华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试.docx

华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试.docx

《华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试

华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试

【摘要】

电子技术的发展以及国内数控装置的发展使得数控装置的价格走低,特别是经济型数控车系统的价格已经是到达了它的最低点。

经济型数控车床在中国的机械加工行业中得到了迅速普及,使得我国机械加工水平无论在加工质量方面还是在加工效率方面也得到了迅速提高。

但是随着机床使用时间的延长,数控机床会出现这样或那样的故障,本文就以经济型数控机床的常见故障为例,谈了一些解决的办法。

【关键词】数控车床伺服系统

目录

1数控系统的组成及常用部件7

1.1数控系统综合实训台的组成结构及其组成7

1.2实训台的主要组成部件8

1.3实训台的主要功能8

2.数控系统的连接与调试8

2.1组成电气控制电路的基本电路8

2.2.电器施工配线技术8

2.3控制系统的连接9

2.4数控系统的调试9

2.5数控系统连接故障设置．10

3数控装置的接口12

3.1数控装置各接口及管脚定义12

3.2输入输出装置及其相关参数13

4.数控系统的进给驱动系统13

4.1步进发动机驱动的进给系统13

4.1.1步进发动机的工作原理13

4.1.2步进电机控制系统的主要故障及诊断13

4.1.3步进电动机故障设置：

14

4.2交流伺服电动机的进给驱动15

4.2.1交流伺服系统的组成15

4.2.2交流伺服系统的主要报警内容15

4.2.3交流伺服驱动系统的主要故障：

16

4.2.4交流驱动器的故障的设置：

18

5主轴单元的调试及使用19

5.1数控机床主轴控制系统简介19

5.1.1主轴驱动变速19

5.1.2对主传动系统的要求19

5.1.3主轴调速的意义19

5.1.4主轴调速的主要指标19

5.1.5变频器的基本原理及连接20

5.2变频器面板按键的定义及功能参数20

5.2.1变频器的按键定义20

5.2.2变频器主要报警装置及其故障诊断20

5.3主轴单元常见故障21

5.4变频器的调节方式：

23

5.5变频器与三相异步电动机常见故障的设置23

6换刀机构故障的检测与排除24

6.1刀架的基本组成及工作原理24

6.2刀架及换刀常见的故障24

结束语26

谢辞27

参考文献28

1数控系统的组成及常用部件

1.1数控系统综合实训台的组成结构及其组成

数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床，它是数控技术的典型应用。

它将普通机床加工中需要人工完成的部分工作，包括机床加工过程中切削速度、进给速度、进刀量等工艺参数的控制和加工中需要机床实现的辅助动作：

如主轴起停、换刀、冷却液泵开闭、工件夹紧松开等，都由以计算机为核心的控制系统来完成。

计算机控制系统是以计算机为核心的数控系统，它是实现数字控制的装置。

1.计算机控制装置（CNC装置）

控制面板

数控装置的接口

数控装置的辅助部件

2.伺服单元

步进驱动单元

交流伺服驱动单元

变频主轴单元

3.驱动装置

4.可编程逻辑控制器（PLC）

5.机床主体

6.工作台

7.电动刀架

1.2实训台的主要组成部件

1.HNC-21TF型数控装置

2.日立变频器及三相异步电动机

3.三洋交流伺服驱动器及交流伺服驱动电动机

4.雷塞步进电动机驱动及步进电动机

5.工作台

6.四工位刀架

7.光栅尺

8.磁粉制动器

9.数控机床常见的电器元件，如低压断路器、接触器、开关电源、变压器、输入/输出转换板等。

1.3实训台的主要功能

1.掌握数控系统的编程方法

2.进行数控系统的电气设计、安装、调试、维修等实际操作。

3.掌握数控系统的控制原理、电气原理、电气设计方法、元器件的选用、PLC的调试等。

4.掌握数控系统的电器布局、安装及电气调试等方法、

5.熟悉数控机床常用的部件，及这些部件的原理、调试方法和常见的故障的维修。

2.数控系统的连接与调试

2.1组成电气控制电路的基本电路

1.自锁控制

2.互锁控制

3.顺序联动控制电路

2.2.电器施工配线技术

1.连线与布局的要求

1.所有连线，尤其是保护接地电路的连接应牢固，没有意外松动的危险

2.连接方法应与被连接导线的截面积及导线的性质相适应。

3.只有专门的设计端子。

才允许一个端子连接两根导线或多根导线。

4.只有提供的端子适合焊接工艺才允许焊接连接。

5.在接线座的端子上应该清楚地做出与电路图一致的标记。

6.软导线管与电缆的敷设安放位置应保持干燥，如有液体渗入应自动排除。

7.当器件的端子不具备接多股芯线的条件时，应提供拢合绞心束的办法，不允许用焊锡来达到目的。

8.屏蔽导线的端接应防止绞合线磨损并应易于拆卸。

9.牌标应清晰、耐久，适合实际环境。

10.接线座的安装盒接线应保证内部和外部配线不跨越端子。

不同电路的导线：

黑色：

交流和直流动力线

红色：

交流控制电路

蓝色：

直流控制电路

橙色：

由外部电源供电的连锁控制电路

2.3控制系统的连接

1.主电源电源回路的连接

2.数控系统与操作面板及刀架的连接

3.数控系统继电器和输入/输出开关量控制接线的连接

4.数控装置和手摇脉冲发生器的连接

5.数控装置和步进驱动器控制线的连接

6.数控系统和主轴驱动器控制线的连接

7.数控系统和伺服驱动器的连接

8.其他控制信号的连接

2.4数控系统的调试

在连接完所有接线后，对实训台进行调试试验，调试时按如下步骤：

1.线路检查有强电到弱电，按线路走向顺序检查，用万用表逐步测量。

变压器规格和进出线方向的顺序检查

主轴电动机、伺服电动机强电电缆的相序正确

DC24V电源极性连接正确

所有地线都可靠且正确地连接

2通电

按下急停按钮，断开系统中所有低压断路器

合上低压断路器QF1

检查变压器TC1电源是否正常

合上控制DC24V的低压断路器QF4，检查DC24V电源是否正常，数控装置通电，检查控制面板上的指示灯是否点亮，开关量接线端子和继电器板和继电器的电源指示灯是否点亮。

用万用表测量步进驱动直流电源+V和GND两脚之间电压应为35V左右，合上控制步进驱动器直流电源低压断路器QF3。

合上低压断路器QF2

检查变压器TC1电压是否正常。

检查设备用到的其他部分电源是否正常。

2.系统功能检查

松开“急停”按钮是系统复位，系统默认进入“手动”方式，软件操作界面的工作方式为“手动”。

让X轴、Z轴产生正向或负向连续移动。

在手动工作方式下，以低速分别移动X、Y轴，使之超程，仔细观察轴是否立即停止运动，软件操作界面是否出现急停报警。

按下“回零”按键，检查Ｘ、Ｚ是否回参考点，回参考点后，指示灯应点亮。

在手动工作方式下，按下“主轴正传”按键（指示灯亮），主轴电动机以参数设定的转速正转，检查主轴电动机是否运转正常，一次检查主轴反转、主轴停止。

在手动工作方式下，按下刀号选择按键，选择所需的刀号，检查转塔刀架转动到位情况。

调入或编写一个演示程序自动运行，观察十字工作台运动情况。

４．关机

按下控制面板上的“急停”按钮。

断开低压短路器QF2、QF3。

断开低压断路器QF4。

断开低压断路器QF1，断开380V电源。

2.5数控系统连接故障设置．

电源类故障的设置

序号

故障设置方法

故障现象

1

将实验台的三相电源中的U相去掉（注意安全，不要将电源线裸漏在外面）

没有电，所有指示灯都不亮

2

将实训台的三相电源中的W相去掉

没有电，所有指示灯都不亮

3

主

轴

部

分

将主轴电动机电源线去掉一相

主轴电机不转

将变频器的电源线去掉一相

主轴电动机不转

将主轴电动机的电源相序任意调换两相

电动机运行正常，但是转向相反

4

进

给

轴

部

分

将伺服驱动器的电源线去掉一相

Z轴伺服报警（42）定位误差过大

将伺服电动机的电源线去掉一相

电动机不转，伺服C3报警（欠电流报警）

将伺服驱动器上面的直流端子去掉

报警

5

刀

架

类

将刀架电动机电源去掉一相，进行换刀操作

PLC提示，换刀超时，接触器正常工作

将刀架电动机任意交换两相，进行换刀操作

PLC提示，换刀超市，（正常换刀顺时针，反转压下锁紧，交换两相后，直接锁紧不动

6

将

24V1

电

源

断

开

将继电器板的外接24V1断开

急停失效，系统显示“急停”

将继电器KA10的线圈上的24V1断开

KA10不工作，Z轴定位误差过大

将继电器KA9触点上的24V1断开

不能换刀（无反馈）报警换刀超时

7

将输入接线转接端子的外接24V电源断开

一切正常，KA1-KA10指示灯不亮

3数控装置的接口

3.1数控装置各接口及管脚定义

1.电源接口XS1

2.PC键盘接口XS2

3.以太网接口XS3

4.软驱接口XS4

5.RS232接口XS5（数控装置通过RS232接口与外部计算机连接）

6.远程I/O接口XS6

7.手持单元接口XS8

8.主轴控制单元XS9

9.开关量输入接口XS10、XS11

10.开关量输出接口XS20、XS21

11.进给轴控制接口XS30-XS33

12.串行接口式伺服驱动控制接口XS40-XS43

3.2输入输出装置及其相关参数

I/O端子板I/O端子板分输入端子板和输出端子板两种，通常作为数控装置的XS10、XS11、XS20、XS21接口的转接单元使用，以方便连接及提高可靠性。

远程I/O端子板远程I/O端子板分为远程输入端子板和远程输出端子板两种。

4.数控系统的进给驱动系统

4.1步进发动机驱动的进给系统

4.1.1步进发动机的工作原理

步进电机是一种能将数字脉冲信号输入转换成物体的旋转增量运动的电磁执行元件。

没输入一个脉冲信号，步进电动机转轴步进一个步距角增量。

因此，步进电动机能方便的将脉冲信号转换为角位移，具有定位精度好、无漂移和无累积定位误差等优点。

它还能跟踪一定频率范围的脉冲序列，可作为同步电动机使用，广泛的应用于各种小型自动化设备及仪器中。

步进电动机按产生转矩的方式，可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；根据控制绕组的数量可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；根据电流的极性可分为单极性和双极性步进电动机；根据运动的形式可分为旋转、直线、平面步进电动机。

4.1.2步进电机控制系统的主要故障及诊断

步进电机控制系统的主要故障及诊断

序号

故障现象

主要原因

1

电动机不转

1.驱动器无直流供电2.驱动器熔丝熔断3.驱动器报警（过电压、欠电压、过电流、过热）4.驱动器与电动机连线断开5.HNC-21TF型数控系统轴参数设置不当6.驱动器使用信号被封锁7.接口信号线接触不良8.指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低

2

电动机起动后堵转

1.指令脉冲频率太高2.负载转矩太大3.加速时间太短4.负载惯性太大5.直流电源电压降低

3

电动机运转不均匀、有抖动

1.指令脉冲不均匀2.指令码脉冲太窄3.指令脉冲电平不正确4.指令脉冲电平驱动不匹配5.脉冲信号存在噪音6.脉冲频率与机械发生共振

4

电动机无规律的正、反转

1.指令脉冲频率与电动机发生共振

5

电动机定位不准

1.加、减速时间太短2.存在干扰噪音3.系统屏蔽不良

4.1.3步进电动机故障设置：

序号

故障设置方法

故障现象

1

步进电动机取定期的电源线A+与A-互换，进入系统，手动运行X轴

按下X+实际进给方向是X-；　　　按下X-实际进给方向是X+

2

将步进电动机驱动器的电流值调到最小，运行X轴

无明显现象

3

将X轴指令线中的CP+、CP-互换，运行X轴

啸叫，方向正确

4

将X轴指令线中的DIR+、DIR-互换，运行X轴

实际进给方向与原来正好相反

5

将X轴指令线中的DIR+或DIR-任意取消一根，运行X轴

按下X+实际进给方向是X-；　　按下X-实际进给方向是X+

6

只将绕组Ａ、Ｂ与步进电动机连接，将Ｃ、Ｄ两绕组与驱动器断开，运行Ｘ轴

啸叫

７

只将绕组Ａ、Ｃ与步进电动机连接，将Ｂ、Ｄ两绕组与驱动器断开，运行Ｘ轴

振动　电机不转

4.2交流伺服电动机的进给驱动

交流伺服电动机的分类：

根据电动机运行的原理不同，交流伺服电动机可分为感应式（或叫异步式）、永磁同步时、永磁无刷直流式及磁阻同步时交流伺服电动机。

4.2.1交流伺服系统的组成

交流伺服电动机、PWM功率逆变器、微处理器控制器及逻辑门阵列、位置传感器、键盘及显示电路、接口电路，包括模拟电压、数字I/O及RS232串口通信电路、故障检测及保护电路。

4.2.2交流伺服系统的主要报警内容

故障号

故障内容

故障原因

21h

过电流

1.电动机接线短路或者有一相接地

2.驱动器与电动机接线短路

3.PC板错误或电源模块错误

4.电动机与驱动器不匹配

5.检测电源模块错误

41h

过载

1.有效转矩超额定负载时间过长

2.电动机接线错误

3.机械干扰

4.电动机被堵转

5.伺服电动机编码器故障

51h

控制器过热

1.伺服控制器内部电路故障

2.再生功率太大

3.控制器内的风扇停止工作

61h

过电压

1.输入交流电压过高

2.负载惯性太大

3.驱动器内部故障

4.再生放电电路故障

62h

欠电压

1.输入交流电压过低

2.主电流整流器损坏

3.输入电压下降或出现瞬时短路

4.伺服ON信号提前有效

5.驱动器内部故障

63h

缺相

1.输入强电电源中的三项缺少一相

2.控制器内置电路错误

3.伺服控制器未指定为单项

81h

83h

85h

91h

编码器出错

1.编码器电缆不及格或者接头松动

2.无A或B相脉冲

3.噪声干扰

4.接地、屏蔽不良

5.控制器控制电路出错

D1h

定位误差太大

1.指令脉冲频率太高或加减速时间太短

2.负载惯性太大或电动机容量太小

3.转矩限位太低

4.参数错误如：

位置增益太小

5.控制器控制电路错误

4.2.3交流伺服驱动系统的主要故障：

故障号

故障内容

故障原因

1

电机不转

1.控制模式选择不当

2.信号源选择不当

3.转矩限制禁止设定不当

4.转矩设定被设置成“0”

5.没有伺服ON信号

6.指令脉冲禁止有效

7.轴承锁死

8.限位开关开路，驱动禁止

2

转速不均匀或转速低于指令值

1.增益时间常数选择不当2.

2.速度或位置指令不当

3.伺服ON、转矩限制、指令脉冲禁止信号有抖动

4.速度指令包括噪声

5.信号线接触不良

3

定位精度不准

1.指令脉冲波形不好，变形或太窄

2.指令脉冲上有噪声干扰

3.位置环增益太小

4.指令脉冲频率过高

5.伺服ON、转矩限制、指令脉冲禁止信号抖动

6.Z相脉冲丢失

4

初始位置变动

1.回归速度太高

2.原点接近开关输出抖动

3.编码器信号有噪声

5

电动机异常响声或振动

1.速度指令包含噪声

2.增益太高

3.机械共振

4.电动机的机械故障

6

电动机过热

1.增益不当

2.驱动器与电动机配合不当

3.电动机轴承故障

4.驱动器故障

7

电动机“爬行”

1.电动机没有可靠接地

2.伺服驱动器增益参数设置不当

3.负载过重

4.坐标轴参数设置不当

8

接通伺服驱动器动力电源，即出现报警信号

1.伺服电动机强电电缆相许错

2.位置反馈电缆接错

4.2.4交流驱动器的故障的设置：

序号

故障设置方法

故障现象

1

将伺服驱动器的控制电源中的24V断开，运行Z轴

伺服驱动不能运行

2

将系统的输出信号Y17断开，运行Z轴

不能运行，Y17断开，Z轴无信号

3

将伺服驱动器的码盘线人为松动或断开

根本不动

动一小会（跟踪误差过大）

4

将系统参数的硬件配置参数中的部件2的配置0由50改为2，运行Z轴

5

将系统参数的硬件配置参数中的部件2的配置0由50改为34，伺服参数PA400设为20H，运行Z轴

6

将系统参数的Z轴的部分参数改变，如脉冲当量分子，分母，伺服驱动器型号，定位误差和跟踪误差等，运行Z轴

5主轴单元的调试及使用

5.1数控机床主轴控制系统简介

主轴驱动系统是在数控机床主轴控制系统中的动力装置，它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而配合进给运动，加工出理想的零件。

5.1.1主轴驱动变速

1.1主轴驱动变速目前有三种形式

1.主轴电动机齿轮换挡

2.主轴变频电动机通过同步齿形带驱动主轴

3.电主轴

5.1.2对主传动系统的要求

1.调速范围宽

2.恒功率输出范围要宽

3.具有四象限驱动能力

4.具有位置控制能力

5.1.3主轴调速的意义

1.提高产品质量

2.提高工作效率

3.节约能源

5.1.4主轴调速的主要指标

1.调速范围aa=Nmax/Nmin

式中Nmax——主轴最高转速（r/min）

Nmin——主轴最低转速（r/min）

2.调速的平滑性一般的变频调速系统应该小于或等于0.3r/min。

3.调速后的工作特性对大多数负载，工作特性越硬越好；特性越硬，负载变化时速度变化越少。

特殊情况：

电车、电梯要求特性较软。

5.1.5变频器的基本原理及连接

异步电动机的转速为

n=（1-s）n1=（1-s）60f1/p

式中n——异步电动机转速（r/min）

n1——同步转速（r/min）

f1——电子供电电源频率（Hz）

S——异步电动机转差率

P——磁极对数

从上式可以看出，调速方式可以改变转差率S、改变磁极对数p、改变供电频率f1才能获得线性的无级变速。

简单地说，变频器就是通过改变电动机绕组电源频率的方法控制电动机转速。

5.2变频器面板按键的定义及功能参数

5.2.1变频器的按键定义

（变频器面板按键图）

5.2.2变频器主要报警装置及其故障诊断

为了保证驱动器安全、可靠地运行，针对主轴伺服系统出现的异常的情况，设置了较多的保护功能，这种保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。

当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。

通用变频器常见故障及保护

故障现象

故障诊断

报警号

内容

引起故障可能的原因

E01

E02

E03

E04

过电流

电动机的功率（H03）与变频器的功率不匹配，电动机功率大于变频器功率

电动机的导线短路

电动机轴被锁定或负载过重

E07

过电压

在直流母线电压超过阀值使发生

减速过程太快，再生制动引起过电压

发在惯性过大，制动时引起过电压

E09

欠电压

供电电源电压太低

供电电源有短路时失电或瞬时电压跌落

E21

变频器过热

冷却风机运行不正常

环境温度多高

变频器过载

E14

接地故障

在加电测试时若检测到变频器输出与电动机之间发生接地故障，则变频器被保护。

该故障现象可保护变频器，但不能保护人身安全。

E10

CT故障

当某一强电源干扰与变频器距离过近或内部CT（电流互感器）发生异常操作时，变频器跳闸并关闭输出

E12

外部跳闸

与E10类似，当有一个信号加在智能输入端子上时，变频器跳闸开关关闭输出

5.3主轴单元常见故障

1.主轴电机不转

CNC系统设有速度控制信号输出

主轴驱动装置故障。

主轴电动机故障。

变频器输出端子U、V、W不能提供电源。

造成这种情况可能有以下原

1.报警；2.频率指定源与运行指定源的参数不正确；3.智能输入端子的输入信号不正确。

2.电动机反转

输入端子的连接错误。

控制端子的连接错误。

3.电动机转速不能达到一定值

检查连线；检查电位器或信号发生器。

负载过重。

4.电动机过载

机械负载突变。

电动机功率太小。

电动机发热，绝缘变差。

电压波动较大。

存在缺相。

机械负载增大。

供电电压过低。

5.变频器过载

变频器容量配置过小，如是则增大容量。

机械负载有卡死现象。

V/F曲线设定不良，重新设定。

6.主轴转速不稳定

负载波动太大。

电源不稳定。

该现象如出现在某一特定频率下，则可以稍微改变输出频率，使用跳频设定将此有问题的频率跳过。

外界因素干扰。

7.主轴转速与变频器输出频率不匹配

最大频率设定不当。

V/F设定值与主轴电动机规格不匹配。

某项比例参数设定不当。

8.主轴与进给不匹配

CRT画面有报警显示。

通过PLC状态显示观察编码器的信号状态。

用没分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。

5.4变频器的调节方式：

1.手操键盘给定方式通过变频器的操作键盘及变频器本身提供的控制参数来对变频器进行控制。

具体操作步骤如下：

1.1参数设置：

参数A01设为“02”、参数A02设为“02”。

1.2通过“▲”或“▼”键改变参数F01的值来增加或减小给定频率。

1.3按“RUN”键，电动机运转。

1.4按“STOP/RESET”键，电动机停止。

1.5设置参数F04的值为“00”（正转）或“01”（反转）改变电动机的旋转方向。

2.调节电位器给定方式

2.1参数设置：

参数A01设置为“00”，参数A02设置为“02”。

2.2通过调节电位器来控制电动机的运行速度，将电位器旋过一定的角度。

2.3按“RUN”键，电动机运转，通过改变电位器的旋转角度来改变变频器的输出频率，控制电动机的旋转速度。

3.数控系统给定方式

3.1按照图进行连接，确认无误后，接通各部分电源。

3.2参数设置：

参数A01设为“01”，参数A02设为“01”。

3.3通过主轴控制指令，控制变频器运行。

例如：

M03S500

5.5变频器与三相异步电动机常见故障的设置

序号

故障的设置方法

故障现象

1

将异步电动机的三相电源中的两相互换，运行主轴

按下“正转”实际“反转”

按下“反转”实际“正转”

2

将变频器的模拟电压取消或极性互调，运行主轴

主轴不转

3

将变频器参数H04磁极数设置为6或2，运行主轴

无影响

4

将主轴正反转信号取消，运行主轴

主轴不转

6换刀机构故障的检测与排除

6.1刀架的基本组成及工作原理

刀架是数控机床实现刀具装夹和自动换刀的主要装置。

刀架电动机的起停、转向受控于PLC。

其工作过程为：

数控系统发出换刀信号，控制继电器动作，电动机正转，通过蜗轮、蜗杆、螺杆将销盘上升至一定高度时，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销，离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位，当上刀体转到所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电动机反转，反靠销进入反靠盘槽，离合销从离合盘槽中爬出，刀架完成粗定位。

同时销盘下降端齿啮合，完成精定位并将刀架锁死。

数

控

系

统

换刀指令

换刀完成

P