数控系统结构及维修

第二章数控机床数控系统结构与维修天津 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师范学院2.1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。CNC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。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。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。2.2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。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。2．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。3．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。2.3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。1．前后台型软件结构2．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。二、CNC系统软硬件的界面图2-8三种典型CNC系统的软硬件界面三、CNC控制软件的特点1．多任务并行处理2．实时中断处理2.4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。2．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，二、PLC的分类(1)内装型PLC。(2)独立式PLC。(1)内装型PLC。(2)独立式PLC图2-12独立型PLC的CNC系统图2-13独立型PLC的功能结构2.5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。图2-14编码器与主轴安装的安装应用二、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。1．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。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。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。(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。(a)绝对式光电编码器原理图(a)绝对式光电编码器原理图(b)绝对式光电编码器结构图(3)编码器正反转辨别。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 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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。1．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。图2-20光栅尺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。图2-22横向莫尔条纹的参数3．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4．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。图2-23光栅测量系统(2)鉴向倍频电路图2-24两光敏元件的波形四、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。1．测速发电机的结构图2-25直流测速发电机原理图图2-26直流测速发电机的输出特性2．6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。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2．闭环控制进给驱动系统六、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。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。2.7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。这种方法在维修中是常用的，也是首先采用的。“先外后内”的维修原则要求维修人员在遇到故障时应先采取看、闻、嗅、摸等方法，由外向内逐一进行检查。有些故障采用这种方法可迅速找到故障原因，而采用其他方法要花费许多时间，甚至一时解决不了。三、机、液、电综合分析法数控机床是一种高度机、电、液一体化的产品，它应用了精密机械、液压技术、电气技术、微电子技术等，对数控机床的故障分析也要从机、液、电不同的角度对同一故障进行分析诊断，可以避免片面性，少走弯路。最后确认是机、液、电中的哪一个系统有问题。以便在哪个系统中做进一步的诊断及排除故障。四、备件替换法将具有相同功能的两块板互相交换(一块好的，一块被怀疑是坏的)，观察故障现象是否随之转移，还是故障依旧来判断被怀疑板。这些板是指印制线路板、模块、集成电路芯片或元器件。若没有备用电路板或组件，可把故障区与无故障区的相同的电路板或组件互相交换，然后观察故障排除及转移情况，也可得到确诊。注意：①必须断电后才能更换电路板或组件；②有些电路板，例如PLC的I／O板上有地址开关，交换时要相应改变设置值；③有些电路板上有跳线及桥接调整电阻、电容，也应与原板相同，方可交换；④模块的输入输出必须相同。以驱动器为例，型号要相同，若不同，则要考虑接口、功率的影响，避免故障扩大。1．“替换”方法的使用范围在电气修理中，采用“替换”方法来检查判断故障应注意应用场合。对一些比较简单的电器，如接触器、继电器、开关、保护电器及其它各种单一电器，在对其有怀疑而一时又不能确定故障部位的情况下，使用效果较好。而在由电子元件组成的各种电路板、控制器、功率放大器及所接的负载，替换时应小心谨慎，如果无现成的备件替换，需从相同的其它设备上拆卸时更应慎重从事，以避免故障没找到，替换上的新部件又损坏，造成新的故障。2．“替换”中的注意点(1)低压电器的替换应注意电压、电流和其他有关的技术参数，并尽量采用相同规格的替换。(2)电子元件的替换，如果没有相同的，应采用技术参数相近的，而且主要参数最好能胜过原来的。(3)拆卸时应对各部分做好记录，特别是接线较多的地方，可防止反馈错误引起的人为故障。(4)在有反馈环节的线路中，更换时要注意信号的极性，以防反馈错误引起其他的故障。(5)在需要从其他设备上拆卸相同的备件替换时，要注意方法，不要在拆卸中造成被拆件损坏。如果替换电路板，在新板换上前要检查一下使用的电压是否正常。四、电路板参数测试对比法当系统发生故障后，采用常规电工检测仪器、工具，按系统电路图及机床电路图，对故障部分的电压、电源、脉冲信号等进行实测，在各电路板的测试端子上进行电压值及波形的测试，与正常值和正常波形进行比较。若无原始记录，也可与对应无故障区的相同的电路板比较，从而确诊故障电路板是否发生故障。如电源的输入电压超限，应对电源监控，以排除其它原因。如发生位置控制环故障，可用示波器检查测量回路的信号状态，或用示波器观察其信号输出是否缺相，有无干扰。五、更新建立法当CNC或PLC装置由于电网干扰，或其他偶然原因发生异常情况或死机时，应清除有关内存区，重新进行冷启动或热启动。并对CNC参数进行重新设置，便可排除故障。六、升温，降温法当设备运行时间比较长或者环境温度比较高时，机床容易出现软件故障。这时可用电热风或红外灯直接照射可疑的电路板或组件，人为通过采用升温法加速一些高温参数差的元器件恶化(要注意元器件的温度参数)，产生“症状”出来，从而确定有问题的组件或元器件。七、拉偏电源法有些不定期出现的软故障与外界电网电压波动有关。当机床出现此类故障时，可把电源电压人为地调高或调低，模拟恶劣的条件让故障容易暴露。八、分段优选法电缆断路或短路故障的查找，有时非常困难，特别是大型数控机床各轴的行程都很长，有时电枢到机床去的电缆要分几段，每段有几十米长，这时应用优选法从中部分分段校线查找故障点，可以加快速度。有时PLC的+24V端子对地短路，此端子上接有上百个输入开关，单个检查太慢，也可用优选法，一半、一半的检查短路点在哪一半中，然后把有问题的一半再一分为二进行查找……从而大大加快速度。九、功能程序测试法功能程序测试法是将所维修数控系统G、M、S、T、F功能的全部使用指令编写出一个试验程序，并存储在软盘上。在故障诊断时运行这个程序，可快速判定哪个功能不良或丧失。应用场合：①机床加工造成废品而一时无法确定是编程、操作不当，还是数控系统故障时；②数控系统出现随机性故障，一时难以区别是外来干扰，还是系统稳定性不好。如不能可靠地执行各加工指令。可连续循环执行功能测试程序来诊断系统的稳定性；③闲置时间较长的数控机床在投入使用时或数控机床进行定期检修时。十、参数检查法数控机床的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据。例如工作范围、轴动态参数，数据需要根据具体的控制对象而修改。这种可读写的存储器有电池保持的RAM、EPROM、F1ashROM、硬盘等。应用场合：对于电池保持的RAM，一旦电池电压不足(一般电池2-3年需更换)或机床长期闲置或外部干扰会使参数丢失或混乱，从而使系统不能正常工作。EPROM、FlashROM由于不需要电池，在数控系统中应用越来越普遍。当机床长期闲置或无缘无故出现不正常现象或有故障而无应答时，就要根据故障特征检查和校对有关参数。十一、隔离法隔离法是指将控制回路断开，从而达到缩小查找故障区域的目的。在机床维修时为了防止故障扩大，需切断某些部件的电源，也经常采用此法。十二、接口状态显示诊断法接口是连接CNC系统、PLC、机床本体的节点，节点是信息传递和控制的要道，通过接口的状态信息(通“1”、断“0”)，若系统带有分立的PLC时，系统产生故障后，首先应判断故障是出现在CNC系统内部，还是在PLC或机床(MT)侧。这就要求熟悉CNC与PLC之间信息交换的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ，必须熟悉各测量反馈元件的位置、作用及发生故障时的现象与后果。搞清楚某一个动作不执行是由于CNC没有给PLC指令，还是由于CNC给了PLC指令而PLC未执行，或是由于PLC无准备好应答信号，CNC不可能提供该指令等。十三、测量比较法这种方法是利用印制线路板上预先设置的检查用端子，确定该部分电路工作是否正常，通过实测这些端子的电压值或波形与正常时的电压值及波形比较，来分析故障原因和部位。甚至，可在正常线路板上人为地制造一些故障(如断开连线或短路，拔去插组件等)，以判断真正的故障原因。十四、利用系统的自诊断功能判断法现代数控系统尤其是全功能数控系统具有很强的自诊断能力，通过实施实时监控系统的各部分的工作，及时判断故障，给出报警信息，并做出相应的动作，避免发生事故。然而有时硬件发生故障时，就无法报警，有的数控系统可通过发光数码管不同的闪烁频率或不同的组合做出相应的指示。这些指示配合使用就可以较好地帮助维修人员准确地诊断出故障板的位置。十五、逻辑线路追踪法(原理分析法)逻辑线路追踪法就是通过追踪与故障相关联的信号，从中找到故障单元，根据CNC系统原理图(即组成原理)，从前往后或从后往前地检查有关信号的有无、性质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较，看有什么差异或是否符合逻辑关系。对于“串联”线路，发生故障时，所有的元件或连接线都值得怀疑。对比较长的“串联”回路，可从中间开始向两个方向追踪，直到找到故障单元为止。对于两个相同的线路，可以对它们进行部分地交换试验。这种方法类似于把一个电机从其电源上拆下，接到另一个电源上试验电机。类似地，可以在这个电源上另接一个电机试验电源，这样可以判断出电机有问题还是电源有问题。但是对数控机床来说，问题就没有这么简单，交换一个单元，一定要保证该单元所处大环节(即位置控制环)的完整性；否则可能闭环受到破坏，保护环节失效积分调节器输入得不到平衡。十六、用可编程控制器进行PLC中断状态分析法可编程控制器发生故障时，其中断原因以中断堆栈的方式记忆。使用编程器可以在系统停止状态下，调出中断堆栈和块堆栈，按其所指示的原因，查明故障之所在，在可编程控制器的维修中这是最常用、最有效和快速的方法。谢谢!