1、数控机床系统连接与调试习题答案项目 1 数控机床的认知任务 1.1 FANUC 数控机床认知1、归纳总结机床的产生发展史。（1）数控技术发展的原因客观：计算机、电子技术发展主观： 战争需要（2）数控机床的发展概括为五代两个阶段： 第一阶段：硬线数控阶段（1952 年1970 年）第一代：1952 年，美国麻省理工学院研制，电子管控制的第一台三坐标联动的铣床； 第二代：1959 年，出现了晶体管控制的“加工中心”；第三代：1965 年，出现了小规模集成电路，使数控系统的可靠性得到了进一步的提高； 以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统，称为普通数控系统，即 NC 系统。第四代： 196
2、7 年以计算机作为控制单元的数控制系统，称之为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)。第二阶段：计算机数控阶段（1970 年今）第五代：1970 年，美国英特尔开发使用了微处理器，从此数控机床真正成为 CNC 系统。2、熟悉数控系统维护的要点。（1）日检查要点1）接通电源前的检查2）接通电源后检查3）机床运转后的检查（2）月检查要点1）检查主轴的运转情况。2）检查 X、Z 轴行程限位开关、各急停开关动作是否正常。3）检查 X、Z 轴的滚珠丝杠。4）检查回转刀架的润滑状态是否良好5）检查导套装置6）检查并清理冷却槽内的切屑。7）检查润滑装置8）检查液压装
3、置（3）六个月检查要点1）检查主轴2）检查刀架。3）检查各插头、插座、电缆、各继电器的触点是否接触良好；检查各印刷电路板是否干净；检查主电源变压器、各电机的绝缘电阻（应在 1M以上）。4）检查润滑泵装置浮子开关的动作状况。5）检查导套装置。6）检查断电后保存机床参数、工作程序用后备电池的电压值，视情况予以更换。（4）数控系统的日常维护1）机床电气柜的散热通风2）尽量少开电气控制柜门3）支持电池的定期更换4）备用印制线路板的定期通电5）数控系统长期不用时的保养3、总结半闭环、全闭环、开环的特点。（1）半闭环数控机床半闭环控制的系统检测元件装在驱动电机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置
4、或位移。控制系统的调试十分方便，可以获得稳定的控制特性；可以获得比较满意的精度与速度；位移精度比闭环系统的要低。（2）闭环数控机床闭环控制的系统位置检测装置安装在进给系统末段端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。机床精度高，速度快，驱动功率大，但是价格昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试困难，设计和调整得不好，很容易造成系统的不稳定。（3）开环数控机床开环控制的系统，其数控装置发出的指令信号是单向的，没有检测反馈装置。结构简单、价格低廉、调试方便；当输入的频率较高时，容易产生失步，难以
5、实现运动部件的控制，因此已不能充分满足数控机床日益提高功率、运动速度和加工精度的控制要求。任务 1.2 数控系统认知及面板操作1、 通过网络资料学习数控机床的产生、发展及现状。1948 年，美国帕森斯公司(ParsonsCorporaton)在研制加工直升机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备（机床）时，由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出了应用电子计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来在美国空军的资助下， 1949 年，帕森斯公司在麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下合作进行研制。1952 年研制出世界上第一台三坐标立式数控机床。从此机床行业，乃至整个制造业和相
6、关产业进入了一个新的发展阶段。数控机床的产生和发展概括为五代两个阶段： 第一阶段：硬线数控阶段（1952 年1970 年）第一代：1952 年，美国麻省理工学院研制，电子管控制的第一台三坐标联动的铣床； 第二代：1959 年，出现了晶体管控制的“加工中心”；第三代：1965 年，出现了小规模集成电路，使数控系统的可靠性得到了进一步的提高； 以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑数控系统，称为普通数控系统，即 NC 系统。第四代： 1967 年以计算机作为控制单元的数控制系统，称之为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)。第二阶段：计算机数控阶段（19
7、70 年今）第五代：1970 年，美国英特尔开发使用了微处理器，从此数控机床真正成为 CNC 系统。随之制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代化设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。2、总结数控机床的组成和各个部分的作用。数控机床一般由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动系统、测量反馈装置和机械部件组成：（1）输入/输出装置1）操作面板，是操作人员与数控装置进行信息交流的工具，主要由按钮、状态灯、按键阵列等组成。2）人机交互设备，具有人机联系功能的设备统称人机交互设备。（2）数控装置：数控机床的控制核心，主要由 CPU、存储器、数字伺服控制
8、卡、主板（包括 I/O LINK、数字主轴、模拟主轴、通信接口、MDI 接口等）、显示控制卡以及相应的控制软件等组成。数控装置的作用是根据输入的零件加工程序进行相应的运算、处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和 PLC 等）。（3）伺服驱动系统：由伺服控制电路、伺服放大器和伺服电动机组成。伺服驱动的作用，是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，从而加工出符合图样要求的工件。即把数控装置送来的微弱指令信号， 放大成能驱动伺服电动机的大功率信号。（4）PLC、机床 I/O 电路和装置：
9、配套部件，包括液压装置、气动装置、冷却系统、润滑系统和自动清屑器等。项目 2 数控机床电气控制认知 任务 2.1 数控机床常用电气元件认知 1、归纳总结机床电气控制中所涉及的电器元件的图形和文字符号。略2、利用万用表检测数控机床低压电器元件的好坏。略任务 2.2 数控机床电气原理图识读1、查找资料，学习电气原理图的标准和规范。略任务 2.4 上电过程检查1、归纳总结数控机床上电前检查的步骤与注意事项。（1）测量电源相阻值及对地电阻 （2）检查空气开关 （3）检查各个负载回路 （4）变压器检查 （5）检查伺服供电回路 （6）检查 24V 供电模块 2、总结数控机床中用到的变压器的种类及作用。种类
10、：伺服变压器和控制变压器作用：伺服变压器：将 3 相 380V 变成伺服驱动单元所需要的电压。控制变压器：提供所需要的电源电压。如为交流接触器线圈或电磁阀提供 110V 或 127V 电压，为照明灯提供 36V 安全电压等。总而言之，只要是特殊电源（非 220V 和 380V），都需要变压器变压提供。3、数控机床变压器如何选型?选择变压器的额定电压，高压侧电压与所接入电网电压相等，低压侧电压比低压侧电网电压高 10%到 5%；选择变压器容量，比实际负荷大一些；选择变压器型号。项目 3 FANUC 数控机床硬件连接任务 3.1 FANUC 数控装置接口及外围连接1、归纳总结 FANUC 数控装置
11、产品主要规格型号。FANUC 数控装置产品主要规格型号：FS15i、FS16i、FS18i、FS0-C、FS21i、FS0i-A/B/C、FS0i Mate、Power。其中 FANUC 0i 系列产品应用较为广泛。2、总结数控机床 CNC 控制器的结构和功能。数控装置（简称CNC 装置）是数控机床的控制核心，主要由 CPU、存储器、数字伺服控制卡、主板（包括 I/O LINK、数字主轴、模拟主轴、通信接口、MDI 接口等）、显示控制卡以及相应的控制软件等组成。作用是根据输入的零件加工程序进行相应的运算、处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱
12、动装置和 PLC 等）。任务 3.2 FANUC 0iD/F CNC 与主轴驱动部件硬件连接1、描述数控机床模拟主轴和串行主轴的含义。模拟主轴也称变频主轴，其控制对象是数控系统 JA40 口输出 0-10V 的电压给变频器， 实现主轴电机速度的控制，多用于数控车床。串行主轴：在 FANUC 0i 系列数控系统中，FANUC CNC 控制器与 FANUC 主轴伺服放大器之间数据控制和信息反馈采用串行通信进行。2、设置数控机床为模拟主轴和串行主轴需要更改哪些参数?下列参数：3717、3718、3720、3730、3735、3736、37413772、8133#5、3105#0、3105#2、310
13、6#5、3108#7、3708#03706#6、#3716任务 3.3 FANUC 数控系统与进给伺服放大器硬件的连接1、总结伺服放大器的种类和功能。种类：常用的伺服放大器有：系列、i 系列、系列、i 系列功能：将弱电信号放大成强电信号，来控制执行器。2、分析急停控制的原理。急停控制回路一般有两个部分构成，一个是 PMC 急停控制信号 X8.4；另一路是伺服放大器的 ESP 端子，这两个部分中任意一个断开就出现报警，ESP 断开出现SV401 报警，X8.4 断开出现ESP 报警。但这两个部分全部是通过一个元件来处理的，就是急停继电器。任务 3.4 FANUC I/O 模块和模块地址设定1、以
14、数控系统为核心，绘制数控机床硬线连接图略项目 4 数控机床的数据传输任务 4.1 使用 CF 卡进行数据备份与回装1、总结利用 CF 卡进行数控机床系统参数数据的备份和还原的步骤。修改#20 参数为 4，选择编辑方式；在机床操作面板上选择方式为 EDIT（编辑）；依次按下功能键【系统】和软键【参数】备份：按下操作面板“SYSTEM”键“操作”软键按两下“+”软键按“F 输出” 软键选择“全部”或“样品”（软键）还原：按下操作面板“SYSTEM”键“操作”软键按两下“+”软键选择“F 输入”“执行”。2、总结利用 CF 卡进行数控机床 PMC 参数数据的备份和还原的步骤。按下操作面板”SYSTE
15、M”键按两下“+”软键选择“PMC MNT”“I/O”在界面中选择： 备份步骤：装置=储存卡功能=写数据类型=参数按软键文件名，按软键执行 还原步骤：装置=储存卡功能=读数据类型=空白（无法选）文件号=1（选择 CF 卡中文件序号） 文件名=与文件序号一致的文件名 按软键执行任务 4.2 通过以太网方式进行数据备份与恢复1、总结以太网进行数控机床数据的备份和还原的步骤。略项目 5 FANUC 数控机床回零、限位与急停控制任务 5.1 数控机床回零控制1、完成数控机床无挡块方式参考点的设置。 发那科系统参考点的定义原理： 数控机床坐标系是机床固有的坐标系统，机床坐标系原点 M 是机床上一个固定点
16、。机床参考点 R 是由机床制造厂家定义的另一个点，R 和 M 的坐标位置关系是固定的，其位置参数存放在数控系统中，当通过回参考点方式找到了机床参考点，也就间接找到了机床坐标系原点。 2、总结数控机床无挡块方式参考点的设置步骤。 FANUC 系统i 设定无挡块回参考点的步骤： 1、先将#1815 中的 APC 和 APZ 设 0； 2、关机后再开机，手轮摇至参考点； 3、再将#1815 中的 APZ 设 1，再看机械零位是否为零，是的话将 APC 设 1，即可。 任务 5.2 数控机床的限位控制 1、设置数控机床的软限位。软件超程是指机床运动坐标值超过系统参数设定的存储行程极限值的报警。FANU
17、C 0i 系统参数“1320为各轴正向存储行程极限值参数；参数“132l为各轴负向存储行程极限值参数。如果按图所示设定存储行程极限坐标值，就直接把 A、B 值转换为系统的检测单位后分别输人到系统参数“1320”和“1321中的相应位置即可。2、数控机床软限位设置成功后，摇手轮验证软限位是否起作用?当机床运动坐标值（摇手轮）超过系统存储行程极限值时系统就会产生软件超程报警， 正向超程时系统发出 500 号报警，负向超程时系统发出 501 号报警。此时可将工作模式调至手动连续进给方式“JOG，按下超程报警轴的反向按钮开关，使机床反方向退出超程范围， 然后按下系统复位键【RESET】使系统复位，多数
18、情况下可解除此类机床超程故障。如果 按下反向键时机床不移动，系统处于死机状态，那么就应该首先将参数“1320设定为“99 999999，参数“1321”设定为“-99 999 999，然后系统断电后重新通电进行机床返回参考点操作，最后将参数“1320”和“1321改回为原始值；如果机床仍然出现超程报警或系统死机现象，则需要把系统参数全部清除并重新恢复。任务 5.3 数控机床急停控制 1、进入 PMC 维护画面，诊断 X8.4 的信号状态，如下图 5-18 所示。 图 5-18 PMC 维护程序当机床出现急停状态时，通常在系统面上显示“EMG”“ALM”报警。点击 MDI 键盘system 按钮
19、选择进入PMC 地址界面。2、选择题1）数控机床工时，当发生任何异常现象需要紧急处理时应启动（单选）( C )A 程序停止功能 B 暂停功能 C 急停功能 D 复位功能2）急停按钮通常链接（单选）( B )A 常开触点 B 常闭触点3）机床使用过程中急停，MCC 即断开，伺服即断电，这种说法对还是错？（单选）( A )A 对B 错4）机床使用过程中急停，电机抱闸（单选）( B )A 松开 B 抱紧 C 保持原来状态5）iSVSP 伺服放大器的 CX4 端子负责（单选）( D )A 接通主接触器 B 连接备份电池 C 检测有无急停输入 D 连接控制电源3、根据下列提示，总结急停状态无法解除的原因
20、及解决方法。原因：急停开关故障；急停用继电器绕组故障；急停用继电器开闭点故障；查看 G8.4是否有其他条件没有满足。解决方法：查看 PLC 输入点状态，急停开关打开或者复位，X8.4 是否有变化；使用万用表检查急停部分线路连接状况。急停开关故障：查看 PLC 输入点状态，急停开关打开或者复位，X8.4 是否有变化。急停用继电器绕组故障：查看 PLC 输入点状态，急停开关打开或者复位，X8.4 是否有变化。急停用继电器开闭点故障：查看PLC 输入点状态，急停开关打开或者复位，X8.4 是否有变化。查看G8.4 是否有其他条件没有满足：使用万用表检查急停部分线路连接状况，检查PMC程序。项目 6
21、数控机床主轴系统的调试与维修 任务 6.1 数控机床主轴的维护与保养 1、分析数控车床主轴部件结构及拆装顺序： 切断机床动力电源，拆下图 6-15 中未标出的关联部件； 拆下电动机带轮、传送带及键； 拆下主轴脉冲编码器； 拆下同步带轮； 拆下主轴后支承处轴向定位螺钉； 拆下主轴前支承套螺钉； 拆下主轴部件； 拆下圆往滚子轴承、定位盘及油封； 拆下螺母； 1-同步带轮；2-带轮；3，7，8，10-螺母； 4-主轴脉冲发生器； 5-螺钉；6-支架； 9-主轴；12-角接触球轴承； 13-前端盖； 14 前支承套； 15-圆柱滚子轴承图 6-15 CK7815 型数控车床主轴部件结构图 拆下主轴及前
22、端盖; 拆下角接触球轴承及前支承。 (2)分析数控铣床主轴部件结构及拆装顺序: 切断机床动力电源，拆下图 6-16 中未标出的关联部件，拆下主轴电动机等线路、拆下电动机法兰盘; 拆下主轴电动机花键套; 拆下罩壳、拆下丝杠螺钉; 拆下螺母支承和主轴套筒的连接螺钉; 拆下同步带、定位销; 拆下主轴部件; 拆下主轴前端法兰和油封; 拆下主轴套筒; 拆下圆螺母; 拆下前后轴承和轴承隔套; 拆下快轴轴轴。 参考答案： （1）整个过程应在 1 小时内完成。 （2）安全规范和卫生考核占分比 30%。 2、总结数控机床主轴轴承的支撑方式，研究轴承的类型和组合使用情况。 1-角接触球轴承； 2，3-轴承隔套；
23、4，9-圆螺母； 5-主轴； 6-主轴套筒； 7-丝杠螺母； 8-深沟球轴承；10-螺母支架； 11-花键套； 12-脉冲编码器； 13，15-同步带轮； 14-同步带； 16-伺服电动机； 17-丝杠； 18-快换夹头； 图 6-16 NT-J320A 数控铣床主轴部件结构图 数控机床主轴常见的支承方式有三种。 (1)前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。此配置可提高主轴的综合刚度，可满足强力切削的要求，普遍用于各类数控机床主轴。 (2)前支承采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性.主轴最高转速可达 4 000 r/
24、min，但它的承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。 (3)前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承。轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷， 尤其是可承受较强的动载荷,安装、调整性能好，但这种支承方式限制了主轴转速和精度， 所以适用于中等精度、低速重载的数控机床的主轴。 前轴承采用一组角接触球轴承，用以承受径向力和轴向力，后轴承为一个双排滚柱轴承进行辅助支承，主轴轴承均带有适宜的预紧力，具有很高的刚度和精度。 任务 6.2 变频主轴调试与维修 1.硬件连接。变频器控制数控机床主轴的硬件链接，包括主轴速度给定端、主轴正反转控制端、变频器报警输出端。参考答案：FANUC 数控系统主轴控制可分为
25、主轴串行输出和主轴模拟输出两种。用模拟量控制的主轴驱动单元（如变频器）和电动机称为模拟主轴，主轴模拟输出接口只能控制一个模拟主轴。按串行方式传送数据（CNC 给主轴电动机的指令）的接口称为串行输出接口，主轴串行输出接口能够控制两个串行主轴，但必须使用 FANUC 的主轴驱动单元和电动机。图 6-18 变频主轴硬件连接图图 6-19 CNC 接口与主轴部件连接2.变频器及数控装置主要参数设置。根据要求充分理解变频器的参数设置，同时掌握 FANUC 系统参数含义。参考答案：（1）操作模式选择（Pr79）。Pr79=0，电源投入时为外部操作模式。Pr79=1，PU 操作模式，用操作面板、参数单元键进
26、行数字设定。Pr79=2，外部操作模式，启动需要来自外部的信号。Pr79=3，外部/PU 组合操作模式 1。Pr79=4，外部/PU 组合操作模式 2。Pr79=5，无。Pr79=6，切换模式，在运行状态下，进行 PU 操作和外部操作的切换。Pr79=7，外部操作模式(PU 操作互锁）。（2）模拟主轴时设定的参数。1）上限频率（Pr1）。2）下限频率（Pr2）。3）基准频率（Pr3）。4）加速时间（Pr7）。加速时间是指变频器启动后，从启动频率（可以通过 P13 设置） 到达设置频率值的时间，这个时间的出厂设置值为 5s。许多情况下电动机启动时发生因启动电流过大而跳闸的故障可以通过延长这个加速
27、时间而解决。5）减速时间（Pr8）。有加速时间与减速时间的启动称为软启动。减速时间的设定要根据设备的工艺要求来定，出厂值设为 5s。6）电子过流保护（Pr9）。设定电动机的额定电流。7）适用负荷选择（Pr14）。8）最高上限频率（Pr18）。9）基准频率电压（Pr19）。10）适用电动机（Pr71）。选择 0 时是适合标准电动机热特性。11）模拟量输入选择（Pr73）。参数为“0”时表示为 010V，参数为“1”时表示为05V（此选项极性不可逆），参数为“10”时表示 010V,参数为“11”时表示 05V（此选项极性可逆）。（3）在使用变频器控制主轴时，需对 STF 和 STR 端子的功能进
28、行分配，输入端子功能分配参数设置如表 6-2。3.主轴常见故障的维修。对变频主轴的故障要从软件和硬件方面有一定的分析、维修思路。参考答案：故障 1：CJK6032 数控车床主轴不转 （1）维修前调查，如表 6-5。 （2）故障原因分析，如表 6-6。 （3）维修流程。根据主轴结构、相关电路原理图及参数，维修流程如图 6-21。 故障 2：主轴转速慢故障分析如表 6-7。 故障 3：不执行螺纹加工 控车床加工螺纹，其实质是主轴的转角与 Z 轴进给之间进行的插补。主轴的角度位移是通过主轴编码器进行测量。在本机床上，由于主轴能正常旋转与变速，分析故障原因可能有以下几种。 （1）主轴编码器与主轴驱动器
29、之间连接不良 （2）株洲编码器故障。 （3）主轴驱动器与数控装置之间的位置反馈信号电缆连接不良。 （4）主轴编码器方向设置错误。 故障 4：螺纹或攻螺纹加工出现“乱牙” 控车床加工螺纹，其实质是主轴角位移与 Z 轴进给之间进行插补，“乱牙”是由于主轴与 Z 轴进给不能实现同步引起的。主轴的角位移是通过主轴编码器进行测量的。一般螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进给动作，要执行没转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号。 根据 CRT 画面有报警显示确认是“乱牙”现象（具体报警为：主轴转速与进给不匹配）： 通过 CRT 调用机床数据或 I/O 状态，观察编码器的信号状态；再用每分钟进给指令代
30、替没转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。“乱牙”现象可能原因及排除方法如表 6-8 所示。 任务 6.3 串行数字主轴的调试与维修 总结 FANUC 0i D 数控系统串行主轴设置需要的参数参考答案：表 6-13 串行主轴相关参数参数号符号意义备注8133#5使用串行主轴03701/1ISI03701/4SS2设置路径内的主轴数03708/0SAR检查主轴速度到达信号03708/1SAT螺纹切削开始检查 SAR03716主轴电动机种类03717各主轴的主轴放大器号13718显示下标803720主轴编码器数3735主轴电动机最低钳制速度（M 系）03736主轴电动机最高钳制速度（M 系）14003741第一档主轴最高速度3742第二档主轴最高速度3743第三档主轴最高速度3744第四档主轴最高速度3751第一档至第二档的切换速度3752第二档至第三档的切换速度4019/7主轴电动机初始化04133主轴电动机代码3772主轴最大速度4020主轴电机最高速度4031主轴定向角度（定向角、360）x40964038主轴定向速度
