数控设备的安装调试技术.docx

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数控设备的安装调试技术

第一章数控机床概述

1.1数控机床的加工原理及组成

1.1.1数控机床的产生

1、产生原因

·机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。

·在机械制造工业中，单件、小批量生产的零件约占机械加工总量的70％～80％。

为满足多品种、小批量，特别是结构复杂、精度要求高的零件的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适于产品频繁变化的“柔性”自动化机床。

2、产生过程

·1947年美国帕森斯公司（Parsons）首先提出利用脉冲信号控制机床运动的的概念

·1949年美国空军资助，帕森斯公司（Parsons）和麻省理工学院（MIT）合作开始研制。

·1952年研制成功了世界上第一台以数字计算机为基础的数字控制（numericalcontrol，简称NC）3坐标直线插补铣床，从而使机械制造业进入了一个新阶段。

1.1.2计算机数控的概念与发展

1.计算机数控的概念

（1）数控的概念

GB8129—1997中对NC的定义为：

用数值数据的控制装置，在运行过程中不断的引入数值数据，从而对某一生产过程实现自动控制。

（2）数控机床（NCmachinetools）

若机床的操作命令以数值数据的地式描述，工作还在改照规定的程序自动地进行，则这种机床称为数控机床。

（3）数控系统

数控系统是指计算机数字控制装置、可编程序控制器、进给驱动与主轴驱动装置等相关设备的总称。

为区别起见将其中的计算机数字控制装置称为数控装置。

2．计算机数控的发展

先后经历了电子管（1952年）晶体管（1959年）、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机（1974年）等五代数控系统。

前三代属于采用专用控制计算机的硬接线（硬件）数控装置，一般称为NC数控装置。

第四代数控系统出现了采用小型计算机代替专用硬件控制计算机，这种数控系统称为计算机数控系统（omputerizednumricalcontrol，即CNC）。

自1974年开始，以微处理机为核心的数控装置（microcomcuperizednumericalcontrol即MNC）得到迅速发展。

我国从1958年开始研制数控机床，20世纪60年代中期进入实用阶段。

自20世纪80年代开始，引进日本、美国、德国等国外著名数控系统和伺服系统制造商的技术，使我国数控系统在性能、可靠性等方面得到了迅速发展。

经过“六五”、“七五”、“八五”及“九五”科技攻关，我国已掌握了现代数控技术的核心内容。

目前我国已有数控系统（含主轴与进给驱动单元）生产企业五十多家，数控机床生产企业百余家。

1.1.3数控机床的基本结构及工作原理

数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现：

（1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。

（2）所编程序指令输入机床数控装置中。

（3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。

（4）在机床上加工出合格的零件。

数控机床的基本结构如图1．1．2所示，下面对其各组成部分加以介绍。

1．输入装置

数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。

还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：

一种是边读入边加工，另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。

2．数控装置

数控装置是数控机床的中枢。

数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。

但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。

因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。

3．驱动装置和检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。

驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。

目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，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。

4．辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是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。

这些控制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。

现广泛采用可编程控制器（PLC）作数控机床的辅助控制装置。

5．机床本体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

第二章数控机床的安装调试与验收

2.1数控机床的安装调试

2.1.1机床就位与安装

按照工艺流程（工艺布局图），选择好机床安装位置，然后按照机床厂家提供的机床基础图和外形图进行车间现场实际放线工作。

检查机床与周边设备、走道、设施（消防栓、低压控制柜、暖气装置、各种管道、立柱加强筋）等有无干涉，并注意天车行程极限，若有干涉需移位后再重新放线，直至无干涉为止。

1.机床基础

机床基础可按照机床厂家提供的基础图来做，基础深度要考虑土质情况。

浇注基础时，需用振捣器将混凝土振实，中间多浇注一些，防止中部下沉过多，并需将基础表面找平抹平，否则无法调整机床。

车间一般先做机床基础、预埋各种管道，后做地面。

车间地面在三合土的基础上铺200mm厚钢筋混凝土（混凝土加钢筋头）地面。

2、机床安装

机床组装前要把导轨和各滑动面、接触面上的防锈涂料清洗干净，把机床各部件，如数控系统柜、电气柜、立柱、刀库、机械手等组装成整机。

机床放置在基础上，应在自由状态下找平，然后将地脚螺栓均匀地锁紧，留出适当的调整量约1~2个螺母高度。

参照相关精度验收标准，使水平仪读数在精度验收标准允许的范围内。

普通车床CA6140化学螺栓安装工艺：

原安装工艺：

先在地面挖地脚螺栓孔，再装地脚螺栓，然后浇灌混凝土，需时过长。

现采用化学螺栓（螺杆+双组份胶）也称为化学锚安装。

如M16螺杆，用铣孔机（水钻）铣孔φ18，深180mm，铣孔后需清理干净孔的内壁，然后用胶枪顶住孔底注入双组份胶，孔深的1/2~2/3，再插入M16螺杆后要有一小部分胶溢出，经1小时固化后即可精调机床，投入生产使用。

普通车床CA6140化学螺栓安装工艺：

原安装工艺：

先在地面挖地脚螺栓孔，再装地脚螺栓，然后浇灌混凝土，需时过长。

现采用化学螺栓（螺杆+双组份胶）也称为化学锚安装。

3.机床电源接线要求

根据机床电源容量（功率KW）选配线缆截面积，铁管管径和铁管弯头。

铁管不允许有裂纹，预先埋入地下200mm，管内预留细钢丝，以便于穿线缆。

铁管上焊接两个螺栓，用于铁管接地线，铁管管口加装橡胶护口以免碰伤线缆。

5根线缆中任何1根不允许中间有接头，按要求进行连接。

从机床电气柜外侧进线需加装蛇皮软管和护线管头。

如机床电气柜与主机分离需二次线缆，也要预埋铁管。

输入电源相序的确认。

2.1.1开机调试

注意：

①检查电线进口处有无损伤，而引起电源接地、短路等现象。

②熔断器有无烧损痕迹。

③检查配线、电气元件有无明显变形损坏或过热、烧焦和变色而出现臭味。

④限位开关、继电保护、热继电器是否动作。

⑤断路器、接触器、继电器等的可动部分，动作是否灵活。

⑥可调电阻的滑动触电，电刷支架是否有窜动而离开原位。

⑦导线连接是否良好，接头有无松动或脱落。

⑧对故障部分导线、元件、电机等万用表进行通断检查。

⑨用兆欧表检查电机、控制线路的绝缘电阻，通常不小于0.5MΩ。

1、通电前的准备

首先是按照机床说明书的要求给机床润滑油箱、润滑点灌注规定的油液或油脂，清洗液压油箱及过滤器，灌足规定标号的液压油，接通气源等。

2.通电前的电气检查

线路检查的思路及步骤。

根据电路图、按照各模块电路的电路连接、依次检查线路和各元件的连接。

注意：

①变压器的初、次级

②开关电源的接线

③继电器、接触器的线圈触点的接线位置

3、通电步骤

机床通电操作可以是一次同时接通各部分电源全面通电，也可以各部分分别通电，然后再做总供电试验。

对于大型设备，为保证更加安全，应采取分别供电。

（1）三相电源总开关的接通，检查电源是否正常。

（2）检查电源是否正常,观察电压表，电源指示灯。

（3）依次接通各断路器，检查电压。

（4）检查开关电源的入线及输出。

（5）发现问题，在未解决之前，严禁进行下一步试验。

（6）通电正常后用手动方式检查各基本运动功能

将状态选择开关放置在JOG位置，将点动速度放置在最低档，分别进行各坐标正、反向点动操作，同时用按下与点动方向相对应的超程保护开关，验证其保护作用的可靠性，然后再进行慢速的超程试验，验证超程撞块安装的正确性。

将状态开关放置于返参位置，完成返参操作。

将状态开关置于JOG位置或MDI位置，将主轴调速开关放在最低位置，进行各档的主轴正反转试验，观察主轴运转情况和速度显示的正确性，然后再逐渐升速到最高转速，观察主轴运转的稳定性。

进行选刀试验，检查刀盘正反转和定位精度的正确性。

逐渐变化快速移动超调开关和进给倍率开关，随意点动刀架，观察速度变化的正确性。

将状态开关置于EDIT位置，自行编制一简单程序，尽可能多地包括各种功能指令和辅助功能指令，位移尺寸以机床最大行程为限。

同时进行程序的增加、删除和修改操作。

将状态开关置于程序自动运行状态，验证使所编制的程序进行空运行、单段运行、机床锁住、辅助功能闭锁状态时执行的正确性。

分别将进给倍率

2.1.3机床试运行

为了全面地检查机床功能及工作可靠性，数控机床在安装调试后应在一定负载或空载下进行较长一段时间的自动运行考验。

国家标准GB9061-88中规定，数控车床的自动运行考验时间为16h，加工中心的自动运行考验时间为32h。

在自动运行期间，不应发生除误操作所致的故障以外的任何故障。

如故障时间超过了规定时间，应重新调整后再次从头进行运行考验。

考机程序一般应包括下列动作

①主轴转动要包括最低、中间和最高转速在内的五种以上速度的正转、反转及停止运动。

②各坐标轴以最低、中间和最高进给速度运动，各坐标轴快速运动，进給移动行程应接近该轴的全行程，快速移动距离应在该轴全行程的1/2以上。

③切削加工所用的准备功能指令和辅助功能指令。

④自动换刀应至少交换刀库中2/3以上的刀号，而且都要装上重量在中等以上的刀柄进行实际交换。

⑤用到一些特殊功能，如测量功能、工作台自动交换功能、用户宏程序等。

2.2数控机床的验收

对于一般的数控机床用户，数控机床验收工作主要是根据机床出厂验收技术资料上规定的验收条件，以及实际能够提供的检测手段，来部分或全部的测定机床验收资料上的各项技术指标。

检测结果作为该机床的原始资料存入技术档案中，作为今后维修时的技术指标依据。

1、预验收

预验收的目的是为了检查、验证机床能否满足用户要求的加工质量及生产率，检查供应商提供的资料、备件。

供应商只有在机床通过正常运行试切并经检验生产合格加工件后，才能进行预验收。

预验收多在机床生产厂进行。

2、开箱检验

开箱检验虽然是一项清点工作，但很重要。

参加检验的人员一般需要包括：

设备管理人员、设备安装人员、设备采购员、设备操作人员、设备维修人员、工艺编程人员和检验人员等。

如果是进口设备，还需要有进口商务代理和海关商检人员等在场。

开箱检验的内容主要是：

（1）装箱单

对照合同核对装箱单的内容。

依据装箱单清点设备。

（2）附件、备件、工具是否齐全。

按合同规定，对照装箱单清点附件的品种、规格和数量；备件的品种、规格和数量；工具的品种、规格和数量；刀具（刀片）的品种、规格和数量。

（3）技术资料是否齐全

按合同规定，核对应有的操作说明书、维修说明书、图样资料、验收标准、合格证等技术文件。

（4）机床外观检查

检查主机、数控系统、电气柜、操作台等有无明显碰撞损伤、变形、受潮、锈蚀等严重影响设备质量的情况。

3、机床精度验收

机床精度验收的内容主要包括：

几何精度

定位精度

切削精度

（1）几何精度

数控机床的几何精度是综合反映该机床的各关键零部件及其组装后的几何形状误差。

机床几何精度的检测必须在机床精调后一次完成，不允许调整一项检测一项，因为几何精度有些项目是相互联系相互影响的。

几何精度检测的项目一般包括：

直线度、垂直度、平面度、俯仰与扭摆和平行度等。

数控车床几何精度检测内容

1）床身导轨的直线度

2）床身导轨的平行度

3）溜板在水平平面内移动的直线度

4）尾座移动对溜板Z向移动的平行度

5）主轴跳动

6）主轴定心轴颈的径向跳动

7）主轴锥孔轴线的径向跳动

8）主轴轴线对溜板Z向移动的平行度

9）主轴顶尖的跳动

10）尾座套筒轴线对溜板Z向移动的平行度

11）尾座套筒锥孔轴线对溜板Z向移动的平行度

12）床头和尾座两顶尖的等高度

13）刀架X轴方向移动对主轴轴线的垂直度

（2）定位精度

定位精度是指数控机床各移动轴在确定的位置所能达到的实际位置精度，其误差称为定位误差。

定位误差包括伺服系统、检测系统、进给系统等的误差，还包括移动部件导轨的几何误差等。

它将直接影响零件加工的精度，所以是影响机床性能的重要指标。

重复定位精度是指在数控机床上，反复运行同一程序代码，所得到的位置精度的一致程度。

重复定位精度受伺服系统特性、进给传动环节的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。

一般情况下，重复定位精度是呈正态分布的偶然性误差，它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的精度指标。

定位精度主要检测以下内容：

机床各直线运动坐标轴定位精度和重复定位精度。

机床各直线运动坐标轴机械零点的复归精度。

机床各直线运动坐标轴反向误差。

回转运动（回转工作台）的定位精度和重复定位精度。

回转运动的反向误差。

回转轴原点的复归精度。

使用激光干涉仪测量数控机床定位精度。

光的干涉原理：

同光源（相同频率），二束光，相位差，同方向振动。

狭缝试验：

英国雷尼绍公司ML10激光干涉仪硬件组成：

ML10激光干涉仪、EC10补偿装置、各种光学镜头、三角支架、笔记本电脑（装有专用软件）等。

ML10激光干涉仪工作过程：

EC10上接有两个传感器。

一个长圆柱的为空气传感器，测量空气压力、温度、相对湿度；另一个扁圆柱的为材料温度传感器，测量被测物体温度。

二者均有磁性，吸附在被测量物体上。

笔记本电脑的PCMCIA接口通过一转换器与ML10、EC10连接信号缆。

ML10发出一束激光束通过分光镜射出两束光，一束光射到移动物体上安装的反光镜上再

（3）切削精度

机床的切削精度是一项综合精度，它不仅反映了机床的几何精度和定位精度，同时还受到试件的材料、环境温度、刀具性能及切削条件等各种因素影响。

为反映机床的真实精度，尽量排除其他因素的影响，切削精度测试的技术文件中会规定出测试条件，如试件材料、刀具技术要求、主轴转速、切削深度、进给速度、环境温度以及切削前的机床空运转时间等。

卧式数控车床切削精度检测项目：

①精车圆柱试件的圆度（靠近主轴轴端，检验试件的半径变化）

②精车端面的平面度

③螺距精度

④精车圆柱形零件的直径尺寸精度、精车圆柱形零件的长度尺寸精度

第三章FANUC系统的数控机床的调试

3.1FANUC系统的数控机床的调试

1、数控机床机电联调电气前期工作

根据数控机床的具体功能要求需做以下调试前期工作:

（1）机床电气的设计。

根据机械设计人员提出的电气设计任务书,进行机床外围强电部分的电路图设计和数控系统弱电部分的设计。

（2）数控系统的配置。

根据机床的功能规格和参数,提供FANUC0i的系统配置清单。

（3）电器元件的订购。

根据电气控制要求,提供需外购的电器元件的清单。

（4）PMC程序的编制。

根据机床动作设计要求,用FAPTLADDER4语言编制用户梯形图。

（5）机床电柜的配作。

待FANUC0i控制系统及其他电器元件到货后,根据电气原理图、电气元件接线图和电柜布置图进行元器件在电柜内的安装。

（6）机床床身的连线。

电柜配好后,可与机床本体进行连线,进行操作台、机床行程开关、伺服电机等部件的接线工作。

2、加工中心的调试步骤

调试分2大步:

数控系统外围的调试,称为强电调试;数控系统为适应具体数控机床需要而调整机床参数、调试PLC用户程序,称为弱电调试。

3、强电试调

在整机通电前,断开至CNC单元、伺服单元的电源插头。

这是一项安全措施,以防止不正确的电源进入造成数控系统的损坏。

4、电源电压准备

为保证人身和设备的安全,必须首先确认各种电源电压是否正常,如进线电源,DC24V,伺服变压器副边电压等。

5、各控制回路的调试

（1）用电器的工作对照图纸,分别使各用电器正常工作,如照明回路。

（2）CNC的启动/停止

以上各种电源电压正确之后,可以启动CNC。

启动/停止电路如图1所示。

CNC启动后,LCD出现显示。

图1

（3）紧停回路

按下FANUC机床操作面板上的紧停按钮,机床立刻停止运动,保证机床的安全。

一般情况下,超程检测由CNC通过参数处理（称为软件限位）,外部的限位开关是不必要的。

然而,为了避免由于伺服反馈系统发生故障使机床移动超出软件限位值,为了使机床能停下来,必须安装行程限位开关（称为硬件限位）。

当开关被挡铁压上后,CNC复位并进入紧停状态,伺服电机和主轴电机减速直至停止,机床立刻停止移动。

机床紧停回路如图2所示。

图2

6、弱电调试

在CNC伺服接通之后,LCD出现报警,这是因为没有设置机床参数,可先不理会他。

所谓参数,是指当CNC与机床组合在一起之后,为了最大限度地发挥CNC机床的功能而设置的值。

每一步都需按照数控系统说明书的说明来调整。

对于一台出厂后没做过任何调整的系统,调试步骤如下所述。

（1）核对系统功能参数

FANUC的每台数控系统出厂时都带有随机参数表。

在FANUC0i中9900号以上的参数即为系统功能参数。

他规定了一些基本功能,系统出厂时已设好,用户需按照此表核对设置。

（2）控制轴设定

FANUC0i的机床参数号从0～8999。

如P1020是字节轴型参数,P代表参数,A1表示第1轴,A2表示第2轴,A3表示第3轴。

有关控制轴的参数如下:

P1020:

各轴编程时的轴名称;P1022:

在基本坐标系中设定各轴的名称（注意:

该参数一定要设置,否则将不能进行G02,G03插补）;P1023:

各轴的伺服轴号（其设定值与控制轴号相同）;P1010:

CNC控制轴数;P8130:

总控制轴数。

2.2.3伺服引导伺服引导是指进给伺服系统的参数初始化,没有进行伺服引导前LCD上出现417号报警。

按伺服控制放大器的说明书操作。

若有参数设定不合理,即出现报警,报警的处理参见FANUCAC伺服电机5系列参数手册做相应的调整。

（3）主轴引导

主轴引导是指主轴伺服系统的参数初始化,没有进行主轴引导前,LCD上出现750号,751号报警。

设定主轴电机型号代码（P4133）以及参数P4019.7=1（P4019.7=1表示第4019号机床参数是位（bit）参数,其bit7=1）,进行自动5系列主轴参数初始化。

然后CNC断电,再通电,参数初始化才能生效。

P4019.7自动参数初始化之后,复位为0。

注意：

PMC模块参数和系统参数的设置PMC即PLC,用来完成机床辅助功能的控制。

在系统相应的页面进行设置。

3.2PMC梯形图（LADDER）的调试

这一步的工作量相当大,需与机械工作人员密切配合、共同进行,一起分析调试过程中出现的问题。

更为重要的是,调试人员对各功能的接口信号和参数必须十分熟悉,有深刻的理解。

对于接口信号,应该明确的是:

PMC除了与机床的各种信号装置通信外,还与CNC通信,将伺服系统的实际工作状态报告CNC,并接受CNC的控制。

（1）传送PMC程序通过RS232通讯接口和软件FAPTLADDER将事先编制的PMC梯形图送入CNC。

（2）调试机床控制面板程序

使操作方式等按钮生效。

该面板程序一经调试成功,今后若使用相同的面板,便可拷贝此程序。

如果要自行设计制作该操作面板,则需根据接口信号重新编程调试。

（3）调试机床润滑

在使各进给轴移动前,必须使机床导轨的润滑正常。

因此首先通过PMC程序调试定时润滑。

（4）各进给轴的移动

在JOG方式下,按各轴移动键,各坐标轴应按机床参数指定的速度向正方向或反方向移动,并受倍率开关的控制。

需设置有关进给参数,并处理有关接口信号。

（5）各轴参考点的设置

在FANUC系统中,回参考点的动作过程如图3所示。

图3

（6）轴行程的设置

数控系统进行超程检测,是CNC的基本功能,称为软件限位。

软件限位和硬件限位的位置关系如图4所示（以x轴为例）:

由于该机床带有刀库,当刀库在前位时,z轴不能在参考点下移动,因此z轴需设置第二软件限位保护。

图4

（7）主轴的调试

主轴控制单元（或称主轴放大器）接收来自CNC的译码指令,同时接受速度反馈实施速度闭环控制。

他还通过PLC将主轴的各种实际工作状态报告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。

主轴电机控制接口为主轴串行输出（与模拟输出相对,串行输出中输出到主轴的命令值为数字数据）。

同时使用外接位置编码器与CNC相连,用于检测主轴的位置。

①使主轴能以指定的转速旋转,如S500M03

本机床由CNC控制主轴电机的速度和极性。

主轴采用高低两档齿轮变速,高速档主轴与主轴电机之间齿轮传动比为1:

1;低速档主轴与主轴电机之间齿轮传动比为1:

4.95。

需处理CNC侧对主轴速度的控制的接口信号及主轴控制单元侧的接口信号,并设置最高速度、换档速度等参数。

串行主轴控制单元的参数为4000～4351。

注意:

分清参数中设定的是主轴速度（指令）还是主轴电机速度。

②使主轴能停留在某个固定位置（主轴准停）,M19为了保证刀具能准确地主轴和刀库之间交换,必须使用主轴准停功能。

控制梯形图见图5。

图5