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数控机床结构及维修2019/8/131第二章数控机床数控系统结构与维修天津工程师范学院数控机床结构及维修2019/8/1322.1数控系统组成与原理2.2数控系统硬件2.3数控系统软件2.4可编程控制器(PLC)2.5数控机床检测装置2.6伺服驱动系统2.7数控系统诊断技术及维修第二章数控机床数控系统结构与维修2.1数控系统组成与原理一、CNC系统组成1．操作面板2．输入／输出装置3．计算机数控装置(CNC装置)4．伺服单元5．驱动装置6．可编程逻辑控制器(PLC)第二章机床数控系统结构与维修4机床I/O电路和装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元机床主进辅运给助动传控机动制构机机构构PLC测量装置计算机数控装置操作面板输入输出装置键盘图2-1计算机数控系统的组成框图56二、CNC系统的基本原理•CNC系统的生产厂家编制好CNC控制软件(也称为系统程序)后，要把它固化在ROM(EPROM)中，系统接上电源后即自动由CPU按照此固化的程序运行。使用CNC机床加工时，首先要编制好零件程序，而零件程序的解释与具体执行则要由系统程序来完成。7CNC的控制软件主要完成如下基本任务①系统管理。②操作指令处理。③零件程序的编辑。④零件程序的输入、解释与执行。⑤系统状态显示。⑥手动数据输入MDI。⑦故障报警和诊断。89三、计算机数控装置的接口•计算机数控装置(以下简称数控装置)的接口是数控装置与数控系统的功能部件(主轴模块、进给伺服模块、PLC模块等)和机床进行信息传递、交换和控制的端口，称之为接口。10接口电路的主要任务：•(1)进行电平转换和功率放大。•(2)提高数控装置的抗干扰性能，防止外界的电磁干扰噪声引起误动作。•(3)输入接口接收机床操作面板的各开关信号、按钮信号，机床上的各种限位开关信号以及数控系统各个功能模块的运行状态信号，若输入的是触点输入信号，要消除其振动。•(4)输出接口是将各种机床工作状态灯的信息送至机床操作面板上显示，将控制机床辅助动作信号送至电柜，从而控制机床主轴单元、刀库单元、液压单元、冷却单元等的继电触器。112.2数控系统硬件•一、CNC的硬件构成•计算机部分•电源部分•面板接口和显示接口•开关量I/O接口•内装型PLC部分•伺服输出和位置反馈接口•主轴控制接口•外设接口12二、CNC的体系结构•CNC装置从所使用的计算机类型来看，有专用计算机数控装置(简称专机数控)和通用个人计算机数控装置(简称PC数控)两种结构。•1．专用计算机组成的数控体系结构•专用计算机数控按组成CNC装置的电路板的结构特点可分为大板式结构和模块化结构两类，按CNC装置内的微处理器(CPU)数量可分为单微处理器和多微处理器结构两类。1314单微处理器结构具有如下特点。①结构简单，容易实现。②处理器通过总线与各个控制单元相连，完成信息交换。③由于只用一个微处理器来集中控制，其功能受到微处理器字长、数据宽度、寻址功能和运算速度等因素的限制；由于插补等功能由软件来实现，因此，数控功能的实现与处理速度成为一对矛盾。1516172．开放式数控体系结构•特点：•①以分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构。•②根据需要可实现重构、编辑，以便实现多种用途。在开放式体系结构中，各模块相互独立，在此平台上，系统生产厂、机床厂及最•终用户都可很容易地把一些专用功能和其他有个性的模块加入其中。•③要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交换来满足实时控制的要求。183．通用PC组成的数控体系结构•基于通用PC的数控系统可以充分利用PC的软硬件资源，减轻设计任务；可充分利用计算机工业所提供的先进技术，方便地实现产品的更新换代；良好的人机界面便于操作；开放性体系结构便于在工厂环境内集成；由于有更多的硬件供选择，CNC的成本对于用户来说非常灵活。192.3数控系统软件一、CNC的软件结构类型软件结构取决于CNC系统中的软件和硬件的分工，也取决于软件本身的工作性质。在信息处理方面，软件和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完成的工作在原则上也能由软件完成。CNC系统是一个实时的计算机控制系统，其数控功能是由各种功能子程序实现的。不同的系统软件结构对这些子程序的安排方式不同，管理方式也不同。在单CPU的数控系统中，常采用前后台型的软件结构和中断型软件结构。20•1．前后台型软件结构212．中断型软件结构•中断型软件结构除了初始化程序之外，整个系统软件的各种任务模块被分别安排在不同级别的中断程序中，整个软件就是一个大的中断系统。其管理的功能主要通过各级中断服务程序之间的相互通信来解决。•中断优先级共8级，0级最低，7级最高，除了第4级为硬件中断完成报警功能外，其余均为软件中断。22二、CNC系统软硬件的界面图2-8三种典型CNC系统的软硬件界面23三、CNC控制软件的特点•1．多任务并行处理•2．实时中断处理242.4可编程控制器(PLC)•一、PLC的基本组成与工作方式•1．PLC的基本组成•PLC实质是一种专用计算机，它的组成形式基本上与微机相同，主要包括微处理器(CPU)、存储器、用户输入／输出部分、输入／输出扩展接口、外围设备以及电源等。对于内装型PLC、CPU、存储器、外围设备、电源等部分一般与CNC装置共用。如图2-9所示为可编程控制器基本组成框图。25262．PLC的工作方式•PLC的基本工作方式是顺序执行用户程序，每一时刻执行一条指令，由于相对于外部电气信号有足够的执行速度，从宏观上看是实时响应的。对用户程序的执行一般有循环扫描和定时扫描两种，扫描过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，27二、PLC的分类•(1)内装型PLC。•(2)独立式PLC。28(1)内装型PLC。29(2)独立式PLC图2-12独立型PLC的CNC系统30图2-13独立型PLC的功能结构312.5数控机床检测装置一、编码器(码盘)•编码器又称编码盘或码盘，是一种旋转式测量元件，通常安装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的机械角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。它具有精度高、结构紧凑和工作可靠等优点，常在半闭环伺服系统中作为角位移数字式检测元件。编码器又称编码盘或码盘，是一种旋转式测量元件，通常安装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的机械角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。它具有精度高、结构紧凑和工作可靠等优点，常在半闭环伺服系统中作为角位移数字式检测元件。32图2-14编码器与主轴安装的安装应用33二、光电式编码器•光电式编码器是一种光电式非接触式转角检测装置。码盘用透明及不透明区域按一定编码构成。根据其编码方式的不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。•光电编码器利用光电原理把机械角位移变换成电脉冲信号，是数控机床最常用的位置检测元件。光电编码器按输出信号与对应位置的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。341．光电式编码器的结构图2-15光电脉冲编码器结构1-电路板；2-圆光栅；3-指示光栅；4-轴；5-光敏元件；6-光源；7-连接法兰。35•2．光电编码器的工作原理增量式光电编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度准确地测量出来，然后通过光电转换将其转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移或直线位移量。绝对式光电脉冲编码器可将被测转角转换成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是一种直接编码式的测量装置。36图2-16增量式光电编码器测量系统1-旋转轴；2-滚珠轴承；3-透光夹缝；4-光电编码器；5-光源；6-聚光镜；7-光栏板；8-光敏元件。37(2)绝对式光电编码器的工作原理•绝对式光电编码器的光盘上有透光和不透光的编码图案，编码方式可以有二进制编码、二进制循环编码、二至十进制编码等。绝对式光电编码器通过读取编码盘上的编码图案来确定位置。38(a)绝对式光电编码器原理图(a)绝对式光电编码器原理图39(b)绝对式光电编码器结构图40(3)编码器正反转辨别。41•三、光栅•光栅是一种最常见的测量装置，是在玻璃或金属基体上均匀刻划很多等节距的线纹而制成的。其制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离为栅距，而单位长度上的线纹数目称为线纹密度。421．光栅的结构•光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。43图2-20光栅尺44•2．光栅的工作原理在安装时，将两块栅距相同、黑白宽度相同的标尺光栅和指示光栅刻线面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角。这样，在光源的照射下，就形成了光栅刻线几乎垂直的横向明暗相同的宽条纹，即莫尔条纹。4546图2-22横向莫尔条纹的参数473．光栅的种类•(1)物理光栅•(2)计量光栅•(3)透射光栅•根据光栅的工作原理，玻璃透射光栅可分为莫尔条纹式光栅和透射直线式光栅两类。•(4)反射光栅484．光栅测量系统•(1)光栅测量的基本电路•光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成，如图2-23所示。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频。49图2-23光栅测量系统50(2)鉴向倍频电路图2-24两光敏元件的波形51•四、测速发电机•测速发电机是一种旋转式速度检测元件，可将输入的机械转速变为电压信号输出，在数控系统的速度控制单元和位置控制单元中都得到应用。尤其是常作为伺服电动机的检测传感器，将伺服电动机的实际转速转换为输出电压或输出脉冲与给定电压或参考频率进行比较后，发出速度控制信号，以调节伺服电动机的转速。521．测速发电机的结构图2-25直流测速发电机原理图53图2-26直流测速发电机的输出特性542．6伺服驱动系统•一、伺服系统的概念•数控机床伺服系统是以机械位移为直接控制目标的自动控制系统，也可称为位置随动系统，简称为伺服系统。数控机床伺服系统主要有两种：一种是进给伺服系统，它控制机床坐标轴的切削进给运动，以直线运动为主；另一种是主轴伺服系统，它控制主轴的切削运动，以旋转运动为主。•驱动系统的作用可归纳如下。•①放大CNC装置的控制信号，具有功率输出的能力。•②根据CNC装置发出的控制信号对机床移动部件的位置和速度进行控制。55二、对伺服驱动系统的要求•l．调速范围要宽•2．定位精度要高•3.快速响应，无超调•4．低速大转矩，过载能力强•5．可靠性高56三、伺服驱动系统的组成•l．驱动装置•2．执行元件•3．传动机构•4．检测元件及反馈电路57四、伺服驱动系统的分类•l．开环控制进给驱动系统CNC步进电机步进驱动器机床工作台指令电源传动机构图2-27开环控制的进给驱动系统582．闭环控制进给驱动系统596061六、伺服驱动系统电机类型•l．进给驱动用的伺服电机•(1)改进型直流电机。•(2)小惯量直流电机。•(3)步进电机。•(4)永磁直流伺服的电机。•(5)无刷直流电机。•(6)交流调速电机。62•2．主轴驱动电机•数控机床主轴驱动可采用直流电机，也可采用交流电机。与进给驱动不同的是，主轴电机的功率要求更大，对转速要求更高，但对调速性能的要求却远不如进给驱动那样高。因此在主轴调速控制中，除采用调压调速外，还采用了弱磁升速的方法，进一步提高其最高转速。在主轴驱动中，直流电机已逐渐被淘汰，目前均使用交流电机。由于受永磁体的限制，交流同步电机的功率不易做得很大，因此，目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型感应电机。632.7数控系统诊断技术及维修•一、装置自诊断法•l．启动自诊断(初始化诊断)•2.在线诊断(后台诊断)•3．离线诊断64二、常规检查法•外观检查是指依靠人的五官等感觉器官并借助于一些简单的仪器来寻找机床故障的原因。这种方法在维