基于FANUC数控铣床故障维修实验台的总体设计.docx
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基于FANUC数控铣床故障维修实验台的总体设计
毕业设计
设计题目：
基于FANUC数控铣床故障维修实验台的总体设计
系部：
机电工程系
专业名称：
机电一体化技术
班级：
学号：
姓名：
指导教师：
完成时间：
2012年月日
摘要
随着数控机床的推广和使用，社会对掌握数控机床诊断与维修的人才的需求越来越迫切。
本文研究的目的就是建立一个适合高职院校数控教学、实验、实训和开发的数控故障诊断与维修教学实验平台，以适应对数控机床诊断与维修方面人才培养的需求。
本文针对FANUC−0iMateD数控系统，从系统的体系结构、硬件连接，对数控实验台进行总体设计。
分析了主轴变频调速原理和伺服驱动系统，对各功能模块建立了连接。
分析了实验台的操作、功能开发以及参数设置。
重点研究了开关量I/O地址分配以及常见电气故障点的设置，并对系统进行了相关调试。
本课题所开发的故障维修实验台不仅在理论上进行了有益的探索与研究，还进行了系统具体的实施工作，对于高职院校数控维修高技能人才的培养，具有重要意义。
关键词：
数控系统，故障诊断，维修，教学实验
Abstract
WiththepromotionofNCmachinetoolsanduse,tothegraspofsocialnumericalcontrolmachinetooldiagnosisandmaintenanceofthetalentedperson'sdemandmoreandmoreurgent.Thepurposeofthisstudyistosetupasuitableforhighervocationalcollegesteaching,experiment,practicenumericalcontrolandthedevelopmentofnumericalcontrolfaultdiagnosisandmaintenanceteachingexperimentalplatform,inordertoadapttothenumericalcontrolmachinetooldiagnosisandmaintenancepersonneltrainingneeds.
ThispaperFANUC0iMateDnumericalcontrolsystem,fromthesystemofsystemstructure,hardwareconnection,ontheNCequipmentinoveralldesign.Analyzesthemainshaftfrequencycontrolprincipleandservodrivesystem,thefunctionmoduleconnection.Analyzestheexperimentaloperation、developmentandparametersettingfunction.FocusontheswitchquantityI/OaddressassignmentandcommonelectricalfaultpointSettings,andthesystemfortherelevantdebugging.
Thistopicofdevelopmentthemaintenancetestbenchnotonlyintheorybeneficialexplorationandresearch,butalsofortheconcreteimplementationsystemwork,forhighervocationalcollegesnumericalcontrolmaintenanceofskilledpersonneltraining,tohavetheimportantmeaning.
Keywords:
thenumericalcontrolsystem,faultdiagnosisandmaintenance,teachingexperiment
1绪论
1.1国内外数控机床的发展情况
目前，我国数控机床占机床总量比例不到3%，远远低于国外的水平。
而机床役龄10年以上的占60%以上，10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，能进行柔性加工的自动化生产线更少。
但当今产品的制造追求精密、美观、更新快、成本低、普通机床加工出来的产品存在质量波动大、加工精度低、品种少、成本高、时间长等缺点，而这些因素又直接影响一个企业的产品、市场、效益，关系到企业的生存和发展。
因此，大力提高机床的数控化率是目前很多企业正着力进行的事情，同时为企业今后实现信息化改造打下良好的基础。
我国每年都有大量机电产品进口，这也是从宏观上说明了机床数控化的必要性。
由于数控机床是机电一体化的高技术自动化机械设备，因此对其进行检测、维修的技术是相当复杂的。
数控机床的故障诊断与维修技术与传统机床有着较大的区别，需采用更为先进的故障诊断技术，及时在线监测和诊断数控机床的故障，一旦发现故障前兆就可及时判断出故障的性质和部位，找出事故隐患，有目的地进行适时控制，予以排除，这就是预知维修（或状态维修）。
从传统的定期维修改变为预知维修，可大大提高机床运行的安全性、可靠性和机床的利用率，节约大量的维修时间和费用，产生巨大的经济效益。
近年来，随着电子测量技术、信号处理技术、通信技术及计算机技术的发展，数控机床故障诊断技术也有了很大的发展，出现了很多先进的故障诊断与维修的技术。
1.2课题研究背景
数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。
目前，大多数高职院校数控专业把数控机床操作作为培养目标，很少涉及数控机床维修，少数高职院校虽然开设了有关《数控机床维修》方面的课程，但由于没有相关硬件设备做支撑，使得数控机床维修也只能是“纸上谈兵”；极少数开设数控机床维修相关课程的高职院校，在数控维修实践教学设备上使用的是基于系统开发的数控故障诊断与维修教学平台，该设备多数侧重演示功能，且价格相当昂贵，不能够把数控机床生产时出现的故障反应出来，不利于学生专业技能的掌握，真正做到理论教学、实验、实训和研究的则更少。
从衡量数控机床的稳定性和可靠性的技术指标来看，平均无故障时间（MTBF）技术指标可以保证数控机床在长时间工作内发生故障的频率，主要与数控机床制造质量和进行及时数控维护有关；而当故障发生后，另一个技术指标（排除故障修理时间MTTR）越短越好。
资料表明，当维修数控机床时，大约80%的时间用于查找数控机床故障，而只有20%的时间用于故障的排除。
当企业数控机床品牌、型号选定后，减少故障修理时间是提高数控机床的开动率、给企业创造更多经济效益的有力保证措施。
而把培养数控机床维修高技能人才作为己任的高等职业院校，在教学设备上应该采用集教学、实验、考核于一体的数控机床故障诊断与维修实验平台，使学生在“做中学”，在激发学生学习兴趣的同时，提高学生数控机床维修的实际动手能力，同时也解决了数控机床维修专业学生零距离就业的问题。
目前，FANUC数控系统在国内外企业内被广泛使用，在国内高职院校构建基于FANUC数控系统，集教学、实验、考核于一体的数控故障诊断与维修教学平台，以满足社会对数控维修高技能人才培养的需求。
1.3课题的研究意义
本课题研制的实验台采用开放式的结构，将数控系统、电气系统和执行部件做成展台的形式，建立了基于FANUC0iMate−MD数控系统的柔性数控实验平台，使数控系统硬件组成、信号连接走向、参数含义和程序执行过程直观化。
可面向高校开设数控技术、计算机控制技术、机电传动技术、机电控制等课程实验。
开发出数控铣床故障维修实验台，可以实现以下功能：
直观认识和掌握FANUC数控系统原理和数控加工程序的执行过程、数控系统弱电信号和强电；控制信号匹配连接的电气控制原理；编制数控加工程序并加工仿真；设置数控系统参数，编写PMC程序；根据所给电路图拆装电气元件；实现伺服电机、主轴电机等执行件辅助动作的运动控制；常见数控系统故障的分析与处理。
因此，数控维修实验台的研制成功对于提高数控技术及相关类课程的实验教学效果、培养数控技术应用型人才都将起到积极的推动作用。
2.数控铣床故障维修实验台总体设计
2.1数控机床的组成及作用
数控机床一般由人机交互设备、数控装置、伺服驱动装置、可编程控制器及电气控制装置、辅助装置、机床本体、测量装置组成，数控机床的组成如图2.1所示。
图2.1数控机床的组成
1.交互设备
定义：
具有人机联系功能的设备统称为人机交互设备。
作用：
它是操作人员与数控装置进行信息交流的工
具。
组成：
MDI键盘和显示器。
2.数控装置
数控装置是数控机床的核心，主要有硬件数控装置和计算机数控装置两种形式，现在多采用计算机数控装置，简称CNC装置。
主要功能是：
实现输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
现代数控系统提供了多种程序输入方法，如通过面板人工现场输入、通过磁盘驱动器输入、通过串行通讯口输入及传统的纸带阅读机输入等。
现代数控系统均配置有大容量存储器RAM来存储已输入数控系统的加工程序。
通过数控系统的显示器及键盘可现场对内存中的加工程序进行编辑与修改。
FANUC数控系统如图2.2所示。
图2.2FANUC数控系统面板
3.伺服驱动装置
这是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给驱动单元、主轴电机进给电机等。
数控机床的主轴和进给系统是由数控装置发出指令，通过电气或电液伺服系统实现的。
当几个进给轴实现联动时，可以完成点位、直线、平面曲线或空间曲线/面的加工。
4.数控机床的辅助装置
接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。
辅助控制装置包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。
如图3-4所示
5.编程机及其他一些附属设备
现代数控机床不仅可以用CNC装置上的键盘直接输入零件的程序，也可以利用自动编程机，在机外进行零件的程序编制，将程序记录在信息载体上（如纸带、磁带、磁盘等），然后送入数控装置。
对于较为复杂的零件，一般都是采用这种自动程序编制的方法。
6.机床本体
机床本体是在数控机床上自动完成各种切削加工的机械部分。
包括床身、立柱、立轴、进给机构等机械部件。
根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、钻床、电加工机床以及其它类型。
7.检测装置
检测反馈装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。
数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。
测量装置安装在数控机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘。
2.2数控系统与功能模块的连接
2.2.1数控系统的基本组成部分
数控系统是数控设备的核心，数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移（包括移动速度、方向、位置等），其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。
因此，作为数控系统的最基本组成应包括:
程序的输入/输出装置、数控装置、伺服系统这三部分:
1）输入/输出装置是CNC系统与外部设备进行交互的装置。
交互的信息通
常是加工或运动控制程序、加工与控制的数据、机床参数以及坐标轴的位置、检测开关的状态等数据。
数控机床常用的输入/输出设备见表2.3
│输入设备│输出设备│
├─────┼─────┤
│键盘│显示器│
├─────┼─────┤
│纸带阅读机│纸带穿孔机│
├─────┴─────┤
│磁带机│
├───────────┤
│磁盘驱动器│
└───────────┘
表2.3数控机床常用的输入/输出设备
2）数控装置是CNC系统的核心，它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等部分组成。
数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床的各部分进行规定的动作。
3）伺服驱动通常由伺服放大器和执行机构等部分构成。
在现代数控机床上，一般都采用交流伺服电机作为执行机构；在先进的高速加工机床上已经使用直线电机。
以上是数控系统的最基本的组成部分。
为满足不同用户的要求，数控机床一般还带有内部的可编程序控制器（PMC）作为机床的辅助控制装置。
此外，在金属切削机床上，主轴驱动装置也成为数控系统的一个部分；在闭环数控机床上，测量检测装置也是数控系统必不可少的。
随着数控技术的发展和机床性能水平的提高，数控系统的功能将日益增强，性能也会更加完善。
2.2.2数控系统的硬件配置
FANUC数控系统0i-D/0iMate-D是高可靠性、高性价比、高集成度的小型化系统。
使用了高速串行伺服总线（用光缆连接）和串行I/O数据口，有以太网口。
0iMate-MD是铣床（加工中心）用数控系统可使用βis伺服电机和βi主轴电机，控制轴数为4轴，可连一个I/OLinkβi伺服轴以控制外部机械。
用于3轴联动的数控综合实验台非常适合。
系统总体配置如图2.4所示
图2.4系统总体配置
（1）数控基本单元
选用FANUCSERIERS0iMate-MD基本单元，结构如图2.5的印刷板置于显示器的后面，体积非常小，结构紧凑，便于布置。
系统的显示器选用8.4英寸彩色LCD（液晶显示器），LCD与CNC单元集成为一体，在显示器的右面配有MDI键盘。
图2.5数控基本单元的结构
数控系统面板上各接口的功用与连接如表2.6所示
表2.6FANUC0iMateMD数控系统接口功用
2.2.3变频调速模块
目前，变频器技术已经发展到相当成熟阶段，市场上变频器产品种类繁多，如：
西门子MICROMASTER/MIDIMASTER系列变频器、富士FVR-G7S系列变频器、三菱FR-A500系列变频器、安川VS-616PC5/P5系列变频器等。
本系统选择了三菱FR-S520系列变频器对主轴进行速度控制。
1）变频器操作面板说明
变频器操作面板如图2.7
图2.7变频器操作面板面板
2）变频器的功能、连接与调试
三菱FR-S520SE-0.4K-CHT系列变频器输入电源为单相200～240V，变频器端子接线图如图2.8所示。
变频器主回路端子和控制回路端子名称说明参考变频器使用手册。
FANUC0iMate系统使用βib系列伺服单元时，主轴控制通常采用变频器控制。
CNC的JA40为模拟主轴的指令信号输出接口，JA41连接主轴编码器。
如图2.9所示，系统向外部提供0-5V模拟电压，接线比较简单，注意极性不要接错，否则变频器不能调速。
图中的ENB1/ENB2用于外部控制，一般不用。
变频器实物连接如图2.10所示。
图2.8变频器端子接线图
图2.9CNC与变频器连接图2.10变频器端子接线图
2.2.4系统硬件连接
系统的硬件连接如图2.11所示
图2.11系统的硬件连接
2.3数控铣床故障维修实验台的总体设计
本实验台采用开放性结构设计，尽可能的把组成数控机床的电气部分都能在实验台上展示，让学生有一个完整的数控机床电气组成的概念。
实验台外形如图2.12所示，适于制造、安装，结构合理，主要部件模块化布置，便于操作、使用。
整体布置主要有以下几个部分组成。
图2.12故障维修实验台外形图
1.面板部分
中央处理单元、MDI面板、操作面板采用紧凑型一体化结构，完全组合在一起，布置在实验台的左上角安装、使用方便。
如图2.13所示。
图2.13FANUC0i-MateMD操作面板图2.14实验台工作台
2.动作执行部分
主轴电机、X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机等较重的动作执行部分，运转时有振动和冲击，集中布置在带有加强筋的工作台面上，模拟铣床基本布局。
如图2.14所示。
3.其余电气结构部分
电气部分是整个实验台的控制部分，连接了数控系统与机械本体，电气结构的实验台共分为数控驱动器、I/O模块、三色报警灯、手轮接线、电气原理、调试用电脑、PLC输入/输出。
实验台的右半部分集中布置伺服放大器、I/O单元、开关量I/O板以及由空气开关、接触器、继电器等电器元件连接而成的强电线路，由于采用了开放式设计，结构清晰明了，可以完成数控机床安装、排障，接线、调试功能，并可结合面板下方的电气原理图，加深实验者对数控电气原理的了解，其框架如图2.15—2.18
图2.15三色报警灯模块图2.16手轮模块
图2.17电气原理模块图图2.18PLC输入/输出模块
4.后柜箱结构
后柜箱结构图如图2.19所示。
在后柜箱安装了故障设置盒、AC-DC转换器、电源开关、分线器等元器件。
图2.19后柜箱结构布局
3.维修实验台功能开发与应用
3.1系统的参数设定
数控系统的参数完成数控系统与机床结构和机床各种功能的匹配，这些参数在数控系统中按一定的功能组进行分类，例如:
伺服轴参数配置数控机床的轴数，各轴伺服电机数据、速度及位置反馈元件类型及反馈元件数据，串行通讯口参数对串行口进行数据传输时的波特率、停止位等进行赋值，等等。
数控机床的参数有着十分重要的作用，它在机床出厂时已被设定为最佳值，通常不需要修改。
但在实际运用和故障诊断维修中可根据实际情况对其进行更改、优化，从而弥补机械或电气设计方面的不足及故障的排除。
当然，更改参数必须首先对该参数有详细的了解，看该参数的变更会产生什么样的结果，受哪个参数的制约以及对其它参数有无影响，并做下记录，以便对不同参数所产生的结果进行对比，选择其中最佳者设定到对应的参数表中。
特别要注意的是在不知道参数的意义前最好不要修改参数，以免发生意外。
1、基本参数的设定
全清之后在按下急停按钮的情况下，进行参数的调整，基本步骤和主要参数如下：
基本坐标轴的参数如图3.1
PRM_980=0或者1各路径隶属的机床组号（设定0默认为1）;
PMR_981=各轴所隶属的路径号：
默认0为第1路径；
PRM_982=各主轴所隶属的路径号：
默认0为第1路径;
PRM_983=无需设定（系统自动设定）；
PRM_1020=各轴名称；
PRM_1022=各轴在基本坐标系中的顺序；
PRM_1023=各轴伺服轴FSSB连接顺序号；
2）存储行程限位参数
PRM_1320=各轴正向软限位；
PRM_1321=各轴负向软限位；
3）设定显示相关的参数
PRM_3105#0=1，3105#2=1显示主轴速度和加工速度；
PRM_3108#6=1显示主轴负载表；
PRM_3108#7=1显示手动进给速度；
PRM_3111#0=1，3111#1=1显示“主轴设定”和“SV参数”软按键；
PRM_3111#6=1，3111#7=1运行监视画面和报警切换设置；
图3.1基本坐标轴参数
4）初步设定进给速度参数（具体按要求设定）
PRM_1420=各伺服轴快速进给速度；
PRM_1423=各伺服轴JOG运行速度；
PRM_1424=各伺服轴手动快速速度；
PRM_1425=300各伺服轴回参考点的减速后速度；
PRM_1430=各伺服轴最高切削速度；
5）初步设定加减速参数
PRM_1620=快速G00的加减速时间常数；
PRM_1622=切削时的加减速时间常数；
PRM_1624=20JOG或者手轮运行时，如发现有冲击，可增大；
6）伺服参数的设定（伺服初始化）
在伺服设定中，分两步进行，首先设定半闭环下的参数，确保机械的正常运行，之后再调整为全闭环的参数。
按“SV参数”键，进入伺服设定画面，进行伺服初始化操作，如图3.2所示：
图3.2伺服设定画面
7）FSSB的设定
通过高速串行伺服总线（FSSB：
FanucSerialServoBus）用一根光缆将CNC控制器和多个伺服放大器进行连接，可大幅减少机床电装所需的电缆，并可提高伺服运行的可靠性。
当0i-mate-D系统使用以下型号放大器：
A06B-6164-****，A06B-6165-****（ibSVSP放大器）时，
设定PRM14476#0=0；之后进行FSSB的初始化设定，FSSB对应参数为1902~1937,14340~14391。
而当0i-mate-D系统使用A06B-6134-****（ibSVSP放大器）时必须设定PRM14476#0=1（否则系统SV516报警，FSSB放大器画面空白）；之后再进行FSSB参数设定，FSSB对应参数为1902~1937。
FSSB自动设定画面如图3.3所示（在以下两个画面中依次按“操作”—“设定”，就可以完成FSSB设定，之后断电重启）。
图3.3FSSB自动设定画面
8）伺服“一键设定”
在完成了伺服初始化之后，进行一键设定，优化伺服设定参数。
具体步骤为（图3.4）：
【SYSTEM】→右扩展键几次→【PARAMSET】（参数设定）→进入画面后选择：
PARAMETER（伺服参数）→【OPRT】（操作）→【SELECT】（选择）【GROUPINIT】（初始化）→【EXEC】（执行）
图3.4一键设定
9）手轮功能设定
PRM_8131#0=0手轮功能有效；
PRM_7113=100手轮×100挡倍率；
PRM_7114=1000如果手轮有×1000档则进行设定；
10）位置环增益和检测参数设定
PRM_1825=3000半闭环时可设定为3000；
PRM_2021=128如果震动可适当降低，最低可设定为0；
PRM_1828=20000如果移动伺服轴时411报警，可适当增大该值
PRM_1829=500如果系统410报警，可适当增大该值；
PRM_3003#0，#2，#3=1如不使用互锁信号则必须设定；
11）主轴参数的设定
由于本设计采用模拟量控制主轴（需设定PRM_8133#5=1）
Ⅰ、3716#0=0，3717=1，3730=100（不设置会导致模拟电压无输出）；
Ⅱ、PRM_3736=4095（M系列需设定）可以根据需要进行具体值设定）；
Ⅲ、PRM_3720=4096（可根据“实际连接编码器线数×4”来设定）；
Ⅳ、设定各档10V电压对应各档最高转速PRM_3741～3743模拟主轴常见报警处理：
SP1240：
设定PRM_3799#1=1可屏蔽。
3.2故障维修实验台电气故障点的设置
3.2.1维修试验台电气控制面板设计
3.2.2维修实
升级会员 