1、华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试华中21T综合实验台数控车床的电气设计与调试 【摘要】电子技术的发展以及国内数控装置的发展使得数控装置的价格走低,特别是经济型数控车系统的价格已经是到达了它的最低点。经济型数控车床在中国的机械加工行业中得到了迅速普及,使得我国机械加工水平无论在加工质量方面还是在加工效率方面也得到了迅速提高。但是随着机床使用时间的延长,数控机床会出现这样或那样的故障,本文就以经济型数控机床的常见故障为例,谈了一些解决的办法。【关键词】 数控车床 伺服系统目录1数控系统的组成及常用部件 71.1数控系统综合实训台的组成结构及其组成 71.2实训台的主要组成部件 81.3
2、实训台的主要功能 82.数控系统的连接与调试 82.1组成电气控制电路的基本电路 82.2.电器施工配线技术 82.3控制系统的连接 92.4数控系统的调试 92.5数控系统连接故障设置 103数控装置的接口 123.1数控装置各接口及管脚定义 123.2输入输出装置及其相关参数 134.数控系统的进给驱动系统 134.1步进发动机驱动的进给系统 134.1.1步进发动机的工作原理 134.1.2步进电机控制系统的主要故障及诊断 134.1.3 步进电动机故障设置： 144.2交流伺服电动机的进给驱动 154.2.1交流伺服系统的组成 154.2.2交流伺服系统的主要报警内容 154.2.3交
3、流伺服驱动系统的主要故障： 164.2.4交流驱动器的故障的设置： 185 主轴单元的调试及使用 195.1数控机床主轴控制系统简介 195.1.1主轴驱动变速 195.1.2对主传动系统的要求 195.1.3主轴调速的意义 195.1.4主轴调速的主要指标 195.1.5变频器的基本原理及连接 205.2变频器面板按键的定义及功能参数 205.2.1变频器的按键定义 205.2.2变频器主要报警装置及其故障诊断 205.3主轴单元常见故障 215.4变频器的调节方式： 235.5变频器与三相异步电动机常见故障的设置 236换刀机构故障的检测与排除 246.1刀架的基本组成及工作原理 246.
4、2刀架及换刀常见的故障 24结束语 26谢 辞 27参考文献 281数控系统的组成及常用部件1.1数控系统综合实训台的组成结构及其组成数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床，它是数控技术的典型应用。它将普通机床加工中需要人工完成的部分工作，包括机床加工过程中切削速度、进给速度、进刀量等工艺参数的控制和加工中需要机床实现的辅助动作：如主轴起停、换刀、冷却液泵开闭、工件夹紧松开等，都由以计算机为核心的控制系统来完成。计算机控制系统是以计算机为核心的数控系统，它是实现数字控制的装置。 1.计算机控制装置（CNC装置）控制面板数控装置的接口数控装置的辅助部件2.伺服单元步
5、进驱动单元交流伺服驱动单元变频主轴单元3.驱动装置4.可编程逻辑控制器（PLC）5.机床主体6.工作台7.电动刀架1.2实训台的主要组成部件1.HNC-21TF型数控装置2.日立变频器及三相异步电动机3.三洋交流伺服驱动器及交流伺服驱动电动机4.雷塞步进电动机驱动及步进电动机5.工作台6.四工位刀架7.光栅尺8.磁粉制动器9.数控机床常见的电器元件，如低压断路器、接触器、开关电源、变压器、输入/输出转换板等。1.3实训台的主要功能1.掌握数控系统的编程方法2.进行数控系统的电气设计、安装、调试、维修等实际操作。3.掌握数控系统的控制原理、电气原理、电气设计方法、元器件的选用、PLC的调试等。4
6、.掌握数控系统的电器布局、安装及电气调试等方法、5.熟悉数控机床常用的部件，及这些部件的原理、调试方法和常见的故障的维修。2.数控系统的连接与调试2.1组成电气控制电路的基本电路 1.自锁控制2.互锁控制3.顺序联动控制电路2.2.电器施工配线技术1.连线与布局的要求1.所有连线，尤其是保护接地电路的连接应牢固，没有意外松动的危险2.连接方法应与被连接导线的截面积及导线的性质相适应。3.只有专门的设计端子。才允许一个端子连接两根导线或多根导线。4.只有提供的端子适合焊接工艺才允许焊接连接。5.在接线座的端子上应该清楚地做出与电路图一致的标记。6.软导线管与电缆的敷设安放位置应保持干燥，如有液体
7、渗入应自动排除。7.当器件的端子不具备接多股芯线的条件时，应提供拢合绞心束的办法，不允许用焊锡来达到目的。8.屏蔽导线的端接应防止绞合线磨损并应易于拆卸。9.牌标应清晰、耐久，适合实际环境。10.接线座的安装盒接线应保证内部和外部配线不跨越端子。不同电路的导线：黑色：交流和直流动力线红色：交流控制电路蓝色：直流控制电路橙色：由外部电源供电的连锁控制电路2.3控制系统的连接1. 主电源电源回路的连接2. 数控系统与操作面板及刀架的连接3. 数控系统继电器和输入/输出开关量控制接线的连接4. 数控装置和手摇脉冲发生器的连接5. 数控装置和步进驱动器控制线的连接6. 数控系统和主轴驱动器控制线的连接
8、7. 数控系统和伺服驱动器的连接8. 其他控制信号的连接2.4数控系统的调试在连接完所有接线后，对实训台进行调试试验，调试时按如下步骤：1. 线路检查 有强电到弱电，按线路走向顺序检查，用万用表逐步测量。变压器规格和进出线方向的顺序检查主轴电动机、伺服电动机强电电缆的相序正确DC24V电源极性连接正确所有地线都可靠且正确地连接2通电按下急停按钮，断开系统中所有低压断路器合上低压断路器QF1检查变压器TC1电源是否正常合上控制DC24V的低压断路器QF4，检查DC24V电源是否正常，数控装置通电，检查控制面板上的指示灯是否点亮，开关量接线端子和继电器板和继电器的电源指示灯是否点亮。用万用表测量步
9、进驱动直流电源+V和GND两脚之间电压应为35V左右，合上控制步进驱动器直流电源低压断路器QF3。合上低压断路器QF2检查变压器TC1电压是否正常。检查设备用到的其他部分电源是否正常。2. 系统功能检查松开“急停”按钮是系统复位，系统默认进入“手动”方式，软件操作界面的工作方式为“手动”。让X轴、Z轴产生正向或负向连续移动。在手动工作方式下，以低速分别移动X、Y轴，使之超程，仔细观察轴是否立即停止运动，软件操作界面是否出现急停报警。按下“回零”按键，检查、是否回参考点，回参考点后，指示灯应点亮。在手动工作方式下，按下“主轴正传”按键（指示灯亮），主轴电动机以参数设定的转速正转，检查主轴电动机是
10、否运转正常，一次检查主轴反转、主轴停止。在手动工作方式下，按下刀号选择按键，选择所需的刀号，检查转塔刀架转动到位情况。调入或编写一个演示程序自动运行，观察十字工作台运动情况。关机按下控制面板上的“急停”按钮。断开低压短路器QF2、QF3。断开低压断路器QF4。断开低压断路器QF1，断开380V电源。2.5数控系统连接故障设置电源类故障的设置序号故障设置方法故障现象1将实验台的三相电源中的U相去掉（注意安全，不要将电源线裸漏在外面）没有电，所有指示灯都不亮2将实训台的三相电源中的W相去掉没有电，所有指示灯都不亮3主轴部分将主轴电动机电源线去掉一相主轴电机不转将变频器的电源线去掉一相主轴电动机不转
11、将主轴电动机的电源相序任意调换两相电动机运行正常，但是转向相反4进给轴部分将伺服驱动器的电源线去掉一相Z轴伺服报警（42）定位误差过大将伺服电动机的电源线去掉一相电动机不转，伺服C3报警（欠电流报警）将伺服驱动器上面的直流端子去掉报警5刀架类将刀架电动机电源去掉一相，进行换刀操作PLC提示，换刀超时，接触器正常工作将刀架电动机任意交换两相，进行换刀操作PLC提示，换刀超市，（正常换刀顺时针，反转压下锁紧，交换两相后，直接锁紧不动6将24V1电源断开将继电器板的外接24V1 断开急停失效，系统显示“急停”将继电器KA10的线圈上的24V 1断开KA10不工作，Z轴定位误差过大将继电器KA9触点上
12、的24V1断开不能换刀（无反馈）报警换刀超时7将输入接线转接端子的外接24V电源断开一切正常，KA1-KA10指示灯不亮3数控装置的接口3.1数控装置各接口及管脚定义1. 电源接口XS12. PC键盘接口XS23. 以太网接口XS34. 软驱接口XS4 5. RS232接口XS5 （数控装置通过RS232接口与外部计算机连接）6. 远程I/O接口XS67. 手持单元接口XS88. 主轴控制单元XS99. 开关量输入接口XS10、XS1110. 开关量输出接口XS20、XS2111. 进给轴控制接口XS30-XS3312. 串行接口式伺服驱动控制接口XS40-XS43 3.2输入输出装置及其相关
13、参数 I/O端子板 I/O端子板分输入端子板和输出端子板两种，通常作为数控装置的XS10、XS11、XS20、XS21接口的转接单元使用，以方便连接及提高可靠性。 远程I/O端子板 远程I/O端子板分为远程输入端子板和远程输出端子板两种。4.数控系统的进给驱动系统4.1步进发动机驱动的进给系统4.1.1步进发动机的工作原理步进电机是一种能将数字脉冲信号输入转换成物体的旋转增量运动的电磁执行元件。没输入一个脉冲信号，步进电动机转轴步进一个步距角增量。因此，步进电动机能方便的将脉冲信号转换为角位移，具有定位精度好、无漂移和无累积定位误差等优点。它还能跟踪一定频率范围的脉冲序列，可作为同步电动机使用
14、，广泛的应用于各种小型自动化设备及仪器中。步进电动机按产生转矩的方式，可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；根据控制绕组的数量可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；根据电流的极性可分为单极性和双极性步进电动机；根据运动的形式可分为旋转、直线、平面步进电动机。4.1.2步进电机控制系统的主要故障及诊断步进电机控制系统的主要故障及诊断序号故障现象主要原因1电动机不转1.驱动器无直流供电 2.驱动器熔丝熔断 3.驱动器报警（过电压、欠电压、过电流、过热） 4.驱动器与电动机连线断开 5.HNC-21TF型数控系统轴参数设置不当 6.驱动器使用信号被封锁 7.接口信号线接触不良 8.指令脉冲
15、太窄、频率过高、脉冲电平太低2电动机起动后堵转1.指令脉冲频率太高 2.负载转矩太大 3.加速时间太短 4.负载惯性太大 5.直流电源电压降低3电动机运转不均匀、有抖动1.指令脉冲不均匀 2.指令码脉冲太窄 3.指令脉冲电平不正确 4.指令脉冲电平驱动不匹配 5.脉冲信号存在噪音 6.脉冲频率与机械发生共振4电动机无规律的正、反转1.指令脉冲频率与电动机发生共振5电动机定位不准1.加、减速时间太短 2.存在干扰噪音 3.系统屏蔽不良4.1.3 步进电动机故障设置：序号故障设置方法故障现象1步进电动机取定期的电源线A+与A-互换，进入系统，手动运行X轴按下X+实际进给方向是X-； 按下X-实际进
16、给方向是X+2将步进电动机驱动器的电流值调到最小，运行X轴无明显现象3将X轴指令线中的CP+、CP-互换，运行X轴啸叫，方向正确4将X轴指令线中的DIR+、DIR-互换，运行X轴实际进给方向与原来正好相反5将X轴指令线中的DIR+或DIR-任意取消一根，运行X轴按下X+实际进给方向是X-； 按下X-实际进给方向是X+6只将绕组、与步进电动机连接，将、两绕组与驱动器断开，运行轴啸叫只将绕组、与步进电动机连接，将、两绕组与驱动器断开，运行轴振动电机不转4.2交流伺服电动机的进给驱动交流伺服电动机的分类：根据电动机运行的原理不同，交流伺服电动机可分为感应式（或叫异步式）、永磁同步时、永磁无刷直流式及
17、磁阻同步时交流伺服电动机。4.2.1交流伺服系统的组成交流伺服电动机、PWM功率逆变器、微处理器控制器及逻辑门阵列、位置传感器、键盘及显示电路、接口电路，包括模拟电压、数字I/O及RS232串口通信电路、故障检测及保护电路。4.2.2交流伺服系统的主要报警内容故障号故障内容故障原因21h过电流1. 电动机接线短路或者有一相接地2. 驱动器与电动机接线短路3. PC板错误或电源模块错误4. 电动机与驱动器不匹配5. 检测电源模块错误41h过载1. 有效转矩超额定负载时间过长2. 电动机接线错误3. 机械干扰4. 电动机被堵转5. 伺服电动机编码器故障51h控制器过热1. 伺服控制器内部电路故障2
18、. 再生功率太大3. 控制器内的风扇停止工作61h过电压1. 输入交流电压过高2. 负载惯性太大3. 驱动器内部故障4. 再生放电电路故障62h欠电压1. 输入交流电压过低2. 主电流整流器损坏3. 输入电压下降或出现瞬时短路4. 伺服ON信号提前有效5. 驱动器内部故障63h缺相1. 输入强电电源中的三项缺少一相2. 控制器内置电路错误3. 伺服控制器未指定为单项81h83h85h91h编码器出错1. 编码器电缆不及格或者接头松动2. 无A或B相脉冲3. 噪声干扰4. 接地、屏蔽不良5. 控制器控制电路出错 D1h定位误差太大1. 指令脉冲频率太高或加减速时间太短2. 负载惯性太大或电动机容
19、量太小3. 转矩限位太低4. 参数错误如：位置增益太小5. 控制器控制电路错误4.2.3交流伺服驱动系统的主要故障：故障号故障内容故障原因1电机不转1. 控制模式选择不当2. 信号源选择不当3. 转矩限制禁止设定不当4. 转矩设定被设置成“0”5. 没有伺服ON信号6. 指令脉冲禁止有效7. 轴承锁死8. 限位开关开路，驱动禁止2转速不均匀或转速低于指令值1. 增益时间常数选择不当2.2. 速度或位置指令不当3. 伺服ON、转矩限制、指令脉冲禁止信号有抖动4. 速度指令包括噪声5. 信号线接触不良3定位精度不准1. 指令脉冲波形不好，变形或太窄2. 指令脉冲上有噪声干扰3. 位置环增益太小4.
20、 指令脉冲频率过高5. 伺服ON、转矩限制、指令脉冲禁止信号抖动6. Z相脉冲丢失4初始位置变动1. 回归速度太高2. 原点接近开关输出抖动3. 编码器信号有噪声5电动机异常响声或振动1. 速度指令包含噪声2. 增益太高3. 机械共振4. 电动机的机械故障6电动机过热1. 增益不当2. 驱动器与电动机配合不当3. 电动机轴承故障4. 驱动器故障7电动机“爬行”1. 电动机没有可靠接地2. 伺服驱动器增益参数设置不当3. 负载过重4. 坐标轴参数设置不当8接通伺服驱动器动力电源，即出现报警信号1. 伺服电动机强电电缆相许错2. 位置反馈电缆接错4.2.4交流驱动器的故障的设置：序号故障设置方法故
21、障现象1将伺服驱动器的控制电源中的24V断开，运行Z轴伺服驱动不能运行2将系统的输出信号Y17断开，运行Z轴不能运行，Y17断开，Z轴无信号3将伺服驱动器的码盘线人为松动或断开根本不动动一小会（跟踪误差过大）4将系统参数的硬件配置参数中的部件2的配置0由50改为2，运行Z轴5将系统参数的硬件配置参数中的部件2的配置0由50改为34，伺服参数PA400设为20H，运行Z轴6将系统参数的Z轴的部分参数改变，如脉冲当量分子，分母，伺服驱动器型号，定位误差和跟踪误差等，运行Z轴5 主轴单元的调试及使用5.1数控机床主轴控制系统简介主轴驱动系统是在数控机床主轴控制系统中的动力装置，它带动工件或刀具作相应
22、的旋转运动，从而配合进给运动，加工出理想的零件。5.1.1主轴驱动变速1.1主轴驱动变速目前有三种形式1.主轴电动机齿轮换挡2.主轴变频电动机通过同步齿形带驱动主轴3.电主轴5.1.2对主传动系统的要求1.调速范围宽2.恒功率输出范围要宽3.具有四象限驱动能力4.具有位置控制能力5.1.3主轴调速的意义1.提高产品质量2.提高工作效率3.节约能源5.1.4主轴调速的主要指标1.调速范围a a=Nmax/Nmin式中 Nmax主轴最高转速（r/min） Nmin主轴最低转速（r/min）2.调速的平滑性 一般的变频调速系统应该小于或等于0.3r/min。3.调速后的工作特性 对大多数负载，工作特
23、性越硬越好；特性越硬，负载变化时速度变化越少。特殊情况：电车、电梯要求特性较软。5.1.5变频器的基本原理及连接异步电动机的转速为 n=（1-s）n1=（1-s）60f1/p式中 n异步电动机转速（r/min） n1同步转速（r/min） f1电子供电电源频率（Hz） S异步电动机转差率 P磁极对数从上式可以看出，调速方式可以改变转差率S、改变磁极对数p、改变供电频率f1才能获得线性的无级变速。简单地说，变频器就是通过改变电动机绕组电源频率的方法控制电动机转速。5.2变频器面板按键的定义及功能参数5.2.1变频器的按键定义（变频器面板按键图）5.2.2变频器主要报警装置及其故障诊断为了保证驱动
24、器安全、可靠地运行，针对主轴伺服系统出现的异常的情况，设置了较多的保护功能，这种保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。通用变频器常见故障及保护故障现象故障诊断报警号内容引起故障可能的原因E01E02E03E04过电流电动机的功率（H03）与变频器的功率不匹配，电动机功率大于变频器功率电动机的导线短路电动机轴被锁定或负载过重E07过电压在直流母线电压超过阀值使发生减速过程太快，再生制动引起过电压发在惯性过大，制动时引起过电压E09欠电压供电电源电压太低供电电源有短路时失电或瞬时电压跌落E21变频器过热冷却风机运行不正常环境温度多高
25、变频器过载E14接地故障在加电测试时若检测到变频器输出与电动机之间发生接地故障，则变频器被保护。该故障现象可保护变频器，但不能保护人身安全。E10CT故障当某一强电源干扰与变频器距离过近或内部CT（电流互感器）发生异常操作时，变频器跳闸并关闭输出E12外部跳闸与E10类似，当有一个信号加在智能输入端子上时，变频器跳闸开关关闭输出5.3主轴单元常见故障1. 主轴电机不转CNC系统设有速度控制信号输出主轴驱动装置故障。主轴电动机故障。变频器输出端子U、V、W不能提供电源。造成这种情况可能有以下原1.报警；2.频率指定源与运行指定源的参数不正确；3.智能输入端子的输入信号不正确。2. 电动机反转输入
26、端子的连接错误。控制端子的连接错误。3.电动机转速不能达到一定值检查连线；检查电位器或信号发生器。负载过重。4.电动机过载 机械负载突变。 电动机功率太小。 电动机发热，绝缘变差。 电压波动较大。存在缺相。机械负载增大。供电电压过低。5. 变频器过载变频器容量配置过小，如是则增大容量。机械负载有卡死现象。V/F曲线设定不良，重新设定。6. 主轴转速不稳定负载波动太大。电源不稳定。该现象如出现在某一特定频率下，则可以稍微改变输出频率，使用跳频设定将此有问题的频率跳过。外界因素干扰。7. 主轴转速与变频器输出频率不匹配最大频率设定不当。V/F设定值与主轴电动机规格不匹配。某项比例参数设定不当。8.
27、 主轴与进给不匹配CRT画面有报警显示。通过PLC状态显示观察编码器的信号状态。用没分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。5.4变频器的调节方式：1.手操键盘给定方式 通过变频器的操作键盘及变频器本身提供的控制参数来对变频器进行控制。具体操作步骤如下：1.1参数设置：参数A01设为“02”、参数A02设为“02”。1.2通过“”或“”键改变参数F01的值来增加或减小给定频率。1.3按“RUN”键，电动机运转。1.4按“STOP/RESET”键，电动机停止。1.5设置参数F04的值为“00”（正转）或“01”（反转）改变电动机的旋转方向。2.调节电位器给定方式2.1参数设置：
28、参数A01设置为“00”，参数A02设置为“02”。2.2通过调节电位器来控制电动机的运行速度，将电位器旋过一定的角度。2.3按“RUN”键，电动机运转，通过改变电位器的旋转角度来改变变频器的输出频率，控制电动机的旋转速度。3.数控系统给定方式3.1按照图进行连接，确认无误后，接通各部分电源。3.2参数设置：参数A01设为“01”，参数A02设为“01”。3.3通过主轴控制指令，控制变频器运行。例如：M03 S5005.5变频器与三相异步电动机常见故障的设置序号故障的设置方法故障现象1将异步电动机的三相电源中的两相互换，运行主轴按下“正转”实际“反转”按下“反转”实际“正转”2将变频器的模拟电
29、压取消或极性互调，运行主轴主轴不转3将变频器参数H04磁极数设置为6或2，运行主轴无影响4将主轴正反转信号取消，运行主轴主轴不转6换刀机构故障的检测与排除6.1刀架的基本组成及工作原理刀架是数控机床实现刀具装夹和自动换刀的主要装置。刀架电动机的起停、转向受控于PLC。其工作过程为：数控系统发出换刀信号，控制继电器动作，电动机正转，通过蜗轮、蜗杆、螺杆将销盘上升至一定高度时，离合销进入离合盘槽，离合盘带动离合销，离合销带动销盘，销盘带动上刀体转位，当上刀体转到所需刀位时，霍尔元件电路发出到位信号，电动机反转，反靠销进入反靠盘槽，离合销从离合盘槽中爬出，刀架完成粗定位。同时销盘下降端齿啮合，完成精定位并将刀架锁死。数控系统换刀指令换刀完成P
