武漢華工智云科技有限公司第五章數控機床電氣控制系統設計機械工業出版社《智能制造裝備創新設計》

主要內容23智能檢測單元機床電氣控制系統設計概述12機床的數控裝置數控機床的伺服驅動系統數控機床的PLC控制數控機床電氣控制線路345第一節機床電氣控制系統設計概述31.1機床電氣控制技術的發展電力拖動技術的發展計算機控制技術的發展●20世紀40年代以前，電機不能電氣調速●40年代后，直流調速系統●60年代后，交流調速●20世紀40年代以前，繼電器接觸器系統●50年代開始，數字控制技術●70年代后，CNC控制技術、PLC技術第一節機床電氣控制系統設計概述41.2數控機床電氣控制系統的組成●現代數控機床采用了CNC控制、交流調速以及PLC控制等技術，其電氣控制系統的部件組成主要包括數控裝置、驅動裝置、主軸及進給軸電動機、機床IO、機床控制面板等輸入輸出裝置。圖5-1數控機床電氣系統的部件組成第一節機床電氣控制系統設計概述51.2數控機床電氣控制系統的組成●數控裝置是數控機床的“大腦”，對輸入裝置或輸入接口輸入的命令或程序進行存儲、譯碼和運算等處理，將插補運算的位置或速度指令周期性的發送給伺服裝置；●伺服裝置把指令信號與實際的測量反饋信號進行比較，根據偏差信號進行控制，輸出驅動電流，控制伺服電動機運行，實現機床主軸和進給軸的閉環運動控制。●與數控裝置集成一體的機床可編程序控制器根據加工程序中的M、S、T等輔助功能指令，發出輔助控制指令，實現外圍輔助功能，包括刀具交換、冷卻液開關、潤滑、液壓/氣動等。第一節機床電氣控制系統設計概述61.3數控機床電氣控制系統設計（1）技術標準與規范第一節機床電氣控制系統設計概述7

1.3數控機床電氣控制系統設計

（2）電氣設計要求●高可靠性●安全性●良好的控制特性●自診斷及運行狀態指示●設備的宜人性第一節機床電氣控制系統設計概述8

1.3數控機床電氣控制系統設計

（3）數控機床電氣控制系統設計的基本內容●電氣設計任務書的擬定●控制系統選型及電氣傳動方案設計●電氣控制系統圖的設計●編寫電氣說明書和使用說明書第二節機床的數控裝置92.1計算機數字控制技術（1）CNC裝置的軟硬件結構●電氣設計任務書的擬定●控制系統選型及電氣傳動方案設計●電氣控制系統圖的設計●編寫電氣說明書和使用說明書第二節機床的數控裝置102.1計算機數字控制技術（1）CNC裝置的軟硬件結構●超大規模集成電路(VLSI)技術實現了數控裝置體積小、可靠性高、控制速度高以及維護成本少的目的。●現代CNC裝置的硬件通常包括微處理器、數據存儲器以及伺服控制回路專用模塊等。●CNC裝置采用一個或多個用于執行控制功能的微處理器，特別是多核處理器的使用，進一步提升了數控裝置的性能。●CNC裝置的所有組件都集成在一塊或者多塊印制電路板上，通過內部總線相互連接。第二節機床的數控裝置11（1）CNC裝置的軟硬件結構●CNC裝置需要一套操作系統，也稱控制軟件或者系統軟件，它確定了機床整體的功能和使用范圍，包括了所有必要的功能，如控制內核插補計算、位置控制、速度控制、顯示、編輯、數據存儲和數據處理，此外還包括后臺的機床數據接收及處理、接口程序、故障診斷、加工過程的圖形仿真和CNC集成編程系統等。2.1計算機數字控制技術第二節機床的數控裝置122.1計算機數字控制技術（2）控制類型和插補●點位控制：控制機床從一點準確地移動到另一點，在移動過程中不進行加工，因此對兩點間的移動速度和運動軌跡沒有嚴格要求●直線控制：不僅要控制機床運動部件從一點準確地移動到另一點，還要控制兩相關點之間的移動速度和軌跡，可一邊移動一邊切削加工。●輪廓路徑控制：兩根或者更多的數控機床軸按照確切的相互關系運動稱為輪廓路徑控制，使其合成的平面或空間的運動軌跡符合被加工零件的圖紙要求第二節機床的數控裝置132.1計算機數字控制技術（3）數控機床的坐標軸●機床坐標軸遵循笛卡兒坐標系原則，分為平移軸X、Y、Z軸，和旋轉軸A、B和C軸。●刀具通過三個平移軸的運動可以到達工作區中的任意點，旋轉軸和擺動軸可用于加工傾斜表面或跟蹤刀具軸。第二節機床的數控裝置142.2數控裝置的組成及接口（1）數控裝置的組成原理●現代CNC裝置通常由人機交互界面（HMI：HumanMachineInterface）、數字控制核心（NCK）以及機床邏輯控制（PLC）三個相互依存的功能部件構成。●CNC裝置可分為緊湊一體型結構和分離型結構。第二節機床的數控裝置152.2數控裝置的組成及接口（2）數控裝置的總線接口●在現代制造系統中，數控裝置作為數控機床的控制裝置，位于設備控制層。其上層通常是基于PC或工作站的DNC系統、FMS系統或CIMS系統等的單元層或車間管理層。其下層為傳感器-執行器層，通常包括驅動和執行機構、通過（遠程、智能）輸入輸出模塊接入的傳感器和繼電器輸出等。第二節機床的數控裝置162.2數控裝置的組成及接口（2）數控裝置的總線接口●單一總線類型在加工過程中不能滿足多種任務要求，適用于設備控制層和執行層之間的數據通信現場總線，稱為執行裝置/傳感器現場總線，如Profbus、Interbus或CANbus。第二節機床的數控裝置172.2數控裝置的組成及接口（2）數控裝置的總線接口●適用于設備控制層和單元層之間的系統現場總線中，基于工業以太網技術的數據總線逐漸取代其他系統總線，成為系統級總線的標準化應用。第二節機床的數控裝置182.3數控裝置的信息流程第三節數控機床的伺服驅動系統193.1數控機床伺服驅動系統概述●包括主運動驅動系統和進給運動驅動系統，以機床運動部件的位置和速度為控制量，接收上層數控裝置的位置、速度指令，與測量反饋裝置檢測的實際值進行比較，經位置控制、速度控制、電流控制閉環控制和功率放大后驅動伺服電動機，通過機械傳動機構實現工作部件的加速度、速度、位置運行要求。第三節數控機床的伺服驅動系統203.1數控機床伺服驅動系統概述●現代數控機床進給傳動系統主要包括模塊化數字化的驅動控制器、高性能的伺服電動機和帶有位置測量系統的高質量的軸機械機構三大部分。第三節數控機床的伺服驅動系統213.1數控機床伺服驅動系統概述（2）伺服驅動系統的分類●按有無位置檢測反饋裝置分類●按伺服電機的類型分類

①步進電動機伺服驅動系統

②直流電機伺服驅動系統

③交流電機伺服驅動系統

④直線電機伺服驅動系統第三節數控機床的伺服驅動系統22（2）伺服驅動系統的分類●數控機床主運動系統和進給運控系統

數控機床的主運動以調速控制為主，調速控制的控制量一經給定基本不變，基本上是一個恒值控制系統。只有在自動換刀、加工螺紋等的時侯，需要主軸準確停止在某一固定角度，進行簡單的位置控制。數控機床進給運動是使進給軸產生一定的位置變換，控制量是數控裝置插補發出的直線位移或轉角位移，輸入量實時周期性地不斷變化，要求輸出量快速準確的跟隨輸入量的變化而變化，是一個位置隨動系統，它的控制要求高，難度大。第三節數控機床的伺服驅動系統233.2數控機床的調速控制●現代數控機床主運動系統中，廣泛應用交流異步感應電動機進行拖動，它有不同類型的調速方法，其中變壓變頻調速屬于轉差功率不變型調速方法，無論轉速高低，轉差功率基本不變，因此效率高，應用最廣。第三節數控機床的伺服驅動系統243.2數控機床的調速控制（1）變壓變頻調速方法的特性

第三節數控機床的伺服驅動系統25（1）變壓變頻調速方法的特性

第三節數控機床的伺服驅動系統26（1）變壓變頻調速方法的特性●① 基頻以下的恒磁通變頻調速●② 基頻以上的弱磁變頻調速第三節數控機床的伺服驅動系統27（1）變壓變頻調速方法的特性●異步電動機恒壓頻比變頻調速控制時的機械特性曲線基本是平行移動，表示此種方法調速有良好的硬度特性。第三節數控機床的伺服驅動系統28（1）變壓變頻調速方法的特性●① 基頻以下的恒磁通變頻調速●② 基頻以上的弱磁變頻調速第三節數控機床的伺服驅動系統293.2數控機床的調速控制（2）變頻器的基本結構和原理●從整體結構上看，電力電子變壓變頻器可分為交-直-交和交-交兩大類。目前，除了超大功率場合外，都采用交-直-交的形式。●交-交變頻器可將工頻交流直接變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。●交-直-交變壓變頻器先將工頻交流電源通過整流器變換成直流，再通過逆變器變換成可控頻率和電壓的交流。由于有一個“中間直流環節”，所以又稱間接式的變壓變頻器。第三節數控機床的伺服驅動系統30（2）變頻器的基本結構和原理●當前應用最廣的是由電力二極管組成三相橋式不控整流器和由功率開關器件（P-MOSFET，IGBT等）組成的三相橋式脈寬調制（PWM）逆變器，簡稱PWM變壓變頻器。第三節數控機床的伺服驅動系統31（2）變頻器的基本結構和原理●變頻器的控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。第三節數控機床的伺服驅動系統32（2）變頻器的基本結構和原理●目前，變頻器一般采用微處理器控制，多采用數字信號處理器(DSP)進行全數字控制，硬件電路盡可能簡單，主要靠軟件來完成各種功能。●在交流調速領域中，大量的負載如風機、水泵等，對調速要求并不高，使用通用開環的VVVF變頻器完全可以滿足要求。●所謂“通用”一是指可以和通用的籠型異步電機配套使用；二是指具有多種可供選擇的功能，適用于各種不同性質的負載。第三節數控機床的伺服驅動系統333.2數控機床的調速控制（3）正弦波脈寬調制（SPWM）原理●采樣控制理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積，“效果基本相同”是指慣性環節的輸出響應波形基本相同，第三節數控機床的伺服驅動系統34（3）正弦波脈寬調制（SPWM）原理第三節數控機床的伺服驅動系統35（3）正弦波脈寬調制（SPWM）原理●將正弦波半波分成N等份，把它看成由N個等寬不等幅的彼此相連的脈沖所組成。把這N個正弦脈沖都用一個與之面積相等的等幅矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦脈沖的中點重合，就得到圖示的脈沖序列。第三節數控機床的伺服驅動系統36（3）正弦波脈寬調制（SPWM）原理●正弦波脈寬調制（SPWM）就是把一個正弦波分成N個等幅而不等寬的方波脈沖，每個方波的寬度，與其所對應時刻的正弦波的值成正比，這樣就產生了與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波，稱為SPWM波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，也就是說，逆變器輸出脈沖的幅值就是整流器的輸出電壓。第三節數控機床的伺服驅動系統373.2數控機床的調速控制（4）異步電動機矢量控制原理●在20世紀70年代初期，德國西門子公司的F.Blachke等提出的“感應電機磁場定向的控制原理”，美國P.C.Custman與A.A.Clark申請的專利“感應電機定子電壓的坐標變換控制”，這兩項成果奠定了異步電機矢量控制的基礎。●異步電動機所有的矢量，包括磁通勢矢量、磁鏈矢量、電壓矢量、電流矢量等，都在空間以同步轉速旋轉，它們在定子坐標系(靜止系)上的各分量，就是定子繞組上的物理量，都是交流量，控制和計算不方便。第三節數控機床的伺服驅動系統383.2數控機床的調速控制（4）異步電動機矢量控制原理●建立以同步轉速旋轉的坐標系，在該旋轉坐標系上看，電動機各矢量都變成了靜止矢量，它們在旋轉坐標系上的各分量都是直流量●利用從靜止坐標系到旋轉坐標系之間的變換，把定子電流中的勵磁電流分量與轉矩電流分量變成標量獨立開來，進行分別控制。這樣，通過坐標變換重建的電機模型就可等效為一臺直流電動機，從而可像直流電動機那樣進行快速的轉矩和磁通控制，并獲得與直流電動機相類似的控制特性。第三節數控機床的伺服驅動系統393.3數控機床的位置控制（4）異步電動機矢量控制原理●建立以同步轉速旋轉的坐標系，在該旋轉坐標系上看，電動機各矢量都第四節數控機床的PLC控制404.1數控系統中的PLC（1）數控系統中PLC的作用●機床PLC的軟硬件可以完全集成在數控裝置中，集成方案隨著技術的發展而發展，目前通常有內裝型PLC和集成的軟件PLC兩種方式。●內裝式PLC作為數控裝置內部的一個功能模塊，通過內部系統總線與CNC之間交換信息，增強了系統的可靠性和數據交換的速度。第四節數控機床的PLC控制414.1數控系統中的PLC（1）數控系統中PLC的作用●而在一些數控系統中，采用帶有標準化數據接口的集成軟件PLC，帶完整功能的“CNC+集成軟件PLC+軸控制”集成于一個共同的印制電路PC卡上，這是一種低成本的解決方案，獲得了廣泛的使用。●PLC是數控系統為機床制造商提供的一個開放的開發平臺，是數控系統開放性的重要體現。PLC可以與數控系統之間進行數據交換，讀寫數控系統的系統變量，調用NC程序等。第四節數控機床的PLC控制424.1數控系統中的PLC（1）數控系統中PLC的作用

●機床操作面板的控制

●機床外部開關輸入信號

●輸出信號控制

●M、S、T功能實現第四節數控機床的PLC控制434.1數控系統中的PLC（2）數控系統中PLC的信息交換●是指以PLC為中心，在PLC與NCK、HMI、MCP以及機床電氣輸入輸出信號之間的信號傳遞處理過程。●為了便于數據交換，在PLC與NCK、HMI、MCP之間增加了進行信息交換的數據區，這個數據區稱為接口信號。第四節數控機床的PLC控制444.1數控系統中的PLC（2）數控系統中PLC的信息交換●接口信號的地址和內容是數控系統明確定義的，數控系統不同，其接口信號的內容和數量也有所不同●每個接口信號具有方向性，信號的方向決定了該信號的可讀可寫性能，由NCK發給PLC的信息（NCK→PLC）通常表示數控系統的內部狀態，對PLC是只讀的。而PLC發給NCK的信號（PLC→NCK）通常是PLC向數控系統發出的控制請求，,這些信號對PLC是可讀可寫的。第四節數控機床的PLC控制454.2PLC的輸入輸出信號●數控機床機床自動化、智能化程度越高，其輸入輸出的信號就越多。第四節數控機床的PLC控制464.3PLC典型控制功能設計●數控機床電氣設計和調試的第一項工作就是讓機床控制面板的PLC程序生效，并且保證所有與安全功能相關的PLC基本功能正確無誤。●通常需要設計的PLC控制內容有：初始化程序、機床操作面板生效、坐標軸的使能控制（使能、硬限位、參考點）、主軸換擋控制、機床的冷卻、潤滑、機床的液壓卡盤/尾架、機床的排屑控制、自動換刀控制、機床的輔助動作（防護門互鎖、報警燈等）等。第四節數控機床的PLC控制474.3PLC典型控制功能設計（1）初始化功能●僅在首個PLC掃描周期執行一次，程序的主要目的是讓機床的軸倍率修調功能有效，軸位置編碼器有效。同時為安全考慮，快速移動進給率修調有效，空運行時倍率無效。第四節數控機床的PLC控制484.3PLC典型控制功能設計（2）急停控制●急停控制的目的是在緊急情況下，使機床的所有運動部件在最快的時間內制動。通過急停按鈕直接切斷主電源的方法是不正確的，必須在所有運動部件停止后才能切斷主電源；另一方面，直接斷電不符合伺服驅動系統斷電時序的要求，可能導致伺服驅動器的硬件故障。●一般來說，急停按鈕沒有按下，則PLC給出NCReady（driveenable）信號；如果急停按鈕被按下，則PLC向NC發出急停請求，并產生急停報警。第四節數控機床的PLC控制494.3PLC典型控制功能設計（3）MCP面板控制●MCP面板控制程序的功能是將MCP面板和HMI接口信號送到NCK接口，以激活操作模式和控制序列，同時，NC會通過接口信號將系統的實際狀態反饋到PLC。第四節數控機床的PLC控制504.3PLC典型控制功能設計（3）MCP面板控制●是將MCP面板和HMI接口信號送到NCK接口，以激活操作模式和控制序列，同時，NC會通過接口信號將系統的實際狀態反饋到PLC。（4）軸控制功能●控制驅動器脈沖使能和控制器使能，并監控硬限位和參考點開關的信號。（5）冷卻液控制●冷卻液的手動控制是指在手動方式下，按下MCP面板上的冷卻液按鍵，冷卻液打開，同時面板上的冷卻指示燈亮；再按一下該按鈕，冷卻液關閉，指示燈熄滅。第四節數控機床的PLC控制51（5）冷卻液控制●冷卻液的自動控制是指在自動方式下，通過NC程序中的輔助功能指令M07/M08/M09控制冷卻啟動或停止。●異常情況處理包括：機床運行過程中，如有急停、復位命令發生、程序停止M02/M30，或機床工作在程序測試模式下，則不運行冷卻系統。●冷卻泵過載、冷卻液液位過低時，應在顯示器上顯示報警，并停止冷卻。第四節數控機床的PLC控制52（6）導軌潤滑控制●可按設定的時間間隔，同時對所有的坐標軸進行潤滑。有些數控機床采用按坐標軸移動距離的潤滑模式，當某個軸所設定的潤滑距離到達后，對該軸進行潤滑。●機床每次上電時自動啟動一次潤滑，正常情況下按規定的時間間隔周期性潤滑。操作者也可以根據實際需要，通過機床操作面板的潤滑按鍵，進行手動潤滑控制。第四節數控機床的PLC控制53（7）換刀控制●簡易四工位刀架電機為普通三相異步電機，通過蝸輪蝸桿傳動，只能單方向換刀，電機正轉為尋找刀具換刀，反轉為鎖緊定位。采用霍爾元件檢測刀位信號。●手動換刀控制是指手動方式下，按下機床控制面板上的“手動換刀”鍵，啟動手動換刀，按動一次按鍵可以換至相鄰的一個刀具。●自控換刀控制過程如下：當NCK執行到加工指令T××時，NCK將“T功能改變”的接口信號置為有效，意為告訴PLC更改T功能，并且把T指令后的編程刀號譯碼后存放在相應的接口寄存器中。第四節數控機床的PLC控制54（7）換刀控制●當PLC應用程序由上述接口信號或從機床控制面板得到換刀指令后，控制刀架電機正轉，同時通過PLC的數字輸入監控刀架的實際位置，如果刀架的實際位置等于指令刀具的位置，控制刀架電機反轉，并啟動延時控制。延時時間到達后，反轉停止，換刀過程結束。●在急停或程序測試生效等情況下，換刀被禁止。第四節數控機床的PLC控制55總結：●機床PLC應用程序應采用模塊化、結構化編程，主程序通過調用各功能子程序實現整個數控機床PLC程序的控制任務。模塊化編程其程序結構明確、層次清晰，程序更容易理解，可讀性更好；子程序只有在調用時才會處理其代碼，縮短了掃描周期；有利于對常用功能進行標準化，減少重復勞動；各子程序可以分別測試，程序的查錯、修改和調試都更容易；而且也易于PLC應用程序的管理。●數控系統廠家還用戶提供了一些機床控制專用的功能指令或功能子程序，來滿足數控機床控制的特殊要求。機床制造廠只需將這些子程序根據需要進行組合，就可以快速建立一個新的PLC應用程序。第五節數控機床電氣控制線路565.1電氣控制系統的組成數控機床采用了CNC控制技術、交流調速技術以及PLC控制技術，其電氣控制系統的部件組成包括數控系統、伺服驅動系統、PLC輸入/輸出裝置、機床控制面板等組成。數控機床電氣原理圖主要包括主電路、控制電路、數控系統裝置、伺服系統、PLC相關電路。（1）主回路電路圖

●主回路通常又分為機床總電源主回路（熔斷器、隔離開關、總開關等）；

●主軸/進給驅動器的強電電源以及DC2V4控制電源回路；●各輔助交流電機（刀架電機、冷卻電機、潤滑電機等）主回路。第五節數控機床電氣控制線路575.1電氣控制系統的組成（2）控制回路電路圖

指接觸器線圈、繼電器線圈、電磁閥線圈或其他執行電器的工作電路，以及機床設備的起、停、急停等控制回路。（3）數控裝置電路圖

指的是數控裝置各接口與外圍部件或信號的連接。數控裝置的接口通常包括數控裝置之間或者數控裝置與上位計算機之間的通訊接口、數控裝置與下位執行器之間的總線通訊接口、數控裝置與I/O裝置之間的總線通訊接口、快速IO接口、數控裝置電源接口等。第五節數控機床電氣控制線路585.1電氣控制系統的組成（4）伺服驅動裝置電路圖主要包括其與CNC裝置之間的實時總線通訊連接、與電動機的連接、速度及位置信號的反饋輸入連接、強電電源以及自身控制電源的連接等。（5）PLC輸入、輸出接口電路圖主要包括機床側傳感器的輸入信號的連接，刀架、冷卻、潤滑等輔助功能的控制輸出電路。第五節數控機床電氣控制線路595.2主電路及電源電路（1）數控機床總電源電路●為數控機床總的電源引入;●通常包括隔離開關和總電源開關;●隔離開關通常采用組合開關，用于為設備提供電氣隔離斷點，不帶載接通和分斷電路。注意，隔離開關不起過載和短路保護作用。●總電源開關通常采用帶漏電保護的斷路器，不僅是設備的總電源開關，還對設備總電源電路起著過載、過電流及短路保護。第五節數控機床電氣控制線路605.2主電路及電源電路（2）電動機主回路●數控機床是多電機拖動系統，不同的運動軸數和自動輔助功能意味著不同的電動機或其他執行電器的數量。最基本的數控機床都包含主軸電機、進給軸電機，以及刀架（刀庫）電機、冷卻電機、潤滑電機等。●各個電動機的控制要求及傳動方式不同。例如，冷卻泵電機由PLC進行手動和自動的起停控制；刀架（刀庫）電機由PLC進行正反轉的控制；而主軸和進給軸電機都需要調速及連續的位置控制，需要有變頻器或伺服放大器組成運動閉環控制對其速度和位置進行高速高精的調節和控制，不同的運行要求，對應不同的主電路和控制電路的設計和連接。第五節數控機床電氣控制線路615.2主電路及電源電路（2）電動機主回路●輔助功能電動機的主電路見圖5-37所示。第五節數控機床電氣控制線路625.2主電路及電源電路（3）驅動系統的電源電路●驅動系統主電源通常采用三相交流電源供電，供電電壓為380VAC或220VAC。變頻器/伺服驅動器運行時會對三相進線回路上的電氣部件以及供電電網產生很強的高次諸波干擾，所以要求在驅動器進線端配備平波電抗器，如果在三相回路上具有敏感電氣部件，或在車間內有其他敏感設備與數控機床共用同一路三相供電系統時，建議在主電源開關與電抗器之間配備濾波器，減小驅動系統在運行時對三相供電系統產生的高次諧波干擾。第五節數控機床電氣控制線路635.2主電路及電源電路（3）驅動系統的電源電路第五節數控機床電氣控制線路645.2主電路及電源電路（4）直流控制電源●數控裝置采用24V直流供電，數控系統中需直流24V供電部件通常有數控裝置、人機界面、機床控制面板、驅動系統控制電源、數字輸入輸出模塊等。●在數控機床電氣設計時，要根據數控系統中各部件的功耗指標和所需的供電電流指標來選擇24V直流穩壓電源的容量。數控系統中各部件的功耗指標可以從數控系統相關手冊中查得。第五節數控機床電氣控制線路655.2主電路及電源電路（4）直流控制電源第五節