数控铣床电气回路连接及系统调试优化指南

本节主要以数控铣床XK-L850为例，介绍它的电气回路连接。XK-L850型铣床的主轴电动机为三相异步电动机，并且配置有FANUC 0i-MD控制系统。三相异步电动机的控制线路，一般可以分为主电路和辅助电路两部分。对于流过电气设备负荷电流的电路，我们称为主电路；对于控制主电路通断或监视和保护主电路正常工作的电路，称为辅助电路，也称为控制电路。主电路上流过的电流一般都比较大，而控制电路上流过的电流则都比较小。这些运动状态的改变最为明显的是电动机转速的变化和旋转方向的改变。

一、电气回路连接

1.主电路

一个完整的电气电路应该包括主电路和控制电路。主电路在电路中起着非常重要的作用。现将图4-7所示主电路的工作原理分析如下。

外接电源由380 V/50 Hz的交流电源接入，经电源总开关QF1进行接通和断开。当开关QF4接通时，将380 V电源接入控制变压器，经变压器变压输出交流110 V和交流220 V电源。当开关电源输入交流220 V时，经过整流电路整流出直流24 V的电压，为控制电路提供直流电源。

当开关QF2接通时，将380 V交流电源接入伺服变压器，经伺服变压器变压输出交流220 V电源，分别供给伺服驱动器电源、主轴电动机风扇和伺服控制电源。

图4-7　数控铣床主电路

2.控制电路

控制电路部分主要包括伺服上电、系统上电、急停控制、系统面板电源等，如图4-8所示。

（1）伺服上电回路：该回路由110 V电压供电，当CX3闭合，接触器线圈KM1得电，伺服得电。

（2）系统上电回路：按下系统启动按钮SB1，继电器KA1线圈得电，它的辅助常开触点KA1闭合，形成自锁，系统实现启动。

（3）急停控制回路：当按下急停按钮时，继电器KA2线圈不得电，系统会发出急停报警。

图4-8　控制电路

二、数控铣床的主体结构

本节以FANUC 0i-MD系统为例，介绍数控铣床电气控制及系统维护保养技术。图4-9所示为数控铣床的主体结构。系统选用0i-MD CNC控制器，配置αi主轴电动机和4个伺服电动机，选配直线光栅，配置I/O模块等。

图4-9　FANUC 0i-MD数控铣床的主体结构

数控铣床系统硬件结构

FANUC 0i-MD数控铣床主体结构主要由以下部件组成。

1.CNC控制器

0i-D系列CNC控制器由主CPU、存储器、数字伺服轴控制卡、主板、显示卡、内置PMC、LCD显示器、MDI键盘等构成，主控制系统已经把显示卡集成在主板上。

（1）主CPU：负责整个系统的运算、中断控制等。利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。

（2）存储器：包括FLASH ROM、SRAM和DRAM。FLASH ROM存放着FANUC公司的系统软件和机床应用软件，主要包括插补控制软件、数字伺服软件、PMC控制软件、PMC应用软件（梯形图）、网络通信控制软件、图形显示软件、加工程序等。

SRAM存放着机床制造商及用户数据，主要包括系统参数、用户宏程序、PMC参数、刀具补偿及工件坐标系补偿数据、螺距误差补偿数据等。

DRAM作为工作存储器，在控制系统中起缓存作用。

（3）数字伺服轴控制卡：伺服控制中的全数字的运算以及脉宽调制功能采用应用软件来完成，并打包装入CNC系统内（FLASH ROM），支撑伺服软件运行的硬件环境由DSP以及周边电路组成，这就是常说的数字伺服轴控制卡（简称轴卡）。轴卡的主要作用是速度控制与位置控制，如图4-10所示。

（4）主板：主板包括CPU外围电路、I/O Link、数字主轴电路、模拟主轴电路、RS-232C数据输入输出电路、MDI接口电路、高速输入信号、闪存卡接口电路等。

（5）LCD与MDI键盘：数控系统通过显示装置为操作人员提供必要的信息。根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序、正在运行的程序、机床的加工状态、机床坐标轴的指令/实际坐标值、加工轨迹的图形仿真、故障报警信号等。

较简单的显示装备只有若干个数码管，只能显示字符，显示信息也有限；较高级的系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，一般能显示图形，显示的信息较为丰富。

常见的系统液晶显示器有8.4 in^[1]或10.4 in的LCD（液晶）彩色显示器，并可选用触摸屏显示器，LCD背面安装有CNC控制器，如图4-11所示。

数控铣床的类型和数控系统的种类很多，各生产厂家设计的操作面板也不尽相同，但操作面板中各种旋钮、按钮和键盘的基本功能与使用方法基本相同。数控机床的MDI键盘主要由工作方式选择按键、机床操作按键、计算机键盘按键以及功能软件组成。

2.进给伺服放大器

FANUC 0i-MD数控系统经FANUC串行总线FSSB与伺服放大器相连。伺服电动机使用αiS/βiS系列电动机。0i-MD最多可接7个进给轴。αiS系列伺服放大器如图4-12所示，βiS一体型放大器如图4-13所示。

图4-10　轴卡

图4-11　系统显示器

（a）8.4″水平安装彩色LCD/MDI；（b）10.4″垂直安装彩色LCD/MDI

图4-12　αiS系列伺服放大器

图4-13　βiS一体型放大器（SVPM）

3.伺服电动机

伺服电动机由放大器输出的驱动电流产生旋转磁场，驱动其转子旋转。FANUC生产的伺服电动机主要有两类，分别是αi系列伺服电动机和βi系列伺服电动机。αi系列伺服电动机属于高性能电动机，βi系列伺服电动机属于经济型电动机，由于两者在使用材料等方面有很大的不同，所以价格与性能有很大的差异，特别是在加减速能力、高速与低速输出特性、调速范围等方面有较大的差别。αi系列伺服电动机的编码器有绝对式与增量式两种，因此在选择时需要综合考虑。伺服电动机的外观如图4-14所示。

图4-14　伺服电动机的外观

（a）βi系列伺服电动机；（b）αi系列伺服电动机

4.主轴电动机

主轴电动机控制有串行接口和模拟接口两种，0i-D有多主轴电动机控制功能，最多可以同时运行3个主轴电动机。

为了提高主轴的控制精度与可靠性，适应现代信息技术发展的需要，从CNC系统输出的控制指令也可以通过网络进行传输，在CNC系统与主轴驱动装置之间建立通信，这一通信一般使用CNC系统的串行接口，称为“串行主轴控制”，它是独立于CNC FSSB总线的专用串行总线。

主轴驱动装置的控制信号通过串行总线传送到主轴驱动装置，驱动装置的状态信息同样可通过串行总线传送到PMC，因此，采用串行主轴后可以省略大量主轴驱动装置与PMC（CNC）之间的连接线。

而模拟主轴电动机是通过CNC系统内部附加的D/A转换器，自动将S指令转换为-10～+10 V的模拟电压。CNC系统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动机输出转速之间的对应关系，如：当速度给定输入为10 V时，如果电动机转速为6 000 r/min，则在输入5 V时，电动机转速必然为3 000 r/min。

串行数字主轴电动机如图4-15所示，模拟接口主轴电动机如图4-16所示。

图4-15　串行数字主轴电动机

图4-16　模拟接口主轴电动机

5.FANUC的I/O单元与I/O Link连接

（1）FANUC PMC的构成：FANUC PMC由内装PMC软件、接口电路、外围设备（接近开关、电磁阀、压力开关等）构成。连接主控系统与从属I/O接口设备的电缆为高速串行电缆，被称为I/O Link，它是FANUC专用I/O总线，如图4-17所示。另外，通过I/O Link可以连接FANUC βi系列伺服驱动模块，作为I/O Link轴使用。

图4-17　典型I/O Link连接

（2）常用的I/O模块：在FANUC系统中I/O单元的种类很多，常用的模块见表4-2。

表4-2　常用的I/O模块

6.数据输入/输出接口

以太网接口用于主机和CNC系统之间的以太网通信，PCMCIA卡接口可以连接CF卡和PCMCIA以太网卡。利用CF卡可以进行数据备份和恢复以及CF卡DNC加工。CNC系统控制器配置了两个RS-232C串行通信接口，接口代号分别为JD36A和JD36B。利用RS-232C接口可以实现CNC系统与计算机之间的串行通信。图4-18所示为RS-232串行数据传输线，图4-19所示为CF卡。

图4-18　RS-232串行数据传输线

图4-19　CF卡

三、CNC系统的硬件结构及各接口的作用(www.xing528.com)

1.0i-MD CNC系统控制面板接口连接

FANUC 0i-MD CNC系统控制面板背面如图4-20所示。

图4-20　FANUC 0i-MD CNC系统背面

（1）COP10A：FSSB光缆一般接左边接口（若有两个接口），系统总是从COP10A到COP10B。本系统由COP10A连接到第一轴驱动器的COP10B，再从第一轴的COP10A到第二轴的COP10B，依此类推。

（2）风扇、电池、MDI键盘连接线在系统出厂时均已连接好，不用改动，但要检查是否在运输的过程中有松动的地方，如果有，则需要重新连接牢固，以免出现异常现象。

（3）CP1：电源线接口。该电源接口有三个管脚，电源的正负不能接反，采用直流24V电源供电。

（4）JD36A：系统与电脑通信的连接口，共有两个，一般接左边一个，右边为备用接口，如果不与计算机连接，则不用接此线（推荐使用存储卡代替RS232口，其传输速度及安全性都比串口优越）。

（5）JA40：模拟主轴的连接，主轴信号指令由JA40接口引出，控制主轴转速。

（6）串行主轴编码器接口JA41：本装置使用伺服主轴，用于反馈主轴转速，以保证螺纹切削的准确性。

（7）数控系统JD51A接口：本接口被连接到I/O模块（I/O Link），便于I/O信号与CNC系统交换数据。

注意：按照从JD51A到JD1B的顺序连接，即从数控系统的JD51A出来，到I/O Link的JD1B为止，下一个I/O设备也是从前一个I/O Link的JD1A到下一个I/O Link的JD1B，如若不然，则会出现通信错误而检测不到I/O设备。

2.FANUC伺服控制系统的连接

FANUC伺服控制系统的连接，无论是αi系列还是βi系列的伺服，在外围连接电路方面具有很多类似的地方，大致分为光缆连接、控制电源连接、主电源连接、急停信号连接、MCC连接、主轴指令连接（指串行主轴，模拟主轴接在变频器中）、伺服电动机主电源连接、伺服电动机编码器连接。以αi系列伺服驱动器为例来说明。

（1）光缆连接（FSSB总线）：FSSB总线采用光缆通信，在硬件连接方面，遵循从A到B的规律，即COP10A为总线输出，COP10B为总线输入。需要注意的是，光缆在任何情况下都不能硬折，以免被损坏，如图4-21所示。

图4-21　FSSB的连接

（2）控制电源连接：控制电源采用AC220V电源，主要用于伺服控制电路的电源供电。在上电顺序中，推荐先上伺服控制电，再系统上电，如图4-22所示。

图4-22　控制电源的连接

（3）主电源连接：主电源主要用于伺服电动机和主轴电动机动力电源的变换。图4-23所示为αi系列伺服驱动器动力电源接口。

图4-23　αi系列伺服驱动器动力电源接口

（4）急停与MCC连接：该部分主要用于对伺服主电源的控制与伺服放大器的保护，在发生报警、急停等情况下能够切断伺服放大器主电源。图4-24所示为MCC和急停相对应的接口CX3、CX4。

图4-24　MCC与急停的连接

（5）主轴指令信号连接：FANUC的主轴控制采用两种类型，分别是模拟主轴与串行主轴。模拟主轴的控制对象是系统JA40口输出0～±10 V的电压给变频器，从而控制主轴电动机的转速；另一种是采用串行总线，同样遵循从A到B的规律，即从系统的JA41（0i-C系统为JA7A口）至伺服放大器的JA7B口，如图4-25所示。

图4-25　串行主轴指令线的连接

（6）伺服电动机动力电源连接：主要包含串行主轴电动机与伺服进给电动机的动力电源连接，两者都是采用接插件方式连接。在连接过程中，一定要注意相序的正确，如图4-26所示。

图4-26　伺服电动机动力电源的连接

（7）伺服电动机反馈的连接：主要包含串行主轴电动机与伺服进给电动机的反馈连接，一般的串行主轴电动机内置编码器的反馈接口接放大器的JYA2接口，伺服进给电动机的反馈接口接JF1接口等，如图4-27所示。

图4-27　伺服电动机反馈的连接

（8）串行主轴电动机的接线与伺服进给电动机的连接注意：串行主轴电动机接线盒内，不仅含有动力电源端子、编码器接口，还有伺服主轴电动机风扇接口，如图4-28和图4-29所示。

图4-28　串行主轴电动机接线盒

图4-29　伺服电动机的注意事项

3.FANUC CNC系统的I/O Link连接

FANUC CNC系统的PMC是通过专用的I/O Link与系统进行通信的，PMC在进行I/O信号控制的同时，还可以实现手轮与I/O Link轴的控制，但外围的连接很简单，且很有规律，同样是从A到B，系统侧的JD51A（0i-C系统为JD1A）接到I/O模块的JD1B，JA3或者JA58可以连接手轮。

0i-D用I/O模块是配置FANUC系统的数控机床使用最为广泛的I/O模块。图4-30所示为I/O单元实物。它采用4个50芯插座连接的方式，分别是CB104/CB105/CB106/CB107。输入点有96位，每个50芯插座中包含24位的输入点，这些输入点被分为3字节；输出点有64位，每个50芯插座中包含16位的输出点，这些输出点被分为2字节。均为PMC输入输出接口，用于和外界进行信号交换。

4.系统的总体连接

系统的总体连接如图4-31所示，系统主板的JD36接口作为系统与计算机或其他外部设备的通信连接口。JD51A接口通过I/O Link总线连接到I/O模块，便于I/O信号与CNC系统交换数据。串行主轴编码器接口JA41连接伺服主轴，用于反馈主轴转速，以保证螺纹切削的准确性。COP10A接口连接伺服驱动器，通过FSSB光缆驱动伺服电动机。

图4-30　I/O单元实物

四、系统的调试步骤

数控铣床的调试步骤如下所述。

1.接上电源

连接CNC系统的控制电源线，进行基本的画面操作。

（1）接通控制电源。

（2）连接MDI和显示器。

（3）调整触摸面板。

（4）进行基本操作。

2.连接阅读机/穿孔机接口

连接RS232-C接口与穿孔面板间的电缆，使之能够与I/O设备进行输入输出。

3.CNC系统参数的初始设定

设定轴名称和伺服环增益等基本参数。

4.连接机床接口

连接操作面板和强电回路的接口信号。

5.编制顺序程序

根据机床的外围硬件以及逻辑关系编写顺序程序，使机床实现相关功能。

6.连接伺服

对数字伺服参数进行初始设定，连接伺服放大器和伺服电动机。

7.确认运行动作

确认手动进给和自动运转等动作。

8.数字伺服的调整

如果要提高加工精度和防止振动，就要调整伺服参数，包括调整反向间隙补偿量、提高加工精度功能、抑制振动功能。

图4-31　系统的总体连接

9.备份数据

对出厂时的参数设定值和顺序程序等进行备份。