数控机床及应用课件第五章PPT课件下载推荐.ppt

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前者专门用于特殊的输入/输出设备的接口，后者适用于多种设备的接口。

接口电路的主要任务是：

（1）进行电平转换和功率放大一般CNC系统的信号是TTL电平，而控制机床的电平则不一定是TTL电平，负载较大，因此要进行必要的信号电平转换和功率放大。

（2）防止干扰信号引起误动作在数控系统中常采用光耦合器或继电器将数控系统和机床之间的信号在电气上加以隔离。

4、数控机床的输入输出信号,数控机床的输入输出信号大致包括五类信号。

（1）开关量I/O：

用于完成机床的开关量辅助功能控制以及数控系统与机床信号的交换；

（2）模拟量输出：

高分辨率的模拟量输出用于控制进给伺服与主轴驱动的转速；

（3）位置反馈输入：

用于各进给轴与主轴位置的接收、处理以及计数；

（4）手轮输入：

用于连接MPG手轮脉冲发生器；

（5）通信与网络接口：

通常数控装置均具有标准的RS232接口，许多系统同时还配有20mA电流环及RS422远程通信接口。

作为选件，还可配置各种网络接口。

1）开关量I/O,数控装置通常可直接处理开关量I/O信号或通过内置PLC处理开关量I/O信号。

开关量的种类很多。

例如可分为直流与交流、无源与有源、触点与无触点等多种，在数控系统中以直流开关量输入输出使用最为普遍。

（1）数控装置开关量I/O接口的内部结构,

（1）数控装置开关量I/O接口内部结构,开关量包括开关状态的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，电动机的启动和停止。

典型开关量I/O模板的电路框图如图5-1所示，它一般总线接口逻辑、输入缓冲器和输出缓冲器、I/O电气接口。

2）模拟量输出,数控机床中的被测量（如：

位移、速度、温度、力矩等）往往是连续变化的模拟信号，而执行机构（如电动机）则需要以模拟量来驱动，因此模拟量输入/输出接口是数控系统中一种重要的接口方式。

被测模拟量输入接口电路即A/D转换接口电路。

被测模拟量（实际位置或速度）经过信号调理后，输入模拟量输入接口，由A/D转换器转换为数字量后，才能为数控装置的计算机控制电路所接受；

模拟量输出接口电路即D/A转换接口电路，数控系统送往执行机构的控制信号（位置命令或速度命令）应经过模拟量输出接口的D/A转换和信号调理后才能为执行机构所接受。

3）位置反馈输入信号与手轮信号,位置检测元件很多，较常用的有适用于半闭环的光电脉冲编码器、旋转变压器，适用于全闭环的直线光栅、直线感应同步器等。

不同的检测元件与CNC装置的接口不同。

因此一种数控系统通常只能接一种或两种位置传感器。

如果数控装置已经选定，则位置传感器不能随意选择。

当传输线较长时，应考虑电源线的衰减，因此电源线与信号导线不同，应特别对待，通常采用较粗的线或采用两根以上的线连接，以减小电阻。

此外，有些系统可将电源电压略调高一些（例如调至515V）以抵消传输压降。

图5-2为典型的光电脉冲编码器至数控装置的连接。

5、数控机床各单元的信号传递,数控装置是数控系统的控制核心，其硬件和软件控制着各种数控功能的实现，它具有与数控系统其它组成部分的接口驱动装置一般是以轴为单位的独立体，用以控制各个轴的运动可编程序逻辑控制器（PLC）接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令，对机床操作台和机床电机控制/监测机构的逻辑处理和监控，也为数控装置提供机床状态和有关应答信号；

操作台包括数控面板和机床操作面板。

数控面板也称为键盘与显示器面板，主要是由数字键、英文字母键、功能键等组成，用于编制加工程序、修改参数等机床操作面板对主轴、进给轴的控制，对加工程序运行控制，急停等等。

5.2可编程控制器及连接,可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。

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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。

一、可编程序控制器结构与特点二、数控机床中PLC的控制对象三、数控机床PLC控制,一、可编程序控制器结构与特点,1、可编程序控制器的基本结构2、可编程序控制器的特点3、可编程序控制器的基本编程方法,1、可编程序控制器的基本结构,PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

整个PLC的基本组成如图5-3所示。

硬件系统主要有：

中央处理器CPU、存储器、输入/输出（I/O）口、通信接口、编程器和电源等部分，此外还有扩展设备和EPROM的读写板和打印机等选配的设备。

PLC基本软件包括系统软件和用户软件。

系统软件一般包括操作系统、语言编译系统和各种功能软件等。

2、可编程序控制器的特点,

（1）可靠性高

（2）编程简单（3）灵活性好（4）直接驱动负载能力强（5）便于实现机电一体化（6）可实现计算机网络控制,3、可编程序控制器的基本编程方法,编程是把控制任务的功能转换成程序。

（1）接点梯形图。

（2）语句表。

（3）逻辑功能图。

二、数控机床中PLC的控制对象,数控机床的控制可分为两大部分：

一部分是坐标轴运动的位置控制，另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。

1、PLC在数控机床中有四种常用的配置形式2、PLC与外部单元的信息交换,1、PLC在数控机床中的配置形式,图5-4PLC在数控机床中的配置形式第一种为图5-4a所示，PLC安装在机床侧，用于完成传统继电器逻辑控制，PLC与CNC之间通过I/O点连线对接交换信息，PLC通过I/O点再控制机床的逻辑动作。

第二种如图5-4b所示，采用内装PLC，此时PLC仅有M根输入输出连线控制机床，而PLC与CNC之间的信息交换在CNC内部完成。

第三种如图5-4c所示，独立型PLC安装在靠近CNC处（或使用内置PLC），但将PLC的I/O模块安装在机床侧，PLC与I/O模块之间使用远程I/O通讯线连接。

第四种如图5-4d所示，使用独立型PLC，但PLC与CNC之间通过通讯连接，简化了连线，通讯信息量也大大增加。

2、PLC与外部单元的信息交换,PLC的信息交换就是指以PLC为中心，在CNC、PLC和机床之间的信息传递。

PLC与CNC之间交换的信息分两个方向进行，CNCPLC和PLCCNCPLC与机床之间交换的信息也分为两部分，机床PLC和PLC机床。

图5-5数控系统中PLC与CNC装置的连接,三、数控机床PLC控制,1、数控机床PLC分类2、M、S、T功能的实现,1、数控机床PLC分类,数控机床用PLC可分为两大类，一类专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC；

另一类是那些输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床要求的独立型PLC。

（1）内装型PLC

（2）独立型PLC,

（1）内装型PLC,内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。

如图5-6所示。

内装型PLC安装在CNC内部，有以下几个特点：

1）内装型PLC实际上是CNC装置本身带有PLC功能2）内装PLC可以与CNC共用一个CPU，也可以单独有一个专用的CPU3）PLC与CNC通常装在一个机箱中，并且它们使用共同的输入输出电路。

目前生产的CNC系统中，大多为内装型PLC。

图5-7所示为SINUMERIK810数控系统中的I/O模块配置。

（2）独立型PLC,独立型PLC又称通用型PLC，独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。

如图5-8所示。

特点如下：

1）独立型PLC本身即是一个完整的计算机系统，具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口、以及编程器等外部设备的通信接口、电源等。

2）独立型PLC的I/O模块种类齐全，输入输出点数可通过增减I/O模块灵活配置。

3）独立型PLC功能更强，但一般要配置单独的编程设备。

图5-8独立型PLC的CNC系统,2、M、S、T功能的实现,PLC处于CNC装置和机床之间，用PLC程序代替以往的继电器线路实现M、S、T功能的控制和译码。

1）M功能的实现。

2）S功能的实现。

3）T功能的实现。

T功能处理如图5-9,5.3变频器控制及连接,变频调速就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。

变频器是对交流电动机实现变频调速的装置。

一、变频器分类二、数控机床中常用的变频器三、变频器的参数设置,一、变频器分类,二、数控机床中常用的变频器,1、交-直-交变频调速系统2、脉宽调制型（PWM）变频器3、正弦波脉宽调制（SPWM）变频器,1、交-直-交变频调速系统,在交-直-交变频调速系统，首先将电网中的交流电整成直流电，再通过逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。

前者主要采用晶闸管整流器来完成；

逆变器的作用与整流器的作用相反，一般包括逆变电路及换流电路两部分。

逆变电路又有单相与多相、零式与桥式之分。

换流电路是保证当前导通的一只晶闸管换为后一只晶闸管导通时，确保前者能可靠关断的装置。

就整个变频装置而言，又根据从直流变到交流的中间环节滤波方法的不同而派生出两种不同的线路，即所谓电压型变频调速系统和电流型变频调速系统。

1）电压型变频调速系统2）电流型变频调速系统,1）电压型变频调速系统,图5-11所示为电压型变频调速系统的原理框图。

系统中，晶闸管整流、移相触发电路、脉冲放大器、电压及速度负反馈环节的电路及原理与直流调速系统一样。

输出脉冲分别送至环形计数器及频率/电压变换器中。

环形计数器实质上是一个分频器，它把来自频率发生器的脉冲依次分配，经过脉冲放大后，顺序触发逆变器晶闸管来实现逆变。

频率/电压（F/V）变换器是为了实现电压与频率的协调控制。

2）电流型变频调速系统,图5-12是典型的电流型变频器控制系统框图。

电流型变频器的两个功率装置，即整流器和逆变器，它们也分别有自己相应的控制回路，并且相互联系着，由同一个给定值进行控制。

整流器的作用是为逆变器提供直流电源，采用相位控制原理改变晶闸管的控制角来控制整流电压和电流。

逆变器的作用是将直流调制成可变频率的交流，作为交流电动机的变频电源。

2、脉宽调制型（PWM）变频器,脉宽调制型（PWM）变频器是一种交-直-交变频器。

其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲宽度）来控制交流电压的大小和频率。

图5-13PWM交-直-交变频器示意图PWM型变频器的主要特点是：

1）主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化。

2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变大输出电压无关而接近1。

3）调频调压在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器的动态响应加快。

4）通过对PWM控制方式的控制，能有效抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。

3、正弦波脉宽调制（SPWM）变频器,SPWM变频器属于交-直-交静止变频装置，它先将50Hz交流电经整流变压器变到所需的电压后，经二极管可控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，再送入常用6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波），即可拖动三相异步电动机运转。

特点：

结构简单，电网功率因数接近于1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能。

1）SPWM波形与等效正弦波2）产生SPWM波形的原理3）SPWM变频器的主电路,1）SPWM波形与等效正弦波,SPWM逆变工作原理：

是把1个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积都用1个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。

它对应着1个正弦波的半周，对正负半周都这样处理即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。

图5-14与正弦波等效的SPWM波形,2）产生SPWM波形的原理,SPWM波形产生的方法：

以正弦波为调制波对等腰三角波为载波的信号进行“调制”。

调制电路仍可采用电压比较放大器。

其原理图如图5-15所示。

3）SPWM变频器的主电路,SPWM变频器的主电路原理及电动机线电压波形如图5-16所示。

图a中V1V6为6个大功率晶体管，并各有1个二极管与之反并联，作为续流用。

来自控制电路的SPWM波形作为基极控制电压加于各功率管的基极上。

按相序要求和频率要求，从参考信号振荡器上产生频率与电压协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经倒相分路后可得到6路SPWM信号，加于V1V6功率晶体管基极，作为驱动控制信号。

当逆变器工作于双极性工作方式时，可得到如图5-16所示的线电压波形。

三、变频器的参数设置,图5-17为数字控制的开环变频调速系统框图，为提高速度控制精度，可通过速度检测编码器，实现速度的闭环控制。

变频器的参数设置步骤如下：

1、首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。

2、按数字键或数字增减键（键和键），选择需进行预置的功能码。

3、按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据。

4、如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。

5、按写入键或设定键，将修改后的数据写入。

6、如预置尚未结束，则转入第二步，进行其他功能设定。

如预置完成，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，就可以启动电动机了。

5.4数控系统与各控制单元的连接,数控机床各单元的连接主要包括数控装置与外部MDI/CRT单元、强电柜、机床操作面板、进给伺服电动机动力线与反馈线、主轴电动机动力线与反馈信号线的连接及与手摇脉冲发生器等的连接。

下面主要以FANUC铣床数控系统为例说明FANUC数控机床的连接。

其总体连接框图如图5-18所示。

5.4.1数控装置与输入输出信号的连接5.4.2数控装置与主轴驱动装置的信号连接5.4.3数控装置与伺服驱动装置的信号连接,5.4.1数控装置与输入输出信号的连接,数控机床的输入/输出信号是指CRT、键盘和机床操作面板与CNC装置之间进行传递的信号。

1、CRT与CNC装置的连接CRT与CNC单元中的VGA卡通过DB15插头互连。

2、键盘与CNC装置的连接键盘与CNC单元通过CPU板上的COM2口互连。

执行RS232C的标准。

之所以不采用通用键盘接口，是因为通用键盘线在距离较长时不够用。

3、机床操作面板与CNC装置的连接,3、机床操作面板与CNC装置的连接,下面以FANUCOi系列为例进行介绍1）FANUC0i用机床操作面板的信号2）0i系列-机床操作面板的信号示意图3）0i系列-机床操作面板地址与连接器的管脚分配图4）控制信号管脚排列图,1）FANUC0i用机床操作面板的信号,2）0i系列-机床操作面板的信号示意图,3）0i系列-机床操作面板地址与连接器的管脚分配图,4）控制信号管脚排列图,

（1）通过I/OLink输出的输入/输出信号。

如机床操作面板的信号示意图所示，地址为：

Xm+0,1,2（地址表中信号名称为GDI0GDI18）和Yn+5.3（地址表中信号名称为GDO0GDO7）。

（2）通过印刷电路板的信号转接信号。

该信号用于操作面板侧信号的转接，如机床操作面板的信号示意图所示，信号名称为TR1TR8，该信号仅仅用于把通用开关信号（通过CA65插座）连接到强电柜侧的信号转接用。

例如：

将一开关信号连接到CM68的TR3上，由于CA65插头的TR3与该点相连，该信号就通过CM65连接到强电柜中了。

下面为使用该机床操作面板的例子。

5.4.2数控装置与主轴驱动装置的信号连接,1、常用主轴驱动系统介绍2、主轴转速控制3、主轴分段无级调整及控制4、自动变速控制5、主轴准停6、主轴驱动与CNC的信号连接7、主轴伺服系统的连接,1、常用主轴驱动系统介绍,1）FANUC公司主轴驱动系统2）SIEMENS公司主轴驱动系统,1）FANUC公司主轴驱动系统,目前三个系列交流主轴电动机为：

S系列电动机，额定输出功率范围1.537KW；

H系列电动机，额定输出功率范围1.522KW；

P系列电动机，额定输出功率范围3.737KW。

该公司交流主轴驱动系统的特点为：

采用微处理控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制；

主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波形；

具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。

2）SIEMENS公司主轴驱动系统,SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与上述四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。

80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3100KW。

驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM变频控制的方式，具有能量再生制动功能。

另外，采用微处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。

通过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。

2、主轴转速控制,1）直流主轴速度控制2）交流主轴速度控制,1）直流主轴速度控制,由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速方式。

（1）控制电路

（2）主电路,

（1）控制电路,控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统工程，其中内环是电流环，外环是速度环。

图5-23为FANUC直流主轴电动机驱动控制示意图。

双闭环调速系统的特点是：

速度调节器的输出作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。

优点是可以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩，在速度差值大时，电动机转矩大，速度变化快，以便尽快地使电动机的转速达到给定值；

而当转速接近给定值时，又能使电动机的转矩自动地减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定值，保证转速稳态无静差。

（2）主电路,数控机床直流主轴电动机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，其主电路如图5-24所示。

三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图见图5-25所示。

电动机正向电动时，正组晶闸管工作在整流状态，提供正向直流电流；

电动机反向电动时，则由反组晶闸管工作时在整流状态，提供反向直流电流；

即可控制电动机在第一、三象限的启动、升降速。

2）交流主轴速度控制,交流主轴速度控制主要采用主轴电动机配变频器控制的方式。

下面以SIEMENS6SC650系列交流主轴驱动装置为例进行介绍。

6SC650系列交流主轴驱动装置是晶体管脉宽调制变频器，与1PH5、1PH6系列交流主轴电动机组成数控机床的主轴驱动系统，可实现主轴的自动变速、主轴定位控制和主轴C轴进给。

图5-266SC650系列交流主轴驱动装置原理图，图5-27为6SC650系列主轴驱动系统组成。

6SC650系列交流主轴驱动变频器主要组件有：

（1）控制模块（N1）

（2）I/O模块（3）电源模块（G01）和中央控制模块（G02）（4）选件（S1O）,3、主轴分段无级调整及控制,无级调速主轴机构，虽然能大大简化主轴箱，但低速段输出转矩常常不能满足切削转矩要求。

如单纯追求无级调速，势必要增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、重要及成本大大增加，也降低了运行效率。

因此，数控机床常采用14档齿轮变速与电动机无级调整相结合，即分段无级变速控制。

采用齿轮减速虽然可以增加低速时的输出转矩，但降低了最高主轴转速。

因此常采用齿轮自动变挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。

数控系统一般均提供了4挡变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。

在数控系统参数区设置M41M44四挡对应的最高主轴转速，数控系统即可使用M41M44指令，控制齿轮自动变挡。

在控制过程中，数控系统会根据当前的S指令值，自动判断应处的挡位，输出相应的M41M44指令给可编程控制器（PLC），控制变换相应的齿轮位置；

数控系统同时输出相应的模拟电压或数字信号设定对应的速度。

其控制结构如图5-28所示。

4、自动变速控制,自动变速动作的控制时序