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第8章典型数控系统电气控制硬件连接,8.1FANUC 0i/0i Mate数控系统电气控制硬件连接8.2SIEMENS数控系统电气控制硬件连接 思考题与习题,第8章 典型数控系统电气控制硬件连接,第8章 典型数控系统电气控制硬件连接8.1 FANUC 0i/0i Mate数控系统电气控制硬件连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,国外典型的数控系统有日本的FANUC数控系统，德国的SIEMENS数控系统等；国内的有华中数控系统等。其中FANUC数控系统有0系列、11系列等多个系列，而FANUC 0系列应用最为广泛。FANUC 0系列包括FANUC 0i与FANUC 0i mate两种系统。二者的主要区别在于，首先使用的电机不同；其次，轴数不同；第三加工精度不同；第四FANUC 0i有很多特殊功能可供选择，而FANUC 0i mate则基本没有。所以如果要求不高时，可使用0i-mate系统，如果要求高则要选择0i数控系统。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,8.1.1 FANUC 0i/0i Mate 硬件连接简要说明1FANUC 0i/0i Mate数控装置数控系统通常指数控装置、进给伺服系统、主轴系统、电源系统等的总和。数控装置是数控系统的核心、大脑。（1）FANUC 0i/0i Mate数控装置的基本组成FANUC 0i数控装置由主控制单元和I0单元两个部分构成；FANUC 0i Mate数控装置则把主控制单元和IO单元合而为一。主控制单主要包括CPU、内存(系列软件、宏程序、梯形图、各类参数等)、PMC控制、IO LINK控制、伺服控制、主轴控制、内存卡IF、LED显示等。IO单元主要包括电源、I0接口、通信接口、MDI控制、显示控制、手摇脉冲发生器控制和高速串行总线等。（2）FANUC 0i/0i Mate数控装置主控单元接口信号的定义FANUC 0i/0i Mate-TC 主面板及主控单元前视图如图8-1所示，图8-2为其后视图及其接口信号的定义。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-1 FANUC 0i/0i Mate-TC 主面板及主控单元前视图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-2 FANUC 0i/0i Mate TC 主控单元后视图及其接口信号的定义,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（3）FANUC 0i数控装置I/O单元接口信号的定义FANUC 0i数控装置I/O单元视图及其接口信号的定义如图8-3所示。2FANUC 0i/0i Mate进给伺服驱动装置进给伺服系统主要由各轴进给伺服驱动装置及其伺服电动机组成。伺服驱动装置接受从主控制单元发出的进给速度和位移指令信号，作一定的转换和放大后，驱动伺服电电动机，从而通过机械传动机构，驱动机床的执行部件实现精确的工作进给和快速移动。FANUC的系列伺服驱动装置主要分为SVM、SVMHV两种，其中SVM型的一个驱动装置最多可带三个伺服轴，而SVMHV型的一个单独驱动装置最多可带两个伺服轴。而且根据不同的CNC装置使用不同的接口类型。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（1）FANUC伺服驱动装置的型号参数伺服驱动装置的型号参数如下所示。SVM口-口口口 口 型号轴数，1：1轴伺服；2：2轴伺服；3：3轴伺服第一轴最大电流；第二轴最大电流；第三轴最大电流；输入电压，“无”=200V，HV=400V。(2)SVM1-20伺服驱动装置接口信号的定义SVM1-20伺服驱动装置接口信号的定义如图84所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-3 FANUC 0i数控装置I/O单元视图及其接口信号的定义,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,3FANUC 0i/0i Mate主轴驱动装置主轴系统主要由主轴驱动装置及主轴电动机组成。FANUC 0i/0i Mate数控装置提供了模拟主轴和串行主轴接口供用户选择。当用户选择模拟主轴时，一般选用通用变频器作为主轴驱动装置；当用户选择串行主轴时，FANUC 0i/0i Mate数控系统提供了SPM系列专用主轴驱动装置。（1）以三菱FR-S500为例的通用变频器各端子功能如图85所示。其它通用变频器端子功能大同小异。变频器控制端子说明：STF：正转启动。当STF信号ON时为正转，OFF时为停止指令。STR：反转启动。当STR信号ON时为反转，OFF时为停止指令。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图84 SVM1-20伺服驱动装置接口信号的定义,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,RH、RM、RL：多段数选择。可根据端子RH、RM、RL信号的短路组合，进行多段速度的选择。根据输入端子功能的选择（Pr.60Pr.63）可改变端子的功能。SD：接点（端子STF、STR、RH、RM、RL）输入的公共端子。10：频率设定用电源，DC5V，允许负荷电流为10mA。2：频率设定（电压信号）。输入DC05V（010V）时，输出成比例：输入5V（10V）时，输出为最高频率。5V/10V切换用Pr.73“05V，010V选择”进行。5：频率设定公共输入端。FR-S500变频器的有关设置参数请仔细阅读FR-S500变频器使用手册的有关内容。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（2）SPM系列专用主轴驱动装置数控系统中的主轴驱动装置主要用于控制驱动加工中心中的主轴电动机。FANUC的系列主轴模块主要分为SPM、SPMC、SPMHV三种。1）系列FANUC 0i主轴驱动装置的型号参数主轴驱动装置的型号参数如下所示。SPM口口口 主轴驱动装置型号；电动机类型，“无”为系列，C为C系列；额定输出功率；输入电压，“无”为200 V，HV为400 V。2）SPM-15主轴驱动装置接口信号的定义SPM-15主轴驱动装置接口信号的定义如图86所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,4.FANUC 0i/0i Mate电源装置FANUC 0i/0i Mate 数控系统所用的交、直流电源，因数控机床的复杂程度一般采用普通交、直流稳压开关电源和FANUC专用电源装置。普通交、直流稳压开关电源造价低，接线简单，广泛用于普通数控车、铣床；FANUC专用电源装置则多用于加工中心。普通交、直流稳压开关电源原理、接线请读者自行查阅资料，这里就不介绍了。FAUNC的系列专用电源装置主要分为PSM、PSMR、PSMHV、PSMVHV四种，输入电压分为交流200 V和交流400 V两种。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（1）系列专用电源装置的型号参数专用电源装置的型号参数如下所示：PSM口口口 电源装置型号；制动形式，“无”为再生制动，R：能耗制动，V：电压转换型再生制动，C：电容制动；额定输出功率；输入电压，“无”为200 V，HV为400 V。（2）专用电源装置接口信号的定义PSM电源装置接口信号的定义如图87所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-5 FR-S500变频器接线端子说明,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图86 SPM-15主轴驱动装置接口信号的定义,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图87 PSM电源装置接口信号的定义,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,5.FANUC 0i/0i Mate数控系统的综合连接FANUC 0i/0i Mate数控系统的综合连接图及其I/O LINK如图88、如图89所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图88 FANUC 0i/0i Mate数控系统的综合连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图89 I/O LINK连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,8.1.2 CKA6150数控车床电气控制分析1.CKA6150数控车床简介不同制造厂商制造的CKA6150数控车床选用FANUC OTD，FANUC Oi-MATE TC，FANUC Oi-TA，FANUCOi-TB、安川J50L、SIEMENS 802D，FAGOR 8025T，FAGOR 8055T等世界知名公司的数控系统。本例CKA6150数控车床采用FANUC Oi-MATE数控装置；三菱变频器主轴变速；SVM1-20进给驱动装置等数控系统。该机床为万能型通用产品。特别适合于军工、汽车、拖拉机、冶金等行业的机械加工。主要承担各种轴类及盘类零件的半精加工及精加工。可加工内、外圆柱面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体，可对工件可进行多次重复循环加工。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,基本配置：（1）机床采用卧式平床身结构，床身及床腿采用树脂砂铸造，时效处理，导轨采用高频淬火，整体刚性强。（2）主传动采用变频电机，可实现手动三档，档内无级调速。（3）进给系统采用伺服电机，精密滚珠丝杠，高刚性精密复合轴承结构。定位准确、传动效率高。（4）配置立式四工位刀架。（5）配有独立的集中润滑器对床鞍及机床滑板进行自动润滑。主轴箱配有独立润滑系统。（6）机床配有独立的冷却系统。（7）主控制系统为FANUC Oi-MATE。（8）大孔径主轴，其主轴通孔直径82，能通过较大直径的棒料。主轴扭矩大，刚性强，可强力切削。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（9）独立放置的操纵箱可纵向滑移，便于操作者就近对刀，操纵箱面板采用触摸式按键，美观可靠。（10）配有内冷却，不抬起刀架更有利于加工工件及防止冷却液飞溅。（11）床鞍及滑板导轨结合面采用“贴塑”处理，移动部件可实现微量进给，防止爬行。2CKA6150数控车床电气系统简述CKA6150数控卧式车床的电气控制系统是由CNC主控制装置、交流伺服驱动系统、主轴系统、强电控制部分等构成。CNC主控制装置以及伺服驱动装置，采用日本FANUC公司的产品，使机床性能价格比十分优越；主轴系统采用日本三菱变频器主轴变速，方便灵活。机床电气控制系统框图如图8-10所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,(1)机床电气容量及要求 电源总容量：24KVA 满载电流：34A电源总熔断电流：40A防护等级：IP54(2)机床电气主要技术要求机床供电电源要求采用三相四线制，380V 50Hz交流电。三根相线（Ll，L2，L3）和一根中性线(N)均从电柜底部引入电气柜内电盘上的主接线板Ll，L2，L3和PE端子上，出厂前PE和N端子已联接，只要将供电电源中性线接在PE端上即可。供电电源的电缆或电线的截面积应采用不小于6mm2导电率高的铜线。保护地线还必须与机床所设置的专用接地螺钉牢固、可靠地连接，接地电阻R10。如有三相五线制的用户，应把供电电源引接在端子上，将接线板上的PE和N的连线分开，分别接在五线制中的PE和N端子上。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,电网电压：交流380V(10%)电网频率：50Hz（1Hz）工作环境温度：540度相对湿度：25时80%（3）机床电气的构成1）数控系统CNC日本FANUC公司：FANUC Oi MATE TC2）伺服驱动装置及伺服电动机X轴：B-SVM1-20伺服驱动装置 B8/3000iS伺服电动机Z轴：B-SVM1-20伺服驱动装置 B8/3000iS伺服电动机本伺服电动机配有绝对值编码器，在加工过程中有断电保护功能。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,X轴：理论最大进给速度8m/min。Z轴：理论最大进给速度12m/min。3）强电控制单元主轴电动机M1：7.5KW 1000r/min 变频电动机。刀台电动机M2：0.18KW 1500r/min润滑电动机M3：0.09KW 1400r/min冷却电动机M4：0.12KW 2900r/min控制变压器TC1：交流380V/220V/24V/26V/28V 630VA。主要为控制回路和冷却风扇提供220V电源；为整流桥提供26V交流电源；为稳压电源GS1提供220V交流输入稳压电源GS1：为控制回路提供稳定的220V交流。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,控制变压器TC2：交流380V/220V 2200VA。主要为稳压电源GS2、伺服驱动装置和伺服电动机提供220V交流。稳压电源GS2：主要为CNC装置、LCD/MDI、I/O LINK、PLC I/O、伺服驱动装置等提供24V稳定的直流电源。接触器构成该车床电气输出执行元件；继电器构成该车床电气输出放大元件；各种压力开关、防护开关、脚踏开关、按钮等构成该车床电气输入元件。4）主要开关电器型号、规格如表8-1,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-10 CKA6150数控车床电气控制系统框图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,表8-1主要开关电器型号、规格,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,5）保护接地本车床接地系统如图8-11所示。电柜与车床接地线用6mm2黄绿双色线；电柜与其它部件接地线用13mm2黄绿双色线。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-11 CKA6150数控车床接地系统,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,3CKA6150数控车床电气控制原理图CKA6150数控车床部分电气控制原理图（主电路图、电源电路图、系统图）如图8-12（一）、图8-12（二）、图8-12（三）所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,8.2.SIEMENS数控系统电气控制硬件连接,常见的SIEMENS数控系统有SINUMERIK 810/840D、802C、802D、802S等。8.2.1 SINUMERIK 840D硬件连接简要说明1SINUMERIK 840D 数控单元SINUMERIK 840D 数控单元被称作NCU（Numerical Control unit）单元。根据选用硬件如CPU 芯片等和功能配置的不同，NCU 分为 NCU561.4，NCU571.4，NCU572.4，NCU573.4（12 轴），NCU573.5（31 轴）等若干种。同样地，NCU 单元中也集成 SINUMERIK 840D 数控 CPU 和 SIMATIC PLC CPU 芯片，包括相应的数控软件和PLC 控制软件，并且带有 MPI 或 Profibus 接口，RS232 接口，手轮及测量接口，PCMCIA 卡插槽等。所不同的是NCU 单元很薄，所有的驱动模块均排列在其右侧。NCU 单元接口图如图8-13 所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,2电源模块电源模块主要为 NCU 和进给驱动装置提供控制和动力电源，产生母线电压，同时监测电源和模块状态。根据容量不同，5/10/28 KW 均不带馈入装置，记为 U/E 电源模块。其它均需馈入装置，记为I/RF 电源模块。通过模块上的定货号或标记可识别，其接口如图 8-14 所示。3驱动模块 SINUMERIK 840D 配置的驱动一般都采用 SIMODRIVE 611D。SIMODRIVE 611D 是新一代数字控制总线驱动的交流数字驱动，它分为双轴模块和单轴模块两种；相应的进给伺服电机可采用 1FT6 或者 1FK6 系列，编码器信号为 1Vpp 正弦波，可实现全闭环控制；主轴伺服电机为 1PH7系列。其连接如图 8-15 所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-14 SIMODRIVE 611 主电源模块（1055kW）连接图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-15 FDD/MSD 模块连接图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,4OP 单元和 PCU OP 单元和 PCU 建立起 SINUMERIK 840D 与操作者之间的交互界面。（1）OP 单元和 MPI OP（Operator panel）单元一般包括一个10/12/15 TFT 显示屏和一个 NC 键盘。根据用户不同的要求，西门子为用户选配不同的 OP 单元，如：OP010，OP012，OP015 等。其中 OP010 最为常用。对于 SINUMERIK 840D 应用了 MPI（Multiple Point Interface）总线技术，传输速率为187.5K/秒，OP 单元为这个总线构成的网络中的一个节点。为提高人机交互的效率，又有 OPI（Operator Panel Interface）总线，它的传输速率为 1.5M/秒。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,(2)PCU PCU 实际上就是一台计算机。它有自己独立的 CPU，还可以带硬盘，带软驱。OP 单元正是这台计算机的显示器，而西门子 PCU 的控制软件也在这台计算机中。PCU（PC unit）是专门为配合西门子最新的操作面板OP10，OP10S，OP10C，OP12，OP15 等而开发的 PCU 模块，目前有三种 PCU 模块PCU20，PCU50，PCU70，PCU20 对应于 PCU50，不带硬盘，但可以带软驱；PCU50，PCU70 对应于 PCU20，可以带硬盘。PCU 的软件被称作 HMI，HMI 又分为两种：即嵌入式 HMI 和高级 HMI。一般标准供货时，PCU20 装载的是嵌入式 HMI，而PCU50 和 PCU70 则装载高级 HMI。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,5.MCP MCP（Machine Control Panel）是专门为数控机床而配置的，它也是OPI 上的一个节点，根据应用场合不同，其布局也不同。目前，有车床版 MCP 和铣床版 MCP 两种,其正面如图8-16，反面如图8-17。对840D，MCP 的 MPI 地址分别为6，用MCP 后面的 S3 开关设定。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,a)铣床MCP正面,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,b)车床MCP正面图8-16车床 MCP 和铣床 MCP正面图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-17 车、铣床 MCP 反面接口图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,6PLC 模块SINUMERIK 840D 系统的 PLC 部分使用的是西门子 SIMATIC S7-300 的软件及模块，在同一条导轨上从左到右依次为电源模块（Power Supply），接口模块（Interface Module）及信号模块（signal Module）。PLC 的CPU 与 NCU 的CPU 是集成在 NCU 中的。西门子 SIMATIC S7-300 模块如图8-18所示。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-18西门子 SIMATIC S7-300 模块,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,电源模块（PS）为PLC 和 NCU 提供+24V 和+5V电源。接口模块（IM）用于各级之间互连的。信号模块（SM）是用于机床PLC 输入/输出的模块，有输入型和输出型两种，有关接口及连线如图8-19所示,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-19 PLC 接口模块图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（a）输出信号,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（b）输入信号图8-20信号模块的输出、输入接线,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,对于具体机床设计者还应了解：（1）信号模块的接线。信号模块的输出、输入接线如图8-20所示。（2）信号模块对应的地址。S7-300信号模块的数字量IO默认地址和模拟量IO的默认地址见第7章表7-4和表7-5。7SINUMERIK 840D硬件连接SINUMERIK 840D 系统结构组成如图8-21所示，系统连接图如图8-22所示，电源接线如图8-23所示。对于硬件的连接应从两个方面入手：一方面，根据各自的接口要求，先将数控与驱动单元，PCU，PLC 三部分分别连接正确，连接时应特别关注：,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（1）电源模块X161 中9，112，48 的联接；驱动总线和设备总线；最右边模块的终端电阻（数控与驱动单元）。（2）PCU 及 MCP 的+24V 电源一定要注意极性。（3）PLC 模块注意电源线的连接；同时注意 SM 的连接。第二方面，将硬件的三大部分互相连接，连接时应特别关注：（1）MPI 和 OPI 总线接线一定要正确。（2）NCU 与S7 的IM 模块连线。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-21 SINUMERIK 840D 系统结构组成,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-22 SINUMERIK 840D 系统连接图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-23 电源接线图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,8.2.2 SINUMERIK 802系列数控系统硬件连接SINUMERIK 802系列数控系统包括SINUMERIK 802C、SINUMERIK 802D、SINUMERIK 802S等系统，根据采用的不同驱动系统又分多种类型。SINUMERIK 802C base line是一种微处理数字控制系统，用于控制带伺服驱动的经济型机床。图8-24为SINUMERIK 802C base line与SIMODRIVE 611U连接的综合接线图；图8-25为 SINUMERIK 802C base line与SIMODRIVE base line连接的综合接线图。SINUMERIK 802S base line是一种微处理数字控制系统，用于控制带步进驱动的经济型机床。图8-26为 SINUMERIK 802S base line综合接线图。SINUMERIK 802S和802C 系列 CNC 结构基本相同,可以进行3轴控制及3轴联动控制，系统带有10V 的主轴模拟量输出接口,可以配具有模拟量输人功能的主轴驱动系统。,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,SINUMERIK 802C配置的功能模块有：（1）伺服电机1FK7-5AF71-1SG0(3Nm-36Nm)；1FK7-5AF71-1SH0(3Nm-36Nm，制动)（2）控制模块6SN1118-0NJ01-0AA0单轴6SN1118-0NK01-0AA0双轴（3）电源模块6SN1146-1AB00-0BA 15KW6SN1145-1AA01-0AA1 10KW,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,（4）功率模块6SN1123SINUMERIK 802S配置的电机、功能模块有：（1）五相混合式步进电机3Nm-25Nm型号:6FC5548-0ABXX-0AA0（2）五相混合式驱动器型号:6FC5548-0AA00-0AA0(18Nm)6FC5548-0AA02-0AA0(18Nm、25Nm),第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-24 SINUMERIK 802C base line与SIMODRIVE 611U的连接综合接线图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-25 SINUMERIK 802C base line与SIMODRIVE base line的连接综合接线图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,图8-26 SINUMERIK 802S base line综合接线图,第8章典型数控系统电气控制硬件连接,思考题及习题,8-1 FANUC 0i与0i Mate数控装置有何区别？8-2 FANUC 0i/0i Mate主轴驱动装置有哪些？8-3 图89 I/O LINK连接中，FANUC 0i与0i Mate有何区别？8-4 分析CKA6150数控车床系统连接图（图8-12三）8-5 SINUMERIK 840D数控系统的连接与FANUC 0i/0i Mate数控系统的连接有何区别和联系？,