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1、技术讲座技术讲座 数控机床系统概述 报告人报告人:张志义张志义北华大学工程训练中心北华大学工程训练中心 2008年年11月月1技术讲座技术讲座 数控机床系统概述主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：概述概述概述概述:数控机床发展、组成、工作原理数控机床发展、组成、工作原理数控机床发展、组成、工作原理数控机床发展、组成、工作原理机械结构：导轨、主轴、进给机构、辅助装置机械结构：导轨、主轴、进给机构、辅助装置机械结构：导轨、主轴、进给机构、辅助装置机械结构：导轨、主轴、进给机构、辅助装置CNCCNC数控系统：硬件连接、电机、检测、其它控制数控系统：硬件连接、电机、检测、其它控制数控系统：硬件连接
2、、电机、检测、其它控制数控系统：硬件连接、电机、检测、其它控制机床实例及故障分析机床实例及故障分析机床实例及故障分析机床实例及故障分析2技术讲座技术讲座(1)(1)数控机床概述数控机床概述一、数控机床产生与发展一、数控机床产生与发展一、数控机床产生与发展一、数控机床产生与发展1数控机床的产生数控机床的产生 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 197
3、0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。3技术讲座技术讲座 数控机床概述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现在大致分为专用数控系统和通用数控系统2 2数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势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）4技术讲座技术讲座 数控机床概述数控机床概述二、数控机床的概念及组成二、数控机床的概念及组成 1数控机床的基本概念数控机床的基本概念（1）数控（Numerical Control，简称NC）是采用数字
4、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（Numerically Controlled Machine tool）是指装备了计算机数控系统的机床，简称CNC机床。COMPUTER5技术讲座技术讲座 数控机床概述数控机床概述2、数控机床的组成及工作原理、数控机床的组成及工作原理6技术讲座技术讲座 数控机床概述数控机床概述三、数控机床的分类三、数控机床的分类 1按工艺用途分类按工艺用途分类 （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
5、床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等7技术讲座技术讲座 数控机床概述数控机床概述 （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,加工各种曲线/曲面.数控车、铣、线切割、加工中心8技术讲座技术讲座 数控机床概述数控机床概述 3.按伺服控制方式分（1）开环控制（2）闭环控制9技术讲座技术讲座 数控机床概述数控机床概述（3）半闭环控制10技术讲座技术讲座(2)(2)数控机床机械结构介绍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
6、；铣床有倒Y/直柱等。导轨线轨硬轨塑料轨11技术讲座技术讲座 数控机床机械结构介绍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铣床用电主轴12变频器在数车床主轴调速上的应用变频器在数车床主轴调速上的应用CAK6136CAK6136CAK6150DJCAK6150DJ主轴调速13变频器在数铣床主轴调速上的应用变频器在数铣床主轴调速上的应用XK714AXK714A数控雕铣机数控雕铣机数控雕铣机数控雕铣机主轴调速14技术讲座技术讲座 数控机床机械结构介绍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15
7、技术讲座技术讲座 数控机床机械结构介绍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16技术讲座技术讲座 数控机床机械结构介绍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.自动换刀垂垂直直转转塔塔式式立立式式加加工工中中心心17技术讲座技术讲座(3)(3)数控系统介绍数控系统介绍一、CNC系统及连接1.数控系统构成NC 核心HMIPLC18技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍2.典型数控系统-FANUCFANUC系统19技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍2.典型数控系统802DSL20技术讲座技术讲座
8、 数控系统介绍数控系统介绍2.典型数控系统802DSL21数控系统机床接收驱动负载电源公共端DI/DOGFXY*ESP,*DECx等保持型继电器Counter (C)Timer(T)Keep relay(K)Data table(D)Variable table(D)中间继电器(R)技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍3.数控系统原理22 4.数控系统连接-802DSL23 西门子数控系统信号接口结构24 4.数控系统连接-FANUC25技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍二、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
9、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-转矩特性刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机主轴电机主轴电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机伺服电机伺服电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机26技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍27技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍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.28技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍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
10、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29技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍三、检测常用位置检测装置30技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍1.光栅31技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍光栅工作原理ab莫尔条纹的宽度计算：莫尔条纹的宽度计算：设设a=b=W/2a=b=W/2，则则(W/2)/B=sin(/2)(W/2)/B=sin(/2)，当当很小时，很小时，sin(/2)=/2sin(/2)=/2，故有：故有：B=W/B=W/，称作莫尔条纹的宽度，又称称作莫尔条纹的宽度，又称为为节距节距。32技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍光栅细分电路12
11、34硅光电池硅光电池正向脉冲正向脉冲反向脉冲反向脉冲H1H2差动放大差动放大差动放大差动放大整形整形整形整形微分微分微分微分微分微分微分微分（sin）（cos）Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8一个光电池进行位移测量时，最小分辨力为一个光电池进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了，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，经过是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节信号调节环节对信号进行细对信号进行细分，其电路框图如图所示。分，其电路框图如图所示。33技术讲座技术讲座 数控系统介绍数控系统介绍
12、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abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光栅板节距m+/4信号处理装置（1）增量脉冲编码器342322212035技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍一、CNC系统供电1.驱动器电源模块: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36技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍3.伺服系统供电37技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍二、急停及
13、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38技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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.39技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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
14、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.40技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍格林码进给倍率/主轴倍率对照表41技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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3200100032001009/380X0004
15、5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42技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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.43技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍主轴换挡设定44技术讲座
16、技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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.45技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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,M0946技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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47技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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48技
17、术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍简易刀架控制霍耳/单向旋转49技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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50技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍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技术讲座技术讲座(4)(4)数控机床典型电路介绍数控机床典型电路介绍九、加工中心刀库控制52技术讲座技术讲座(5)(5)数控机床故障分析数控机床故障分析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,说明是传动系统机械
18、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53技术讲座技术讲座(5)(5)数控机床故障分析数控机床故障分析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.54技术讲座技术讲座(5)(5)数控机床故障分析数控机床故障分析1.不重复性故障 故障现象:没有规律,偶尔发生.传输数据突然中断分析干扰来自强的电磁干扰.一定记录好各种信息,另为数控机床提供良好接地.2.不可恢复性故障 故障现象:电气部件损坏.主要是判断故障点位置分析导电粉尘沉积/水油雾/超出模块是技术指标长期运行;机床上电/断电操作;没有良好的接地/电机没有防护二、电气故障55技术讲座技术讲座(5)(5)数控机床故障分析数控机床故障分析1.根据报警信息判断情况 2.硬/软故障判断三、故障处理3.机械/电气故障判断4.其它故障判断56谢 谢!57