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1、主题八 数控机床的电气控制输入输出装置数控装置驱动控制装 置机床电器控制装置机床本体数控的电气控制线路与普通机床电路有所不同，除了常用的电器控制线路外，它还有数控装置。数控机床的组成结构图如图81所示。普通机床与数控机床的主要区别是数控机床的主轴调速和刀架的进给全部自动完成，即根据编程指令按要求执行。数控装置是整个数控机床的核心，机床的操作均由此发出。驱动装置位于数控装置和机床之间，包括进给驱动和主轴驱动装置。驱动装置根据控制电机不同，其控制电路形式也不同。步进电机有步进驱动装置，直流伺服电机有直流伺服驱动装置，交流伺服电机有交流伺服驱动装置。机床电器控制装置位于数控装置与机床本体之间，它主要
2、接收数控装置发出的开关命令控制机床主轴的启停、正反转、换刀、冷却、润滑、液压、气压等相关信号。现以经济型数控车为例介绍数控机床的电气控制线路。图81数控机床的组成结构图电气控制电路一般由主回路、控制电路和辅助电路等部分组成。了解电气控制系统的总体结构、电动机和电器元件的分布状况及控制要求等内容之后,便可以阅读分析电气原理图。按照先从主回路入手,根据伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求,分析它们的启动控制、方向控制、调速和制动；再根据主回路中各伺服电动机、辅助机构电动机和电磁阀等执行电器的控制要求,逐一找出控制电路中的控制环节；最后分析电源显示、工作状态显示、照明和故障报警等辅
3、助电路部分。数控机床对于安全性和可靠性有很高的要求，因此，控制线路中设置了一系列电气保护环节。数控车床的机械部分比规格的普通车床更为紧凑和简洁。主轴传动为一级传动，去掉了主轴的变速齿轮箱，采用了变频器实现主轴无级变速。进给移动装置采用滚珠丝杆，传动效率高、精度高、摩擦小。一般经济型数控车床的进给采用步进电机，进给电机的运动由NC装置实现信号控制。数控车床的刀架能自动转位。换刀电机有步进、直流和异步电机之分，这些电动刀架的旋转、定位由NC装置发出信号，控制其动作。而其他的冷却、液压等电气控制和普通机床的控制基本相同。以CK6140数控车床电气控制电路为例1CK6140数控车床的组成CK6140数
4、控车床采用主轴变频调速，机床主轴的旋转运动由5.5KW变频主轴电动机经皮带传动至I轴,经三联齿轮变速将运动传至主轴,并得到低速、中速和高速三段范围内的无级变速。机床进给为两轴联动,配有四工位电动刀架,可满足不同需要的加工。Z坐标为大拖板左右运动方向,其运动由GK6063-6AC31交流永磁伺服电动机与滚珠丝杠直联实现；X坐标为中拖板前后运动方向,其运动由GK6062-6AC31交流永磁伺服电动机通过同步齿形带及带轮带动滚珠丝杠和螺母实现。为保证螺纹车削加工时主轴转一圈,刀架移动一个导程(即被加工螺纹导程)。主轴箱的左侧安装了一光电编码器配合纵向进给交流伺服电动机,主轴至光电编码器的齿轮传动比为
5、1:1。2CK6140数控车床的技术参数CK6140数控车床的技术参数见表8-1。3机床的运动及控制要求。正如前述,CK6140数控车床主轴的旋转运动由5.5KW变频主轴电动机实现,与机械变速配合得到低速、中速和高速三段范围的无级变速。Z轴、X轴的运动由交流伺服电动机带动滚珠丝杠实现,两轴的联动由数控系统控制。加工螺纹由光电编码器与交流伺服电动机配合实现。除上述运动外,还有电动刀架的转位,冷却电动机的启、停等。4主回路分析图82是CK6140数控车床电气控制中的380V强电回路。表 8-1 CK6140 数控车床的部分技术参数项目单位技术规格加工范围床身上最大回转直径mm400床鞍上最大回转直
6、径mm180最大车削直径mm240最大工件长度mm1000最大车削长度mm800主轴主轴通孔直径mm80主轴头形式IS0702/ No.6主轴转速r/mim362000高速r/mim1702000中速r/mim951200低速r/mim36420主轴电动机功率kW5.5(变频尾座套筒直径mm55套筒行程(手动mm120尾座套筒锥孔MT No.4刀架快速移动速度X/Zm/min3/6刀位数4刀方尺寸mm2020X向行程mm200Z向行程mm800主要精度机床定位精度Xmm0.030Zmm0.040机床重复定位精度Xmm0.012Zmm0.016其他机床尺寸L WHmm214012001600机床
7、毛重kg2000机床净重kg1800表 8-2 CK6140 数控车床电气控制设备主要器件序号名称规格主要用途备注1数控装置HNC-21TD控制系统HCNC2软驱单元HFD-2001数据交换HCNC3控制变压器AC380/220V 300W/110V 25OW /24V 100W伺服控制电源、开关电源供电HCNC交流接触器电源照明灯电源4伺服变压器3P AC380/220 V2.5kw伺服电源HCNC5开关电源AC220/DCMV145WHNC-21TD、PLC及中间继电器电源明玮6伺服驱动器HSV-16D030X、Z轴电动机伺服驱动器HCNC7伺服电动机GK6062-6AC31-FE7.5N
8、m)X轴进给电动机HCNC8伺服电动机GK6063-6AC31-FE(11NmZ轴进给电动机HCNC226图82 CK6140强电回路图82中QFl为电源总开关。QF3、QF2、QF4、QF5分别为主轴强电、伺服强电、冷却电动机、刀架电动机的空气开关,它们的作用是接通电源及短路、过流时起保护作用；其中QF4、QF5带辅助触头,该触点输入到PLC,作为QF4、QF5的状态信号,并且这两个空开的保护电流为可调的,可根据电动机的额定电流来调节空开的设定值,起到过流保护作用。KM3、KM1、KM6分别为主轴电动机、伺服电动机、冷却电动机交流接触器,由它们的主触点控制相应电动机；KM4、KM5为刀架正反
9、转交流接触器,用于控制刀架的正反转。TCl为三相伺服变压器,将交流380V变为交流200V,供给伺服电源模块。RC1、RC3、RC4为阻容吸收,当相应的电路断开后,吸收伺服电源模块、冷却电动机、刀架电动机中的能量,避免产生过电压而损坏器件。5电源电路分析图83为CK6140数控车床电气控制中的电源回路图。图83中TC2为控制变压器,初级为AC380V,次级为ACllOV、AC220V、AC24V,其中ACIlOV给交流接触器线圈和强电柜风扇提供电源；AC24V给电柜门指示灯、工作灯提供电源；AC220V通过低通滤波器滤波给伺服模块、电源模块、DC24V电源提供电源；VCl为24V电源,将AC2
10、20V转换为DC24V电源,给世纪星数控系统、PLC输入/输出、24V继电器线圈、伺服模块、电源模块、吊挂风扇提供电源；QF6、QF7、QF8、QF9、QFlO空气开关为电路的短路保护。6控制电路分析。（1） 主轴电动机的控制图84、图8.5分别为交流控制回路图。在图82中,先将QF2、QF3空气开关合上,在图85中,当机床未压限位开关、伺服未报警、急停未压下、主轴未报警时,KA2、KA3继电器线圈通电,继电器触点吸合,并且PLC 输出点YOO发出伺服允许信号,KAl继电器线圈通电,继电器触点吸合,在图84中,KMl交流接触器线圈通电,交流接触器触点吸合,KM3主轴交流接触器线圈通电,在图8-
11、1中交流接触器主触点吸合,主轴变频器加上AC380V电压；若有主轴正转或主轴反转及主轴转速指令时(手动或自动),在图85中,PLC输出主轴正转YlO或主轴反转Y11有效、主轴转速指令输出对应于主轴转速的直流电压值(OlOV)至主轴变频器上,主轴按指令值的转速正转或反转；当主轴速度到达指令值时,主轴变频器输出主轴速度到达信号给PLC,主轴转动指令完成。主轴的启动时间、制动时间由主轴变频器内部参数设定。（2）刀架电动机的控制。当有手动换刀或自动换刀指令时,经过系统处理转变为刀位信号,这时在图85中,PLC输出Y06有效,KA6继电器线圈通电,继电器触点闭合,在图84中,KM4交流接触器线圈通电,交
12、流接触器主触点吸合,刀架电动机正转；当PLC 输入点检测到指令刀具所对应的刀位信号时,PLC输出Y06有效撤销,刀架电动机正转停止；接着PLC输出Y07有效,KA7继电器线圈通电,继电器触点闭合,在图84中KM5交流接触器线圈通电,交流接触器主触点吸合,刀架电动机反转,延时一定时间后（该时间由参数设定,并根据现场情况作调整,PLC输出Y07有效销,KM5交流接触器主触点断开,刀架电动机反转停止,换刀过程完成。为了防止电源短路和电气互锁,在刀架电动机正转继电器线圈、接触器线圈回路中串入了反转继电器、接触器常闭触点,反转继电器、接触器线圈回路中串入了正转继电器、接触器常闭触点。请注意,刀架转位选刀只能一个方向转动,取刀架电动机正转。刀架电动机反转时,刀架锁紧定位。（3） 冷却泵电动机控制当有手动或自动冷却指令时,这时在图84中PLC输出Y05有效,KA8继电器线圈通电,继电器触点闭合,在图84中KM6交流接触器线圈通电,交流接触器主触点吸合,冷却电动机旋转,带动冷却泵工作。图83CK6140电源电路图84交流控制电路85直流控制电路
