采用FANUC0IMateTD系统的CK6132数控车床串行主轴控制设计.docx

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采用FANUC0IMateTD系统的CK6132数控车床串行主轴控制设计

常州机电职业技术学院

毕业设计（论文）

作者：

XX学号：

11260314

系部：

电气工程系

专业：

数控设备应用与维护

题目：

采用FANUC0IMateTD系统的CK6132

平床身数控车床串行主轴控制设计

校内指导教师：

XXX

企业指导教师：

XXX

评阅者：

2015年4月

毕业设计（论文）中文摘要

数控机床的主轴驱动系统也叫主传动系统是完成主运动的动力装置部分。

数控机床主轴与其控制系统的性能在某种程度上决定了机床的性能机器档次。

因此，在数控机床的发展过程中都引起高度的重视。

主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。

在CNC中，主轴转速通过S指令进行编程，被编程的S指令可以转换为模拟电压或数字量输出，因此主轴的转速有两种控制方式：

利用模拟量输出进行控制（简称模拟主轴）和利用串行总线进行控制（简称串行主轴）。

在本论文中，主要探讨采用FANUC0I-MateTD系统的CK6132平床身数控车床串行主轴控制设计。

在设计过程中，我们会涉与到一系列的参数设置、PMC程序以与硬件的选择等。

这些都会在下文有所体现！

关键词：

FANUC系统串行主轴PMC程序控制设计

1引言1

1.1数控车床发展现状1

1.2选题意义2

1.3数控机床对主轴系统的要求3

1.4FANUC系统的优点4

2机床简介6

2.1CK6132外观图6

2.2CK6132车床简介6

2.3CK6132数控车床性能特点7

3电气原理的设计10

3.1主轴驱动系统分析10

3.2电气元件选型11

3.3电气硬件连接17

4PMC程序设计20

4.1FANUC系统与可编程控制器的简介20

4.2PMC的指令21

4.3PMC程序梯形图22

5参数设置27

5.1主轴模块标准参数的初始化27

5.2主轴系统参数的设定27

5.3串行数字主轴伺服参数调整28

结论31

致谢32

参考文献33

1引言

1.1数控车床发展现状

我国数控车床发展，始于20世纪70年代，通过30余年的发展，我国生产的数控车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床（平床身卧式数控车床）、普与型数控车床（斜床身数控卧式车床和数控立式车床）和中高档数控车床（3轴控制以上）三种形式，经济型卧式数控车床，普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量90%。

普与型数控车床生产量不到数控车床产景的10%。

中高挡数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控车床产量的0.02%。

经济型数控车床，价格低廉，售价仅10万元左右，不到普与型数控车床的1/3,设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需要，特别是受到民营经济企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。

普与型数控车床，即2轴控制的卧式数控车床（斜床身}和立式数控车床，国产产品得到了用户认可，基本可以满足用户需要。

车削中心等3轴控制以上的中高档数控车床，国内用户选购的大部分是进口产品或合资。

独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品，国产机床市场占有率较低。

近几年，虽然我国开发了不少中高档数控车床新品种，如具有Y轴功能的车削中心、双主轴双刀架车削中心、倒置顺置主轴立式车削单元、车铣复合中心等等，但是，高级型数控车床的重点是要进一步开发市场，取得国内用户广泛认可。

“十五”期间国产数控机床发展很快。

从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术，从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架多轴控制车铣复合中心，我国已有多家企业开发试制并成功，有的已被国内用户选购和出口国外。

从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有100多个数控车床新品种，可供各方面用户选用。

从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到年产千台以上。

我国数控车床的总体水平与国外先进水平差距不大。

为进一步提高国产数控车床国际竞争力和国产数控车床国内市场占有率，建议：

（1）经济型数控车床是特定时期需求的产物，对于发展中国家工业重工化阶段的初期，经济型数控车床具有较优越的性价比，设备投资较低，受到企业，特别是民营企业技术改造设备选型的欢迎，但是，经济型数控车床与国外广泛采用的普与型数控车床相比，技术含量较低，由于是大多数采用立式4工位刀架，定位精度低。

刀具数少，加工范围较窄，加工精度较低，有一定的使用局限性。

目前，我国生产经济型数控车床的企业已超过50余家，全国年产量已超过30000台以上，已达到相当的规模。

所以，生产经济型数控车床的企业要密切注意市场需求变化的走势，与时调整产品结构。

（2）国产普与型数控车床和车削中心受到国外跨国机床公司的产品和其在国内合资企业和独资企业生产的产品双重挑战，在产品技术，月产量，规模上不与外国公司、合资企业。

因而，当前首先要加速普与型数控车床产业化程度，通过制造技术和管理技术的提升，提高国产数控车床的性价比和质量稳定性，缩短交货期，争取更多的国内市场份额。

（3）采取多种措施，积极开发已试制成功的中高档数控车床国内市场，突破一点，在用户生产使用中不断改进和完善，以点带面，逐步取得用户认可。

（4）积极开发国内汽车、航空航天、船舶、军工和高新技术行业急需的，国内又处于空白的高速高效、高精度、大功率高转矩的数控车床新品种。

1.2选题意义

在数控机床中，主轴是机床里的一个非常重要的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。

主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以与所需的切削力。

目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。

因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。

为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求。

近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。

随着PLC技术的发展，它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。

论文以CK6132数控车床为研究对象，结合所学知识参考数控设备应用与维护综合实训，论文主要研究了CK6132数控车床的主轴控制系统、电气原理设计，PMC程序的设计等内容。

1.3数控机床对主轴系统的要求

主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。

主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。

它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。

机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。

机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。

数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。

在20纪60～70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。

随着刀具技术、生产技术、加工工艺以与生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。

现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求:

（1）调速范围宽并实现无极调速

为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

特別对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根椐数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。

目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：

100,恒功率调速范围也可达1:

30，—般过载1.5倍时可持续工作达到30min。

主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。

在无级变速中，变频调速主轴一般用于普与型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。

（2）恒功率范围要宽

主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动机的扱大功率。

由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。

为满足数控机床低速、强力切削的需要。

常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。

（3）具有四象限驱动能力

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。

目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。

（4）具有位置控制能力

即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以与车削中心的某些加工工艺的需耍。

（5）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。

为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。

最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。

采用带传动时应采用齿型带。

应采用精度高的轴承合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。

在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。

变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。

1.4FANUC系统的优点

FANUC0i-MateTD数控系统是具有纳米插补的高可靠性、高性能价格比的CNC，最多可同时控制3个轴，1个主轴。

8.4英寸彩色液晶显示屏，方便存储卡的编辑操作，强有力支持系统初始化设定，可以很方便地选择各种设定和调整画面。

初始化参数设定操作更加简单，安全的加工程序检查功能，高性价比的一体型的伺服放大器。

主要体现在以下几个方面：

（1）有较完善的保护措施。

FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。

（2）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。

对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。

（3）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。

这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床的PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。

（4）具有很强的DNC功能。

系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。

（5）提供丰富的维修报警和诊断功能。

FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信总，并且以不同的类别进行分类。

PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可。

PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。

时间继电器定时精度不高，受环境影响大。

PLC的特点：

1.编程方法简单易学。

2.功能强，性能价格比高。

3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。

4.可靠性高，抗干扰能力强。

5.系统的设计、安装、调试工作量少。

6.维修工作量少，维修方便。

7.体积小，能耗低。

2机床简介

2.1CK6132机床外观图

图2-1CK6132机床外观图

2.2CK6132数控车床简介

CK6132数控车床采用广州数控系统实现机床的两轴控制，配有四工位电动刀架或排式刀架，以满足不同用户的需要；可开闭的防护门，确保操作者的安全；机床外观设计新颖，面板操作方便。

能自动完成内、外圆柱面、任意圆锥面、圆弧面与公英制螺纹等各种车削加工，适用于多品种、中小批量产品的加工，对于形状复杂、高精度零件的加工更能显示其优越性。

CK6132型精密数控车床主要运用于内外径、端面、锥面、弧面和螺纹等高效精密加工，刀具安装为立式四工位电动刀架，也可以采用排刀座形式，标准型可安置6-8把刀架，也可按用户需要选用六工位电动刀架。

机床系统采用广州数控GSK980TA数控系统，也可按客户要求配置进口系统；主轴采用专用交流变频电机调速度，调速范围大，可实现恒线速切削。

机床采用加宽平床身，三角导轨采用宽大型导轨超音频淬火，床鞍贴塑提高精密，延长机床寿命。

（1）CK6132车床机械结构组成

a）主传动系统：

实现主运动；

b）进给系统：

实现进给运动；

c）机床基础部件：

床身、底座、立柱等，支撑机床本体；

d）辅助装置：

液压、气动、润滑、冷却、防护、排屑等装置，实现某些动作和辅助功能；

e）实现工件回转、分度定位的装置，如回转工作台；

f）刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）；

g）自动托盘交换装置（APC）；

h）特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测、监控装置等。

（2）车床切削用量的选择

根据加工工艺的要求合理的选择切削用量，是确定机床参数的基本依据。

切削用量包括三要素为切削速度、进给量、背吃刀量。

因此在选择切削用量的时候，应该要考虑到以下几个方面的关系：

a）切削加工生产率在切削加工中，材料的切除率与切削用量三要素切削速度、进给量、背吃刀量均保持线性关系，其中任一参数增大，都可使生产率提高。

但由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其它两参数必须减小。

因此，在指定切削用量时，使三要素获得最佳组合，此时的高生产率才是合理的。

b）刀具寿命切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为切削速度、进给量、背吃刀量。

因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，应先采用尽可能大的背吃刀量；然后再选用大的进给量；最后按照确定的刀具寿命公式求出切削速度。

对于专用机床来说，为了保证刀具的使用寿命，切削用量不宜过大。

c）加工表面粗糙度对于粗加工，在切削力和刀片大小允许时，首先应进可能的加大背吃刀量，相应的降低进给量、切削速度，使粗糙的毛坯表面在一次吃刀中切除。

在机床、工件、刀具和刀具夹持刚度等允许时，粗加工也可以尽可能提高进给量，并适当降低切削速度；对于精加工，增大进给量将增大加工表面粗糙度值。

因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。

2.3CK6132数控车床性能特点

（1）机床采用传统的卧式车床布局，整体设计，密封性好，符合安全标准。

床身、床鞍等主要基础基础件均采用耐磨铸铁铸造，人工实效处理，整机稳定优越。

（2）机床纵、横向运动采用伺服电机、精密滚珠丝杆副、高刚性精密复合轴承传动、脉冲编码器位置检测的半闭环CNC控制系统。

机床导轨采用超音频淬火加粘塑工艺，各运动轴响应快、精度高、寿命长。

（3）机床功能齐全、操作简便、精度稳定、工作可靠。

（4）机床的床头箱结构简单合理、品种多、针对性强。

主轴系统的前后支架采用高精度轴承，具有转速高、刚性强、精度高、热变形小、运转平稳、噪音低的显著特点。

（5）机床采用先进的集中润滑方式、定时、定量自动间歇式润滑泵润滑，工作稳定可靠满足清洁生产的环保要求，机床采用的半防护、全防护装置，美观、独特、防削，维护方便。

（6）机床标准配置采用国内名牌的立式四工位刀台。

特殊配置可选用卧式六工位刀台。

（7）机床可根据用户要求配置手动、液压卡盘。

表2-1CK6132参数表

项目

单位

CK6132

加工范围

床身上最大回转直径

mm

Φ380

床鞍上最大回转直径

mm

Φ180

最大加工直径/长度

mm

Φ320/260

机床顶尖距

mm

410

主轴

主轴通孔直径

mm

Φ41

主轴头型式

A2-5

主轴内孔锥度

MTNo.5

主轴鼻端尺寸

mm

Φ82.563

主轴转速

r/min

100～3000

卡盘直径

mm

Φ165

主轴电机功率

Kw

4

行程

X/Z轴行程

mm

205/280

X/Z轴快移速度

m/min

8/10

X/Z轴电机功率

Kw

1.2/1.6

X/Z轴电机扭矩

Nm

4/6

刀架

刀架型式

立式

刀位数

4

刀具尺寸

mm

20x20

尾座

套筒直径/行程

mm

Φ52/100

套筒内孔锥度

MTNo.4

3电气原理设计

3.1主轴驱动分析

（1）数控机床对主轴驱动系统的要求

随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足数控技术的需要。

现代数控机床对主轴传动系统提出了更高的要求，具体要求为：

a）对功率的要求。

要求主轴电动机有2.2〜250Kw的功率范围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。

b）宽调速范围。

数控机床主轴驱动系统要求在1:

（100〜1000）范围内进行恒转矩和1:

10的恒功率调速，而且要求主轴在正、反向转动时，均可进行加减速控制，即要求具有四象限驱动能力。

c）定位准停功能。

为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上，为了自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。

为了实现上述要求，在早期的数控机床上，多采用直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都很小，且直流电动机结构复杂，寿命短、维修量大。

因此，随着大功率电力电子元件和变频技术的发展，现在的数控机床上大多使用交流主轴驱动系统。

当前,世界上高速加工数控机床异军突起，电主轴应运而生。

在今后一个时期内，电主轴将是数控机床主轴驱动系统的一个发展方向。

（2）串行主轴与模拟主轴的区别

主轴控制在CNC中，主轴转速通过S指令进行编程，被编程的S指令可以转换为模拟电压或数字量输出，因此主轴的转速有两种控制方式：

利用模拟量输出进行控制（简称模拟主轴）和利用串行总线进行控制（简称串行主轴）。

模拟主轴控制通过CNC内部附加的D/A转换器，自动将S指令转换为-10V～+10V的模拟电压。

CNC所输出的模拟电压可通过主轴速度控制单元实现主轴的闭环速度控制，在调速精度要求不高的场合，也可以使用通用变频器等简单的开环调速装置进行控制。

主轴驱动装置总是严格保证速度给定输入与电机输出转速之间的对应关系。

如：

当速度给定输入10V时，如果电机转速为6000r/min，则在输入5V时，电机转速必3000r/min。

模拟主轴与串行主轴的区别见下表：

表3-1模拟主轴与串行主轴的区别

项目

主轴模拟量控制

串行主轴控制

主轴转速输出

-10V—+10V的模拟量

通过串行通信传输的内部数字信号

主轴驱动装置

模拟量控制的主轴驱动单元

（如变频器）

数控系统专用的主轴驱动装置

主轴电动机

普通的三相异步电动机或者变频电动机

数控系统专用的主轴伺服电动机

主轴参数设定

在主轴驱动装置上设定与调整

在CNC上设定与调整，并利用串行总线自动传送到主轴驱动装置中

主轴位置检测连接

直接由编码器连接到CNC

从编码器到主轴驱动装置，再由主轴驱动装置到CNC

主轴正、反转启动与停止控制

利用主轴驱动装置上的外部接点输入信号进行控制

利用CNC和PMC之间的内部信号进行控制

3.2电气元件选型

（1）主轴伺服电机的选择

伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。

伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响应和定位。

数控机床对伺服电机的要求主要为：

机械特性刚性好。

要求伺服电机的速降小、刚度大，即在外部干扰力（切削力、重力等外力）作用下，这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化小。

a）快速响应。

这在轮廓加工，特别对曲率大加工对象进行高速加工时要求较严格。

b）调速范围宽。

这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质，适应于各种不同的工艺内容。

c）低速大转矩，并要求一定的过载转矩。

机床进给机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削力，因此主要是“恒转矩”的性质。

原则上应根据负载来选择伺服电机。

电机轴上的负载有两种，即阻尼转矩和惯量负载，这两种负载都要正确地计算，其值应满足下列条件：

a）当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机连续额定转矩范围内，即在转矩—转速特性曲线的连续工作区。

b）最大负载转矩、负载周期以与过载实验都在提供的特性曲线的准许范围内。

c）电机在转/减速过程中的转矩应在加减速区（或短时间工作区）之内。

d）对要求频繁启动、制动以与周期性变化的负载，必须检查它在一个周期中的转矩均方根值，它应小于电机的连续额定转矩。

e）加在电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个伺服系统的精度将产生影响。

惯量即物体转动时的惯性，与物体的质量、直径有关。

通常，当负载惯量小于电机转子惯量时，上述影响不大。

但当负载惯量达到甚至超过转子惯量的5倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大的影响，甚至会使伺服放大器不能再正常调节范围内工作，所以对这类惯量应避免使用。

下图为FANUCβis3/5000伺服电动机：

β——伺服电机系列名称

i——系列号

s——电机类型（s：

强磁材料）

3/——失速转矩（N˙m）

5000——最高转速（r/min）

图3-1FANUCβis3/5000伺服电动机

（2）伺服放大器的选择

FANUCβiSVPM伺服放大器是多伺服轴/主轴一体型的伺服驱动装置，其基本规格以βiSVPM3-15伺服放大器为例，规格如下：

电源电压：

3～，200V～240V，-15%～+10%

电源频率：

50/60Hz

主回路电源容量：

22kVA

控制回路电源容量：

DC24V，-10%～+10%，1.5A

输入电流：

64A

额定输出电流：

L轴13A；M轴13A；N轴13A

如图3-1所示：

图3-2βiSVPM3-15伺服放大器

（3）熔断器的选择

熔断器是一种简单有效的保护电器。

在电路中主要起短路保护作用，选择熔断器时主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流与熔体的额定电流。

熔断器的类型应根据线路要求和安装条件来选择。

熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压。

熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。

熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如下：

对于如照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流大于或稍大于电路电流，即

Ifu≥I电路式

（1）

式

（1）中，Ifu为熔体的额定电流；I电路为电路的工作电流

对与电动机一类的负载，应考虑启动冲击电流的影响，按下式计算：

Ifu≥1.5—2.5IN式

（2）

式

（2）中，IN为电动机的额定电流。

对于多台电动机，如果由一个熔断器保护，则熔体的额定电流应按下式计算：

Ifu≥（1.5—2.5）INmax+∑IN式（3）

式（3）中，INmax为容量最大的一台电动机的额定电流；∑IN为其余电动机额定电流总和。

（4）接触器的选择

接触器是一种用来频繁地接通和分断带有负载的主电路的自动控制电器。

接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置与其他部件四部分组成。

其中电磁机构由线圈、动铁心和静铁心组成；触点系统包括三对触点、辅助触点。

工作原理是当线圈通电后，铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。

衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。

当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触电系统随之复位。

选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引