:输入信号主要用于X、Z方向是否超程的检测，刀架的位置检测，坐标原点位置检测等。输出信号主要用于主轴的转速控制，主轴的正、反转或停止控制，主轴的冷却液的开、闭控制，刀架正、反控制等
24、，另外，输入模块除接受一般的24VDC开关量外，还可以接三线式的接近传感器信号。这样对该机床的一些三线式接近开关，提供了方便可靠的连接。(6)机床操作面板接口，FANUC机床操作面板有多达19个自定义键。面板与系统采用光纤连接，结合该机床控制操作的自身特点要求，在机床立板上定义了一些操作键，完全满足了机床控制的要求。(7)模拟输入输出及外部中断接口.此接口为机床提供了一个灵活的模拟输出口，便于与其它模块相连。(8)密集型面板接口。可通过密集型面板进行参数设定。输入零件加工程序，实时跟踪加工情况。1.1 数控系统内部总线上数据信息的传输数控系统与功能模块间的数据交换可方便地利用总线进行，系统中总
25、线上的数据信息传递是通过公共数据区进行的，如数控系统将数据写入进给控制模块的公共数据区，供模块内CPU随时读取，同样进给控制模块CPU发出数据信息也要写入公共数据区，供数控系统随时读取。为了保证系统的高效运行，要求所传输的每个数据信息都应选用最有效率的信息，即是必须传输的，意义准确完整的，和尽量选用使用频率高的信息，这有助于提高系统的可靠性，运行效率和减少信息传输费用。以下为机床数控系统内部总线上传输的各种信息。1.1.1数控系统与进给控制模块间信息传输数控系统发出:设定值。控制参数 :PID调节参数，行程极限，速度极限。控制字 : 进给控制运行(运行、停止等)。进给控制给定:位置进给量、速度进给量进给控制模块发出:运行状态: 正常运行，加工受阻，停止加工。运行参数: 实测位置，实测转速。1.1.2数控系统与输入输出模块间信息传输数控系统发出:主轴转速设定值。逻辑控制 :控制刀架，冷却泵，冷却阀等。输入输出模块发出:实测主轴转速值。运动逻辑状态:刀具到位识别，气动卡盘夹紧，主轴超速，机床原点，越位限制等。对上列数据信息，根据其表示方式与内容要求，在控制系统中为它们各自分配存储空间，设计传输通道。