数控机床及应用幻灯片第五章

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1、第章 数控机床信号传递及连接,51 数控机床信号传递概述 52 可编程控制器及连接 53 变频器控制及连接 54 数控系统与各控制单元的连接 学习目标 本章小结 思考题与习题,学习目标,掌握数控机床各组成部分之间的信号传递及其联接,图5-1 典型开关量I/O模板的电路框图,STD信号 IORQ*I/O地址选通 WR*写存储器或I/O IOEXPI/O扩展 SYSRESET系统复位 *表示低电平有效,图5-2 光电编码器与数控装置的连接,图5-3 PLC基本组成框图,图5-4 PLC在数控机床中的配置形式,图5-5 数控系统中PLC与CNC装置的连接,图5-6 内装型PLC的CNC系统,图5-8

2、独立型PLC的CNC系统,图5-7 SINUMERIK 810数控系统的I/O模块,图5-9 T功能处理框图,图5-10 两种类型的变频器,a)交-交变频器 b)交-直-交变频器,图5-11 电压型变频调速系统原理框图,图5-12典型的电流型变频器 控制系统框图,图5-13 PWM交-直-交变频器示意图,图5-14 与正弦波等效的SPWM波形,a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形,图5-15 三相SPWM控制电路原理框图,图5-16 SPWM变频器主电路 原理与电动机线电压波形,a)原理图 b) 线电压波形图,图5-17 数字控制的开环变频 调速系统框图,图5-18 FANUC数控系统总

3、体 连接框图,图5-19 0i系列-机床操作面板的信号示意图,图5-20 主控制信号,图5-21 标准机床操作面板的 外观前视图,图5-22 使用机床操作面板的 后视图,图5-23 FANUC 直流主轴电动机 驱动控制示意图,图5-24 三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统主电路,a)主电路 b)主电路简图,图5-25 四象限运行,图5-26 6SC650系列交流主轴驱动装置原理图,图5-27 6SC650系列主轴 驱动系统组成,图5-28 主轴分段无级变速控制结构,图5-29 自动变速动作控制时序,图5-30 磁性传感器主轴准停装置,1磁传感器 2发磁体 3主轴 4支架 5主轴箱 6、主轴

4、驱动与CNC的信号连接,图5-31安川YASKAWA VS-626MT外部连线图,图5-32内部原理图,图5-33主轴伺服系统的连接,图5-34 S系列进给伺服系统的连接方法,51 数控机床信号传递概述,数控装置协调各种设备按要求工作，是数控机床能够正常运行的基础，数控机床的接口就是这种协调工作的重要保证，其主要是解决数控装置间信息交换或与数控装置外的信号交换过程，其实现的方法包括电气联接和软件的协调管理。数控机床信号传递主要是通过此接口来实现的。 1、信号的分类 2、接口的分类规范 3、数控机床的输入/输出接口 4、数控机床的输入输出信号 5、数控机床各单元的信号传递,1、信号的分类,从数控

5、机床信号传递来看，主要有两类： 一类是单台机床内部各种部件之间的信号传递；控制机床坐标轴实时运动的相关信号，它由数控装置将控制信号传递给对应的驱动装置（伺服或变频），由驱动装置控制相应的电动机旋转；机床运行前后，数控装置对机床上各种开关信号的处理，包括主轴、冷却液启停等机床按钮和各行程开关信号等。 另一类是机床与机床之间或机床与数控装置之间的信号传递。主要是指数控系统之间通信，包括RS-232C通信和调制解调器等通信方式。,2、接口的分类规范,根据国际标准“ISO4336-1981（E）机床数字控制数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：如图2-7所示。 与驱动命令

6、有关的连接电路（动力驱动的联接）； 数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路； 电源及保护电路； 通/断信号和代码信号连接电路。,图2-7 数控装置、控制设备和机床之间的连接,3、数控机床的输入/输出接口,输入信号：对CNC装置来说，由机床向CNC传送的信号。 输出信号：由CNC向机床传送的信号 不同的输入/输出设备与CNC系统相联接，采用与其相应的I/O接口电路和接口芯片。 接口芯片一般分为专用芯片和通用芯片。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T

7、TL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

8、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

9、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

10、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

11、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（Programmable Logic Controller，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

12、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

13、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

14、床中的配置形式,图5-4 PLC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

15、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PLCCNC PLC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

16、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CPU 3）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SINUMERIK 810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，