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1、1,技术讲座 数控机床系统概述,报告人:张志义北华大学工程训练中心 2008年11月,2,技术讲座 数控机床系统概述,主要内容：,概述: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,CNC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,3,技术讲座(1)数控机床概述,一、数控机床产生与发展,1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
2、1965年的第三代集成电路数控机床 1970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。,4,技术讲座 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,2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）,5,技术讲座 数控机床概述,二、数控机床的概念及组成,1数控机床的基本概念（1）数控（Numerical Control，简称NC）是采用数字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 Machin
3、e tool）是指装备了计算机数控系统的机床，简称CNC机床。,COMPUTER,6,技术讲座 数控机床概述,2、数控机床的组成及工作原理,7,技术讲座 数控机床概述,三、数控机床的分类,1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,（1）点位控制类数控机床 主要有数控钻床、数控冲床、数控镗床、数控点焊机等,8,技术讲座 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,9,技术讲座
4、 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,10,技术讲座 数控机床概述,（3）半闭环控制,11,技术讲座(2)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；铣床有倒Y/直柱等。,导轨,线轨,硬轨,塑料轨,12,技术讲座 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,13,变频器在数车床主轴调速上的应用,CAK6136,CAK6150DJ,主轴调速,14,
5、变频器在数铣床主轴调速上的应用,XK714A,数控雕铣机,主轴调速,15,技术讲座 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,16,技术讲座 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,17,技术讲座 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,垂直转塔式立式加工中心,18,技术讲座(3)数控系统介绍,一、CNC系统及连接,1.数控系统构成,NC 核心,HMI,PLC,19,技术讲座 数控系统介绍,2.典型数控系统-FANUC,FANUC系统,2
6、0,技术讲座 数控系统介绍,2.典型数控系统802DSL,21,技术讲座 数控系统介绍,2.典型数控系统802DSL,22,技术讲座 数控系统介绍,3.数控系统原理,23,4.数控系统连接-802DSL,24,西门子数控系统信号接口结构,25,4.数控系统连接-FANUC,26,技术讲座 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,27,技术讲座 数控系统介绍,28,技术讲座 数控系统介绍,3.过载能力,过载能力强30
7、0%,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.,29,技术讲座 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,30,技术讲座 数控系统介绍,三、检测,常用位置检测装置,31,技术讲座 数控系统介绍,1.光栅,32,技术讲座 数控系统介绍,光栅工作原理,a,b,莫尔条纹的宽度计算：设a=b=W/2，则(W/2)/B=sin(/2)，当很小时，sin(/2)=/2，故有：B
8、=W/，称作莫尔条纹的宽度，又称为节距。,33,技术讲座 数控系统介绍,光栅细分电路,一个光电池进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。,34,技术讲座 数控系统介绍,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,（1）增量脉冲编码器,35,36,技术讲座(4)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
9、48控制接触器通-直流母线充电,37,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,3.伺服系统供电,38,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,二、急停及限位,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,39,技术讲座(4)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.,40,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,三、
10、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.,41,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,格林码进给倍率/主轴倍率对照表,42,技术讲座(4)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
11、3200100032001009/380X00045,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,43,技术讲座(4)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.,44,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,主轴换挡设定,4
12、5,技术讲座(4)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.,46,技术讲座(4)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,M09,47,技术讲座(4)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,48,技术讲座(4)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,49,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,简易刀架控制霍耳/单向旋转,50,技术讲座
13、(4)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(4)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,52,技术讲座(4)数控机床典型电路介绍,九、加工中心刀库控制,53,技术讲座(5)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,54,技术讲
14、座(5)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.,55,技术讲座(5)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,56,技术讲座(5)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,57,谢 谢!,
