第５章 数控机床信号传递及连接 5．1 数控机床信号传递概述 5．2 可编程控制器及连接 5．3 变频器控制及连接

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1 第５章 数控机床信号传递及连接 5．1 数控机床信号传递概述 5．2 可编程控制器及连接 5．3 变频器控制及连接
第５章 数控机床信号传递及连接 5．1 数控机床信号传递概述 5．2 可编程控制器及连接 5．3 变频器控制及连接 5．4 数控系统与各控制单元的连接 学习目标 本章小结 思考题与习题

2 学习目标 掌握数控机床各组成部分之间的信号传递及其联接

3 图5-1 典型开关量I/O模板的电路框图 STD—信号 IORQ*—I/O地址选通 WR*—写存储器或I/O
IOEXP—I/O扩展 SYSRESET—系统复位 *表示低电平有效

4 图5-2 光电编码器与数控装置的连接

5 图5-3 PLC基本组成框图

6 图5-4 PLC在数控机床中的配置形式

7 图5-5 数控系统中PLC与CNC装置的连接

8 图5-6 内装型PLC的CNC系统

9 图5-8独立型PLC的CNC系统

10 图5-7 SINUMERIK 810数控系统的I/O模块

11 图5-9 T功能处理框图

12 图5-10 两种类型的变频器 a)交-交变频器 b)交-直-交变频器

13 图5-11 电压型变频调速系统原理框图

14 图5-12典型的电流型变频器 控制系统框图

15 图5-13 PWM交-直-交变频器示意图

16 a)正弦波的正半波 b)等效的SPWM波形

17 图5-15 三相SPWM控制电路原理框图

18 图5-16 SPWM变频器主电路 原理与电动机线电压波形
a)原理图 b) 线电压波形图

19 图5-17 数字控制的开环变频 调速系统框图

20 图5-18 FANUC数控系统总体 连接框图

21 图 i系列-机床操作面板的信号示意图

22 图5-20 主控制信号

23 图5-21 标准机床操作面板的 外观前视图

24 图5-22 使用机床操作面板的 后视图

25 图5-23 FANUC 直流主轴电动机 驱动控制示意图

26 图5-24 三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统主电路
图5-24 三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统主电路 a)主电路 b)主电路简图

27 图5-25 四象限运行

28 图5-26 6SC650系列交流主轴驱动装置原理图

29 图 SC650系列主轴 驱动系统组成

30 图5-28 主轴分段无级变速控制结构

31 图5-29 自动变速动作控制时序

32 图5-30 磁性传感器主轴准停装置 1—磁传感器 2—发磁体 3—主轴 4—支架 5—主轴箱 6、主轴驱动与CNC的信号连接

33 图5-31安川YASKAWA VS-626MT外部连线图

34 图5-32内部原理图

35 图5-33主轴伺服系统的连接

36 图5-34 S系列进给伺服系统的连接方法

37 5．1 数控机床信号传递概述 数控装置协调各种设备按要求工作，是数控机床能够正常运行的基础，数控机床的接口就是这种协调工作的重要保证，其主要是解决数控装置间信息交换或与数控装置外的信号交换过程，其实现的方法包括电气联接和软件的协调管理。数控机床信号传递主要是通过此接口来实现的。 1、信号的分类 2、接口的分类规范 3、数控机床的输入/输出接口 4、数控机床的输入输出信号 5、数控机床各单元的信号传递

38 1、信号的分类 从数控机床信号传递来看，主要有两类：
一类是单台机床内部各种部件之间的信号传递；控制机床坐标轴实时运动的相关信号，它由数控装置将控制信号传递给对应的驱动装置（伺服或变频），由驱动装置控制相应的电动机旋转；机床运行前后，数控装置对机床上各种开关信号的处理，包括主轴、冷却液启停等机床按钮和各行程开关信号等。 另一类是机床与机床之间或机床与数控装置之间的信号传递。主要是指数控系统之间通信，包括RS-232C通信和调制解调器等通信方式。

39 2、接口的分类规范 根据国际标准“ISO （E）机床数字控制—数控装置和数控机床电气设备之间的接口规范”的规定，接口分为四种类型：如图2-7所示。 Ⅰ—与驱动命令有关的连接电路（动力驱动的联接）； Ⅱ—数控装置与测量系统和测量传感器间的连接电路； Ⅲ—电源及保护电路； Ⅳ—通/断信号和代码信号连接电路。

40 图2-7 数控装置、控制设备和机床之间的连接

41 3、数控机床的输入/输出接口 输入信号：对CNC装置来说，由机床向CNC传送的信号。 输出信号：由CNC向机床传送的信号
不同的输入/输出设备与CNC系统相联接，采用与其相应的I/O接口电路和接口芯片。 接口芯片一般分为专用芯片和通用芯片。前者专门用于特殊的输入/输出设备的接口，后者适用于多种设备的接口。 接口电路的主要任务是：（1）进行电平转换和功率放大 一般CNC系统的信号是TTL电平，而控制机床的电平则不一定是TTL电平，负载较大，因此要进行必要的信号电平转换和功率放大。（2）防止干扰信号引起误动作 在数控系统中常采用光耦合器或继电器将数控系统和机床之间的信号在电气上加以隔离。

42 4、数控机床的输入输出信号 数控机床的输入输出信号大致包括五类信号。
（1）开关量I/O：用于完成机床的开关量辅助功能控制以及数控系统与机床信号的交换； （2）模拟量输出：高分辨率的模拟量输出用于控制进给伺服与主轴驱动的转速； （3）位置反馈输入：用于各进给轴与主轴位置的接收、处理以及计数； （4）手轮输入：用于连接MPG手轮脉冲发生器； （5）通信与网络接口：通常数控装置均具有标准的RS232接口，许多系统同时还配有20mA电流环及RS422远程通信接口。作为选件，还可配置各种网络接口。

43 1）开关量I/O 数控装置通常可直接处理开关量I/O信号或通过内置PLC处理开关量I/O信号。开关量的种类很多。例如可分为直流与交流、无源与有源、触点与无触点等多种，在数控系统中以直流开关量输入输出使用最为普遍。 （1）数控装置开关量I/O接口的内部结构

44 （1）数控装置开关量I/O接口内部结构 开关量包括开关状态的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器或接触器的吸合和释放，电动机的启动和停止。
典型开关量I/O模板的电路框图如图5-1所示，它一般总线接口逻辑、输入缓冲器和输出缓冲器、I/O电气接口。

45 2）模拟量输出 数控机床中的被测量(如：位移、速度、温度、力矩等)往往是连续变化的模拟信号，而执行机构(如电动机)则需要以模拟量来驱动，因此模拟量输入/输出接口是数控系统中一种重要的接口方式。被测模拟量输入接口电路即A/D转换接口电路。被测模拟量(实际位置或速度)经过信号调理后，输入模拟量输入接口，由A/D转换器转换为数字量后，才能为数控装置的计算机控制电路所接受；模拟量输出接口电路即D/A转换接口电路，数控系统送往执行机构的控制信号(位置命令或速度命令)应经过模拟量输出接口的D/A转换和信号调理后才能为执行机构所接受。

46 3）位置反馈输入信号与手轮信号 位置检测元件很多，较常用的有适用于半闭环的光电脉冲编码器、旋转变压器，适用于全闭环的直线光栅、直线感应同步器等。不同的检测元件与CNC装置的接口不同。因此一种数控系统通常只能接一种或两种位置传感器。如果数控装置已经选定，则位置传感器不能随意选择。 当传输线较长时，应考虑电源线的衰减，因此电源线与信号导线不同，应特别对待，通常采用较粗的线或采用两根以上的线连接，以减小电阻。此外，有些系统可将电源电压略调高一些(例如调至5~15V)以抵消传输压降。图5-2为典型的光电脉冲编码器至数控装置的连接。

47 5、数控机床各单元的信号传递 数控装置是数控系统的控制核心，其硬件和软件控制着各种数控功能的实现，它具有与数控系统其它组成部分的接口
驱动装置一般是以轴为单位的独立体，用以控制各个轴的运动 可编程序逻辑控制器（PLC）接受数控装置发出的数控辅助功能控制命令，对机床操作台和机床电机控制/监测机构的逻辑处理和监控，也为数控装置提供机床状态和有关应答信号； 操作台包括数控面板和机床操作面板。数控面板也称为键盘与显示器面板，主要是由数字键、英文字母键、功能键等组成，用于编制加工程序、修改参数等 机床操作面板对主轴、进给轴的控制，对加工程序运行控制，急停等等。

48 5.2可编程控制器及连接 可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。 一、可编程序控制器结构与特点 二、数控机床中PLC的控制对象 三、数控机床PLC控制

49 一、可编程序控制器结构与特点 1、可编程序控制器的基本结构 2、可编程序控制器的特点 3、可编程序控制器的基本编程方法

50 1、可编程序控制器的基本结构 PLC也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。整个PLC的基本组成如图5-3所示。
硬件系统主要有：中央处理器CPU、存储器、输入/输出（I/O）口、通信接口、编程器和电源等部分，此外还有扩展设备和EPROM的读写板和打印机等选配的设备。 PLC基本软件包括系统软件和用户软件。系统软件一般包括操作系统、语言编译系统和各种功能软件等。

51 2、可编程序控制器的特点 （1)可靠性高 （2)编程简单 （3)灵活性好 （4)直接驱动负载能力强 （5)便于实现机电一体化
（6) 可实现计算机网络控制

52 3、可编程序控制器的基本编程方法 编程是把控制任务的功能转换成程序。 （1）接点梯形图。 （2）语句表。 （3）逻辑功能图。

53 二、数控机床中PLC的控制对象 数控机床的控制可分为两大部分： 一部分是坐标轴运动的位置控制， 另一部分是数控机床加工过程的顺序控制。

54 1、PLC在数控机床中的配置形式 图5-4 PLC在数控机床中的配置形式
第一种为图5-4a所示，PLC安装在机床侧，用于完成传统继电器逻辑控制，PLC与CNC之间通过I/O点连线对接交换信息，PLC通过I/O点再控制机床的逻辑动作。 第二种如图5-4b所示，采用内装PLC，此时PLC仅有M根输入输出连线控制机床，而PLC与CNC之间的信息交换在CNC内部完成。 第三种如图5-4c所示，独立型PLC安装在靠近CNC处（或使用内置PLC），但将PLC的I/O模块安装在机床侧，PLC与I/O模块之间使用远程I/O通讯线连接。 第四种如图5-4d所示，使用独立型PLC，但PLC与CNC之间通过通讯连接，简化了连线，通讯信息量也大大增加。

55 2、PLC与外部单元的信息交换 PLC的信息交换就是指以PLC为中心，在CNC、PLC和机床之间的信息传递。
CNC→PLC和PLC→CNC PLC与机床之间交换的信息也分为两部分， 机床→PLC和PLC→机床。 图5-5 数控系统中PLC与CNC装置的连接

56 三、数控机床PLC控制 1、数控机床PLC分类 2、M、S、T功能的实现

57 1、数控机床PLC分类 数控机床用PLC可分为两大类，一类专为实现数控机床顺序控制而设计制造的内装型PLC；另一类是那些输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床要求的独立型PLC。 （1）内装型PLC （2）独立型PLC

58 （1）内装型PLC 内装型PLC从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。如图5-6所示。
2）内装PLC可以与CNC共用一个CPU，也可以单独有一个专用的CPU 3）PLC与CNC通常装在一个机箱中，并且它们使用共同的输入输出电路。 目前生产的CNC系统中，大多为内装型PLC。 图5-7所示为SINUMERIK 810数控系统中的I/O模块配置。

59 （2）独立型PLC 独立型PLC又称通用型PLC，独立于CNC装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。如图5-8所示。 特点如下： 1）独立型PLC本身即是一个完整的计算机系统，具有CPU、EPROM、RAM、I/O接口、以及编程器等外部设备的通信接口、电源等。 2）独立型PLC的I/O模块种类齐全，输入输出点数可通过增减I/O模块灵活配置。 3）独立型PLC功能更强，但一般要配置单独的编程设备。 图5-8独立型PLC的CNC系统

60 2、M、S、T功能的实现 PLC处于CNC装置和机床之间，用PLC程序代替以往的继电器线路实现M、S、T功能的控制和译码。
3）T功能的实现。 T功能处理如图5-9

61 5.3变频器控制及连接 变频调速就是通过改变电动机定子供电频率以改变同步转速来实现调速的。 变频器是对交流电动机实现变频调速的装置。
一、变频器分类 二、数控机床中常用的变频器 三、变频器的参数设置

62 一、变频器分类

63 二、数控机床中常用的变频器 1、交-直-交变频调速系统 2、脉宽调制型（PWM）变频器 3、正弦波脉宽调制（SPWM）变频器

64 1、交-直-交变频调速系统 在交-直-交变频调速系统，首先将电网中的交流电整成直流电，再通过逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。前者主要采用晶闸管整流器来完成；逆变器的作用与整流器的作用相反，一般包括逆变电路及换流电路两部分。逆变电路又有单相与多相、零式与桥式之分。换流电路是保证当前导通的一只晶闸管换为后一只晶闸管导通时，确保前者能可靠关断的装置。就整个变频装置而言，又根据从直流变到交流的中间环节滤波方法的不同而派生出两种不同的线路，即所谓电压型变频调速系统和电流型变频调速系统。 1）电压型变频调速系统 2）电流型变频调速系统

65 1）电压型变频调速系统 图5-11所示为电压型变频调速系统的原理框图。
系统中，晶闸管整流、移相触发电路、脉冲放大器、电压及速度负反馈环节的电路及原理与直流调速系统一样。 输出脉冲分别送至环形计数器及频率/电压变换器中。 环形计数器实质上是一个分频器，它把来自频率发生器的脉冲依次分配，经过脉冲放大后，顺序触发逆变器晶闸管来实现逆变。 频率/电压（F/V）变换器是为了实现电压与频率的协调控制。

66 2）电流型变频调速系统 图5-12是典型的电流型变频器控制系统框图。
电流型变频器的两个功率装置，即整流器和逆变器，它们也分别有自己相应的控制回路，并且相互联系着，由同一个给定值进行控制。 整流器的作用是为逆变器提供直流电源，采用相位控制原理改变晶闸管的控制角α来控制整流电压和电流。 逆变器的作用是将直流调制成可变频率的交流，作为交流电动机的变频电源。

67 2、脉宽调制型（PWM）变频器 脉宽调制型（PWM）变频器是一种交-直-交变频器。其基本原理是控制逆变器开关元件的导通和关断时间比（即调节脉冲宽度）来控制交流电压的大小和频率。图5-13 PWM交-直-交变频器示意图 PWM型变频器的主要特点是： 1）主电路只有一个可控的功率环节，开关元件少，控制线路结构得以简化。 2）整流侧使用了不可控整流器，电网功率因数与逆变大输出电压无关而接近1。 3）调频调压在同一环节实现，与中间储能元件无关，变频器的动态响应加快。 4）通过对PWM控制方式的控制，能有效抑制或消除低次谐波，实现接近正弦形的输出交流电压波形。

68 3、正弦波脉宽调制（SPWM）变频器 SPWM变频器属于交-直-交静止变频装置，它先将50Hz交流电经整流变压器变到所需的电压后，经二极管可控整流和电容滤波，形成恒定直流电压，再送入常用6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波），即可拖动三相异步电动机运转。 特点：结构简单，电网功率因数接近于1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，使电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能。 1）SPWM波形与等效正弦波 2）产生SPWM波形的原理 3）SPWM变频器的主电路

69 1）SPWM波形与等效正弦波 SPWM逆变工作原理：是把1 个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积都用1个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。它对应着1个正弦波的半周，对正负半周都这样处理即可得到相应的2N个脉冲，这就是与正弦波等效的正弦脉宽调制波。 图5-14 与正弦波等效的SPWM波形

70 2）产生SPWM波形的原理 SPWM波形产生的方法：以正弦波为调制波对等腰三角波为载波的信号进行“调制”。
调制电路仍可采用电压比较放大器。其原理图如图5-15所示。

71 3）SPWM变频器的主电路 SPWM变频器的主电路原理及电动机线电压波形如图5-16所示。
图a中V1～V6为6个大功率晶体管，并各有1个二极管与之反并联，作为续流用。 来自控制电路的SPWM波形作为基极控制电压加于各功率管的基极上。按相序要求和频率要求，从参考信号振荡器上产生频率与电压协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经倒相分路后可得到6路SPWM信号，加于V1～V6功率晶体管基极，作为驱动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式时，可得到如图5-16所示的线电压波形。

72 三、变频器的参数设置 图5-17为数字控制的开环变频调速系统框图，为提高速度控制精度，可通过速度检测编码器，实现速度的闭环控制。
变频器的参数设置步骤如下： 1、首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。 2、按数字键或数字增减键（△键和 键），选择需进行预置的功能码。 3、按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据。 4、如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。 5、按写入键或设定键，将修改后的数据写入。 6、如预置尚未结束，则转入第二步，进行其他功能设定。如预置完成，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，就可以启动电动机了。

73 5.4数控系统与各控制单元的连接 数控机床各单元的连接主要包括数控装置与外部MDI/CRT单元、强电柜、机床操作面板、进给伺服电动机动力线与反馈线、主轴电动机动力线与反馈信号线的连接及与手摇脉冲发生器等的连接。 下面主要以FANUC铣床数控系统为例说明FANUC数控机床的连接。其总体连接框图如图5-18所示。 5.4.1数控装置与输入输出信号的连接 5.4.2数控装置与主轴驱动装置的信号连接 5.4.3数控装置与伺服驱动装置的信号连接

74 5.4.1数控装置与输入输出信号的连接 数控机床的输入/输出信号是指CRT、键盘和机床操作面板与CNC装置之间进行传递的信号。
CRT与CNC单元中的VGA卡通过DB15插头互连。 2、键盘与CNC装置的连接 键盘与CNC单元通过CPU板上的COM2口互连。执行RS232C的标准。之所以不采用通用键盘接口，是因为通用键盘线在距离较长时不够用。 3、机床操作面板与CNC装置的连接

75 3、机床操作面板与CNC装置的连接 下面以FANUC Oi系列为例进行介绍 1）FANUC 0i用机床操作面板的信号
4）控制信号管脚排列图

76 1）FANUC 0i用机床操作面板的信号 规格号 外形尺寸 备注 主面板B A02B-0236-C231 180mm(H)*290mm(W)
已包括34个符号键，21白键 子面板B1 A02B-0236-C235 180mm(H)*110mm(W) 已包括进给倍率和主轴倍率，急停，程序保护开关 操作面板符号键 A02B-0236-K172 34个符号键，21白键 操作面板白键 A02B-0236-K171 55个白键 操作面板透明键 A02B-0236-K170 55个透明键

77 2）0i系列-机床操作面板的信号示意图

78 3）0i系列-机床操作面板地址与 连接器的管脚分配图

79 4）控制信号管脚排列图 （1）通过I/O Link 输出的输入/输出信号。如机床操作面板的信号示意图所示，地址为：Xm+0,1,2……（地址表中信号名称为GDI0～GDI18）和 Yn+5.3……(地址表中信号名称为GDO0～GDO7)。 （2）通过印刷电路板的信号转接信号。该信号用于操作面板侧信号的转接，如机床操作面板的信号示意图所示，信号名称为TR1～TR8，该信号仅仅用于把通用开关信号（通过CA65插座）连接到强电柜侧的信号转接用。例如：将一开关信号连接到CM68的TR3上，由于CA65插头的TR3与该点相连，该信号就通过CM65连接到强电柜中了。下面为使用该机床操作面板的例子。

80 5.4.2数控装置与主轴驱动装置的 信号连接 1、常用主轴驱动系统介绍 2、主轴转速控制 3、主轴分段无级调整及控制 4、自动变速控制
5、主轴准停 6、主轴驱动与CNC的信号连接 7、主轴伺服系统的连接

81 1、常用主轴驱动系统介绍 1）FANUC公司主轴驱动系统 2）SIEMENS公司主轴驱动系统

82 1）FANUC公司主轴驱动系统 目前三个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.5～37KW；H系列电动机，额定输出功率范围1.5～22KW；P系列电动机，额定输出功率范围3.7～37KW。 该公司交流主轴驱动系统的特点为：采用微处理控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制；主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波形；具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。

83 2）SIEMENS公司主轴驱动系统 SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与上述四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。 80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM变频控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用微处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。通过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。

84 2、主轴转速控制 1）直流主轴速度控制 2) 交流主轴速度控制

85 1）直流主轴速度控制 由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速方式。
（1）控制电路 （2）主电路

86 （1）控制电路 控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统工程，其中内环是电流环，外环是速度环。图5-23为FANUC直流主轴电动机驱动控制示意图。 双闭环调速系统的特点是：速度调节器的输出作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。 优点是可以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩，在速度差值大时，电动机转矩大，速度变化快，以便尽快地使电动机的转速达到给定值；而当转速接近给定值时，又能使电动机的转矩自动地减小，这样可以避免过大的超调，使转速很快达到给定值，保证转速稳态无静差。

87 （2）主电路 数控机床直流主轴电动机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，其主电路如图5-24所示。 三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行示意图见图5-25所示。电动机正向电动时，正组晶闸管工作在整流状态，提供正向直流电流；电动机反向电动时，则由反组晶闸管工作时在整流状态，提供反向直流电流；即可控制电动机在第一、三象限的启动、升降速。

88 2) 交流主轴速度控制 交流主轴速度控制主要采用主轴电动机配变频器控制的方式。
下面以SIEMENS 6SC650系列交流主轴驱动装置为例进行介绍。 6SC650系列交流主轴驱动装置是晶体管脉宽调制变频器，与1PH5、1PH6系列交流主轴电动机组成数控机床的主轴驱动系统，可实现主轴的自动变速、主轴定位控制和主轴C轴进给。 图5-26 6SC650系列交流主轴驱动装置原理图，图5-27为6SC650系列主轴驱动系统组成。 6SC650系列交流主轴驱动变频器主要组件有： （1）控制模块（N1） （2）I/O模块（3）电源模块（G01）和中央控制模块（G02）（4）选件（S1O）

89 3、主轴分段无级调整及控制 无级调速主轴机构，虽然能大大简化主轴箱，但低速段输出转矩常常不能满足切削转矩要求。如单纯追求无级调速，势必要增大主轴电动机功率，主轴电动机与驱动装置的体积、重要及成本大大增加，也降低了运行效率。因此，数控机床常采用1～4档齿轮变速与电动机无级调整相结合，即分段无级变速控制。 采用齿轮减速虽然可以增加低速时的输出转矩，但降低了最高主轴转速。因此常采用齿轮自动变挡，达到既满足低速转矩，又满足最高主轴转速的要求。数控系统一般均提供了4挡变速功能，而数控机床通常使用两挡即可满足要求。 在数控系统参数区设置M41～M44四挡对应的最高主轴转速，数控系统即可使用M41～M44指令，控制齿轮自动变挡。在控制过程中，数控系统会根据当前的S指令值，自动判断应处的挡位，输出相应的M41～M44指令给可编程控制器（PLC），控制变换相应的齿轮位置；数控系统同时输出相应的模拟电压或数字信号设定对应的速度。其控制结构如图5-28所示。

90 4、自动变速控制 自动变速动作的控制时序如图5-29所示。
1）当数控系统读到变化的S指令时,立即输出相应的M代码(M41、M42、M43、M44)，送至可编程控制器。是输出BCD码还是二进制码，由数控系统的参数确定。 2）50ms后，CNC发出M选通信号，持续100ms控制可编程控制器读取并执行M代码。之所以50ms后发出选通信号，为了让M代码稳定，保证可编程控制器读取的数据正确。 3）可编程控制器接收到M选通信号后，立即使M完成信号为低电平，告诉数控系统M代码正在执行。在M完成信号为低电平期间，M信号无效。 4）可编程控制器开始对M代码进行译码，并执行相应的变速控制逻辑。 5）M代码输出200ms 后，数控系统根据参数设置输出一定的主轴蠕动量，从而使主轴慢速转动或振动，以解决齿轮顶齿问题。 6）可编程控制器完成变挡后，M完成信号变为高电平，告诉数控系统变速工作已经完成，M信号有效。 7）数控系统根据参数设置的每挡主轴最高转速，自动输出电动机对应的速度指令值，使主轴为给定的S值。

91 5、主轴准停 数控机床的主轴准停主要用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等场合，有三种实现方式：
1）机械准停控制 由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。 2）磁性传感器的电气准停控制 图5-30为机床主轴采用磁性传感器准停的装置。发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感器之间的间隙为（1.5±0.5）mm。 3）编码器型的准停控制 通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。 以上准停都要有减速的过程，要进行适当设置减速或增益参数，并且要使各个开关或间隙保持灵敏性。 图5-30 磁性传感器主轴准停装置

92 6、主轴驱动与CNC的信号连接 CNC装置对主轴驱动装置的控制，包括主轴速度的控制与其他开关量动作的控制两部分。图5-31为安川YASKAWA VS-626MT外部连线图，图5-32是内部原理图。 对应一些开关量控制信号作用如表5-4所示。

93 表5-4开关量控制信号作用 序号 简 称 名 称 作 用 1 RDY 准备好信号 RDY触点闭合时，主轴驱动即进入工作装备状态 2 EMG
简 称 名 称 作 用 1 RDY 准备好信号 RDY触点闭合时，主轴驱动即进入工作装备状态 2 EMG 急停信号 当EMG常闭触点打开时，电动机立即制动至停转 3 FOR、REV 正反转信号 用于指定主轴正反转 4 TLH、TLL 转矩高低极 限控制信号 此信号有效时，临时限制主轴电动机输出的转矩范围，以避免机械损坏。 5 SSC 软启动信号 此信号可使主轴在通常的主轴驱动状态和伺服状态间相互切换，进行伺服状态可实现位置闭环控制 6 PPI 速度调节器 选择信号 决定是否使用比例积分调节器PI还是比例调节器P作为速度调节器 7 DAS 速度设定 方式信号 选择是采用模拟电压速度指定还是采用数字量 8 ZSPD 零速输出信号 当主轴转速低于设定值，ZSPD输出，表明电动机停转 9 AGR 速度达到信号 该信号作为CNC装置主轴S指讼的完成应答信号 10 NDET 速度检测 输出信号 当主轴转速低于设定转速时NDET输出该信号。可用于齿轮移动换挡、离合器离合动作等场合 11 TLE 转矩极限 当TLL和TLH输入信号有效时，TLE信号输出，可控制报警和停转 12 ALM 报警输出信号 当主轴报警时ALM输出报警信号通过编码指示报警内容 13 TDET 转矩检测 当主轴输出转矩低于某一定值时，TDET信号输出，用于检测主轴负载情况

94 7、主轴伺服系统的连接 S系列主轴伺服系统的连接方法如图5-33所示，其中K1为从伺服变压器副边输出的AC220V三相电源电缆，应接到主轴伺服单元的U、V、W和G端输出到主轴电机的动力线，应与接线盒内的指示相符。K3为从主轴伺服单元的端子T1上的R0、S0和T0输出到主轴风扇电机的动力线，应使风扇向外排风。K4为主轴电机的编码器反馈电缆，其中PA、PB、RA和RB用做速度反馈信号，0H1和0H2为电机温度接点，SS为屏蔽线。K5为从NC和PMC输出到主轴伺服单元的控制信号电缆，接到主轴伺服单元的50芯插座CN1，其中的信号含义如表5-4所示。图中K6为从主轴伺服单元的20芯插座CN3输出的主轴故障识别信号，该组信号由AL8、AL4和AL1以及公共线COM组成，由它们产生的16种二进制状态表示相应的故障类型，这些信号进入PMC的输入点后，由相应的程序译码并显示在CRT上。

95 5.4.3数控装置与伺服驱动装置的信号连接 数控机床的进给伺服系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链等组成，进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。数控机床的进给伺服驱动系统应该满足高精度、快速响应、调速范围宽、低速大转矩、可靠性高等要求。 1、常见进给驱动系统介绍 2、数控系统与驱动装置的信号连接

96 1、常见进给驱动系统介绍 1）直流进给驱动系统 2）交流进给驱动系统 3）步进驱动系统

97 1）直流进给驱动系统 （1）FANUC公司直流进给驱动系统
从1980年开始，FANUC公司陆续推出了小惯量L系列、中惯量M系列和大惯量H系列的直流伺服电动机。中、小惯量伺服电动机采用PWM速度控制单元，大惯量伺服电动机采用晶闸管速度控制单元。驱动装置具有多种保护功能，如过速、过电流、过电压和过载等。 （2）SIEMENS 公司直流进给驱动系统 SIEMENS 公司在70年代中期推出了1HU系列永磁式直流伺服电动机，规格有1HU504、1HU305、1HU307、1HU310和1HU313。与伺服电动机配套的速度控制单元有6RA20和6RA26两个系列，前者采用晶体管PWM控制，后者采用晶闸管控制。驱动系统除了各种保护功能外，另具有I2t热效应监控等功能。 （3）MITSUBISHI公司直流进给驱动系统 MITSUBISHI公司的HD系列永磁式直流伺服电动机，规格有HD21、HD41、HD81、HD101、HD201和HD301等。配套的6R系列伺服驱动单元，采用晶体管PWM控制技术，具有过载、过电流、过电压和过速保护，带有电流监控等功能。

98 2）交流进给驱动系统 （1）FANUC公司交流进给驱动系统
FANUC公司在80年代中期推出了晶体管PWM控制的交流驱动单元和永磁式三相交流同步电动机，电动机有S系列、L系列、SP系列和T系列，驱动装置有s、α系列交流驱动单元等。 （2）SIEMENS 公司交流进给驱动系统 1983年以来，SIEMENS 公司推出了交流驱动系统，由管6SC610系列进给驱动装置和6SC611A（SIMODRIVE611A）系列进给驱动模块、IFT5和1FT6系列永磁式交流同步电动机组成。驱动采用晶体管理工作PWM控制技术，带有I2t热监控等功能。另外，SIEMENS公司还有用于数字伺服系统的SIMODRIVE 611D 系列进给驱动模块。 （3）MITSUBISHI公司交流进给驱动系统 MITSUBISHI公司的交流驱动单元有通用型的MR-J2系列，采用PWM控制技术，交流伺服电动机有HC-MF系列、HA-FF系列、HC-SF系列和HC-RF系列。另外，MITSUBISHI公司还有用于数字伺服系统的MDS-SVJ2系列交流驱动单元。 （4）A-B公司交流进给驱动系统 A-B公司的交流驱动系列有1391系统交流驱动单元和1326型交流伺服电动机。另外，还有1391-DES系列数字式交流驱动单元，相应伺服电动机有1391-DES15、1391-DES22和1391-DES45三种规格。

99 3）步进驱动系统 在步进电动机驱动的开环控制系统中，典型的产吕有KT400数控系统及KT300步进驱动装置，SINUMERIK 802S数控系统配STEPDRIVE步进驱动装置及IMP5五相步进电动机等。

100 2、数控系统与驱动装置的信号连接 FANUC系统采用S系列交流伺服电机时，配用S系列交流伺服放大器，此放大器的电源电压AC220/230V，此电源由专用的伺服变压器供电，AC100V制动电源由NC电源变压器供给。如图5-34所示

101 本 章 小 结 本章讲述了数控机床各组成部分之间的信号传递及其联接。主要包括数控机床各部件间传递信号的分类和各个输入输出信号；数控机床PLC的对象和控制；变频器原理及应用；本章重点讲述了主轴驱动装置和伺服驱动装置的内容和特点，以及与数控系统具体信号连接。

102 思考题 5-1 数控机床的信号分类和主要包括那几部分内容？ 5-2 数控机床中PLC定义是什么？与通用PLC区别是什么？
5-1 数控机床的信号分类和主要包括那几部分内容？ 5-2 数控机床中PLC定义是什么？与通用PLC区别是什么？ 5-3 PLC的主要构成部件有哪些?各部分的作用是什么？ 5-4 数控机床用PLC有哪些类型？其适用范围如何？ 5-5 M、S、T功能是如何实现的？ 5-6 数控机床中变频调调速有哪些方法？各自特点是什么？ 5-7 脉宽调制型（PWM）变频器的工作原理？ 5-8 变频器的参数设置有哪些？ 5-9 数控装置的输入输出信号有哪些？ 5-10 常用主轴驱动系统有哪些？举例说明。 5-11 主轴如何分段无级调速？