采用FANUC-0IMateTD系统的CK6132数控车床串行主轴控制设计

常州机电职业技术学院

毕业设计（论文）

作 者：XX 学 号：11260314 系 部： 电气工程系 专 业：数控设备应用与维护

题 目：采用FANUC 0IMateTD系统的CK6132

平床身数控车床串行主轴控制设计

校内指导教师： 企业指导教师：

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评阅者：

2015 年 4 月

毕业设计（论文）中文摘要

数控机床的主轴驱动系统也叫主传动系统是完成主运动的动力装置部分。数控机床主轴及其控制系统的性能在某种程度上决定了机床的性能机器档次。因此，在数控机床的发展过程中都引起高度的重视。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。在CNC中，主轴转速通过S指令进行编程，被编程的S指令可以转换为模拟电压或数字量输出，因此主轴的转速有两种控制方式：利用模拟量输出进行控制（简称模拟主轴）和利用串行总线进行控制（简称串行主轴）。在本论文中，主要探讨采用FANUC 0I-Mate TD系统的CK6132平床身数控车床串行主轴控制设计。在设计过程中，我们会涉及到一系列的参数设置、PMC程序以及硬件的选择等。这些都会在下文有所体现！ 关键词：FANUC系统串行主轴PMC程序 控制设计

目录

1 引言....................................................... 1 1.1 数控车床发展现状......................................... 1 1.2选题意义 ................................................. 2 1.3数控机床对主轴系统的要求 ................................. 3 1.4 FANUC系统的优点 ......................................... 4 2 机床简介................................................... 6 2.1 CK6132外观图 ............................................ 6 2.2 CK6132车床简介 .......................................... 6 2.3CK6132数控车床性能特点 ................................... 7 3 电气原理的设计............................................. 10 3.1 主轴驱动系统分析......................................... 10 3.2 电气元件选型............................................. 11 3.3 电气硬件连接............................................. 17 4 PMC程序设计 ............................................... 20 4.1 FANUC系统与可编程控制器的简介 ........................... 20 4.2 PMC的指令 ............................................... 21 4.3 PMC程序梯形图 ........................................... 22 5 参数设置................................................... 27 5.1主轴模块标准参数的初始化 ................................. 27 5.2主轴系统参数的设定 ....................................... 27 5.3串行数字主轴伺服参数调整 ................................. 28 结论......................................................... 31 致谢......................................................... 32 参考文献..................................................... 33

1 引言

1.1 数控车床发展现状

我国数控车床发展，始于20世纪70年代，通过30余年的发展，我国生产的数控车床，按中国需求的特色，形成经济型卧式数控车床（平床身卧式数控车床）、普及型数控车床（斜床身数控卧式车床和数控立式车床）和中高档数控车床（3轴控制以上）三种形式，经济型卧式数控车床，普遍采用平床身结构和立轴四工位方刀架，约占数控车床产量90%。普及型数控车床生产量不到数控车床产景的10%。中高挡数控车床，即车削中心和车铣复合中心，约占数控车床产量的0.02%。

经济型数控车床，价格低廉，售价仅10万元左右，不到普及型数控车床的1/ 3,设备费用投入较少，可以广泛地满足企业发展初期的需要，特别是受到民营经济企业的欢迎，仍是我国当前数控车床的主流产品。

普及型数控车床，即2轴控制的卧式数控车床（斜床身}和立式数控车床，国产产品得到了用户认可，基本可以满足用户需要。

车削中心等3轴控制以上的中高档数控车床，国内用户选购的大部分是进口产品或合资。独资企业如大连因代克斯、宁夏小巨人、杭州友佳、上海哈挺等机床有限公司生产的产品，国产机床市场占有率较低。近几年，虽然我国开发了不少中高档数控车床新品种，如具有Y 轴功能的车削中心、双主轴双刀架车削中心、倒置顺置主轴立式车削单元、车铣复合中心等等，但是，高级型数控车床的重点是要进一步开发市场，取得国内用户广泛认可。

“十五”期间国产数控机床发展很快。从技术上看，数控车床技术比较成熟，通过技术引进和合作生产、消化吸收和自主创新，我国已掌握了数控车床设计和制造技术，从产品水平上看，我国已能自行开发设计各种中高档数控车床，国际上最热门的、水平最高的双主轴、双刀架多轴控制车铣复合中心，我国已有多家企业开发试制并成功，有的已被国内用户选购和出口国外。从品种上看，我国生产的数控车床品种比较齐全，每年都有100多个数控车床新品种，可供各方面用户选用。从生产规模上看，国产经济型数控车床已形成规模生产，有十余家企业生产规模达到年产千台以上。

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我国数控车床的总体水平与国外先进水平差距不大。为进一步提高国产数控车床国际竞争力和国产数控车床国内市场占有率，建议：

（1）经济型数控车床是特定时期需求的产物，对于发展中国家工业重工化阶段的初期，经济型数控车床具有较优越的性价比，设备投资较低，受到企业，特别是民营企业技术改造设备选型的欢迎，但是，经济型数控车床与国外广泛采用的普及型数控车床相比，技术含量较低，由于是大多数采用立式4工位刀架，定位精度低。刀具数少，加工范围较窄，加工精度较低，有一定的使用局限性。目前，我国生产经济型数控车床的企业已超过50余家，全国年产量已超过30000台以上，已达到相当的规模。所以，生产经济型数控车床的企业要密切注意市场需求变化的走势，及时调整产品结构。

（2）国产普及型数控车床和车削中心受到国外跨国机床公司的产品和其在国内合资企业和独资企业生产的产品双重挑战，在产品技术，月产量，规模上不及外国公司、合资企业。因而，当前首先要加速普及型数控车床产业化程度，通过制造技术和管理技术的提升，提高国产数控车床的性价比和质量稳定性，缩短交货期，争取更多的国内市场份额。

（3）采取多种措施，积极开发已试制成功的中高档数控车床国内市场，突破一点，在用户生产使用中不断改进和完善，以点带面，逐步取得用户认可。 （4）积极开发国内汽车、航空航天、船舶、军工和高新技术行业急需的，国内又处于空白的高速高效、高精度、大功率高转矩的数控车床新品种。

1.2 选题意义

在数控机床中，主轴是机床里的一个非常重要的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。主轴驱动系统控制数控车床主轴的旋转运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床中，主轴驱动常使用交流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，由于受永磁体的限制，交流同步电动机功率做得很大时，电动机成本太高。因此目前在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，设计中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求。近年来，PLC在工业自动控制领域应用愈来愈广，它在控制性能、组机周期和硬

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件成本等方面所表现出的综合优势是其它工控产品难以比拟的。随着PLC技术的发展，它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越多。论文以CK6132数控车床为研究对象，结合所学知识参考数控设备应用与维护综合实训，论文主要研究了CK6132数控车床的主轴控制系统、电气原理设计，PMC程序的设计等内容。

1.3 数控机床对主轴系统的要求

主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。机床的主轴驱动和进给驱动有较大的差别。机床主轴的工作运动通常是旋转运动，不像进给驱动需要丝杠或其它直线运动装置作往复运动。数控机床通常通过主轴的回转与进给轴的进给实现刀具与工件的快速的相对切削运动。在20纪60～70年代，数控机床的主轴一般采用三相感应电动机配上多级齿轮变速箱实现有级变速的驱动方式。随着刀具技术、生产技术、加工工艺以及生产效率的不断发展，上述传统的主轴驱动已不能满足生产的需要。现代数控机床对主轴传动提出了更高的要求: （1）调速范围宽并实现无极调速

为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特別对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根椐数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。 目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100,恒功率调速范围也可达1: 30，—般过载1.5倍时可持续工作达到30min。

主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，其中有级变速仅用于经济型数控机床，大多数数控机床均采用无级变速或分段无级变速。在无级变速中，变频调速主轴一般用于普及型数控机床，交流伺服主轴则用于中、高档数控机床。

（2）恒功率范围要宽

主轴在全速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供主轴电动

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机的扱大功率。由于主轴电动机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要。常采用分级无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。 （3）具有四象限驱动能力

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1秒内从静止加速到6000r/min。 （4）具有位置控制能力

即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需耍。 （5）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。为了提高传动件的制造精度与刚度，采用齿轮传动时齿轮齿面应采用高频感应加热淬火工艺以增加耐磨性。最后一级一般用斜齿轮传动，使传动平稳。采用带传动时应采用齿型带。应采用精度高的轴承合理的支撑跨距，以提高主轴的组件的刚性。在结构允许的条件下，应适当增加齿轮宽度，提高齿轮的重叠系数。变速滑移齿轮一般都用花键传动，采用内径定心。

1.4 FANUC 系统的优点

FANUC 0i-Mate TD数控系统是具有纳米插补的高可靠性、高性能价格比的CNC，最多可同时控制3个轴，1个主轴。8.4英寸彩色液晶显示屏，方便存储卡的编辑操作，强有力支持系统初始化设定，可以很方便地选择各种设定和调整画面。初始化参数设定操作更加简单，安全的加工程序检查功能，高性价比的一体型的伺服放大器。主要体现在以下几个方面：

（1）有较完善的保护措施。FANUC对自身的系统采用比较好的保护电路。 （2）FANUC系统所配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能。对于一般的机床来说，基本功能完全能满足使用要求。

（3）提供大量丰富的PMC信号和PMC功能指令。这些丰富的信号和编程指令便于用户编制机床的PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。

（4）具有很强的DNC功能。系统提供串行RS232C传输接口，使通用计算机PC和机床之间的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的DNC操作。

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（5）提供丰富的维修报警和诊断功能。

FANUC维修手册为用户提供了大量的报警信总，并且以不同的类别进行分类。PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可。PLC是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。时间继电器定时精度不高，受环境影响大。PLC的特点：1.编程方法简单易学。2.功能强，性能价格比高。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4.可靠性高，抗干扰能力强。5.系统的设计、安装、调试工作量少。6.维修工作量少，维修方便。7.体积小，能耗低。

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2 机床简介

2.1 CK6132机床外观图

图2-1 CK6132机床外观图

2.2 CK6132数控车床简介

CK6132数控车床采用广州数控系统实现机床的两轴控制，配有四工位电动刀架或排式刀架，以满足不同用户的需要；可开闭的防护门，确保操作者的安全；机床外观设计新颖，面板操作方便。能自动完成内、外圆柱面、任意圆锥面、圆弧面及公英制螺纹等各种车削加工，适用于多品种、中小批量产品的加工，对于形状复杂、高精度零件的加工更能显示其优越性。

CK6132型精密数控车床主要运用于内外径、端面、锥面、弧面和螺纹等高效精密加工，刀具安装为立式四工位电动刀架，也可以采用排刀座形式，标准型可安置6-8把刀架，也可按用户需要选用六工位电动刀架。机床系统采用广州数控GSK980TA数控系统，也可按客户要求配置进口系统；主轴采用专用交流变频电机调速度，调速范围大，可实现恒线速切削。机床采用加宽平床身，三角导轨采用宽大型导轨超音频淬火，床鞍贴塑提高精密，延长机床寿命。 （1）CK6132车床机械结构组成

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a)主传动系统：实现主运动； b)进给系统：实现进给运动；

c)机床基础部件：床身、底座、立柱等，支撑机床本体；

d)辅助装置：液压、气动、润滑、冷却、防护、排屑等装置，实现某些动作和辅助功能；

e)实现工件回转、分度定位的装置，如回转工作台； f)刀库、刀架和自动换刀装置（ATC）； g)自动托盘交换装置（APC）；

h)特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测、监控装置等。 （2）车床切削用量的选择

根据加工工艺的要求合理的选择切削用量，是确定机床参数的基本依据。切削用量包括三要素为切削速度、进给量、背吃刀量。因此在选择切削用量的时候，应该要考虑到以下几个方面的关系：

a）切削加工生产率在切削加工中，材料的切除率与切削用量三要素切削速度、进给量、背吃刀量均保持线性关系，其中任一参数增大，都可使生产率提高。但由于刀具寿命的制约，当任一参数增大时，其它两参数必须减小。因此，在指定切削用量时，使三要素获得最佳组合，此时的高生产率才是合理的。 b）刀具寿命切削用量三要素对刀具寿命影响的大小，按顺序为切削速度、进给量、背吃刀量。因此，从保证合理的刀具寿命出发，在确定切削用量时，应先采用尽可能大的背吃刀量；然后再选用大的进给量；最后按照确定的刀具寿命公式求出切削速度。对于专用机床来说，为了保证刀具的使用寿命，切削用量不宜过大。

c）加工表面粗糙度对于粗加工，在切削力和刀片大小允许时，首先应进可能的加大背吃刀量，相应的降低进给量、切削速度，使粗糙的毛坯表面在一次吃刀中切除。在机床、工件、刀具和刀具夹持刚度等允许时，粗加工也可以尽可能提高进给量，并适当降低切削速度；对于精加工，增大进给量将增大加工表面粗糙度值。因此，它是精加工时抑制生产率提高的主要因素。

2.3 CK6132数控车床性能特点

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（1）机床采用传统的卧式车床布局，整体设计，密封性好，符合安全标准。床身、床鞍等主要基础基础件均采用耐磨铸铁铸造，人工实效处理，整机稳定优越。 （2）机床纵、横向运动采用伺服电机、精密滚珠丝杆副、高刚性精密复合轴承传动、脉冲编码器位置检测的半闭环CNC控制系统。机床导轨采用超音频淬火加粘塑工艺，各运动轴响应快、精度高、寿命长。 （3）机床功能齐全、操作简便、精度稳定、工作可靠。

（4）机床的床头箱结构简单合理、品种多、针对性强。主轴系统的前后支架采用高精度轴承，具有转速高、刚性强、精度高、热变形小、运转平稳、噪音低的显著特点。

（5）机床采用先进的集中润滑方式、定时、定量自动间歇式润滑泵润滑，工作稳定可靠满足清洁生产的环保要求，机床采用的半防护、全防护装置，美观、独特、防削，维护方便。

（6）机床标准配置采用国内名牌的立式四工位刀台。特殊配置可选用卧式六工位刀台。

（7）机床可根据用户要求配置手动、液压卡盘。

表2-1 CK6132参数表 项 目 床身上最大回转直径 床鞍上最大回转直径 加工范围 最大加工直径 / 长度 机床顶尖距 主轴通孔直径 主轴头型式 主轴 主轴内孔锥度 主轴鼻端尺寸 主轴转速 卡盘直径 mm mm mm mm r/min mm Φ320/260 410 Φ41 A 2 - 5 MT No.5 Φ82.563 100 ～ 3000 Φ165 8

单位 mm mm CK6132 Φ380 Φ180 主轴电机功率 X/Z轴行程 X/Z轴快移速度 行程 X/Z轴电机功率 X/Z轴电机扭矩 刀架型式 刀架 刀位数 刀具尺寸 套筒直径 / 行程 尾座 套筒内孔锥度

Kw mm m/min Kw Nm mm mm 4 205/280 8/10 1.2/1.6 4/6 立式 4 20x20 Φ52/100 MT No.4

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3 电气原理设计

3.1 主轴驱动分析

(1) 数控机床对主轴驱动系统的要求

随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足数控技术的需要。现代数控机床对主轴传动系统提出了更高的要求，具体要求为：

a）对功率的要求。要求主轴电动机有2.2?250 Kw的功率范围，既要能输出大的功率，又要求主轴结构简单。

b）宽调速范围。数控机床主轴驱动系统要求在1:(100?1000)范围内进行恒转矩和1:10的恒功率调速，而且要求主轴在正、反向转动时，均可进行加减速控制，即要求具有四象限驱动能力。

c）定位准停功能。为了使数控车床具有螺纹切削功能，要求主轴能与进给驱动实行同步控制；在加工中心上，为了自动换刀，还要求主轴具有高精度的准停功能。

为了实现上述要求，在早期的数控机床上，多采用直流主轴驱动系统，但由于直流电动机的换向限制，大多数系统恒功率调速范围都很小，且直流电动机结构复杂，寿命短、维修量大。因此，随着大功率电力电子元件和变频技术的发展，现在的数控机床上大多使用交流主轴驱动系统。当前,世界上高速加工数控机床异军突起，电主轴应运而生。在今后一个时期内，电主轴将是数控机床主轴驱动系统的一个发展方向。 (2) 串行主轴与模拟主轴的区别

主轴控制在CNC 中，主轴转速通过S指令进行编程，被编程的S指令可以转换为模拟电压或数字量输出，因此主轴的转速有两种控制方式：利用模拟量输出进行控制（简称模拟主轴）和利用串行总线进行控制（简称串行主轴）。模拟主轴控制通过CNC内部附加的 D/A 转换器，自动将S指令转换为-10V～+10 V 的模拟电压。CNC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机输出转速之间的对应关系。如：当速度给定输入10V时，如果电机转速为6000r/min，则在输入5 V

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时，电机转速必3000r/min。模拟主轴与串行主轴的区别见下表：

表3-1 模拟主轴与串行主轴的区别

项目 主轴模拟量控制 串行主轴控制 通过串行通信传输的内主轴转速输出 -10V—+10V的模拟量 部数字信号 模拟量控制的主轴驱动单元 主轴驱动装置 (如变频器） 动装置 数控系统专用的主轴驱普通的三相异步电动机主轴电动机 或者变频电动机 数控系统专用的主轴伺服电动机 在CNC上设定与调整，并在主轴驱动装置上设定主轴参数设定 与调整 到主轴驱动装置中 利用串行总线自动传送从编码器到主轴驱动装主轴位置检测连接 直接由编码器连接到CNC 置，再由主轴驱动装置到CNC 利用主轴驱动装置上的主轴正、反转启动与停外部接点输入信号进行止控制 控制 信号进行控制 利用CNC和PMC之间的内部3.2 电气元件选型

(1) 主轴伺服电机的选择

伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响应和定位。数控机床对伺服电机的要求主要为：机械特性刚性好。要求伺服电机的速降小、刚度大，即在外部干扰力（切削力、重力等外力）作用下，这些力从工作部件传到电机轴上产生的转角位置变化小。

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a）快速响应。这在轮廓加工，特别对曲率大加工对象进行高速加工时要求较严格。

b）调速范围宽。这可以使数控机床适用于各种不同的刀具、加工材质，适应于各种不同的工艺内容。

c）低速大转矩，并要求一定的过载转矩。机床进给机械负载的性质主要是克服工作台的摩擦力和切削力，因此主要是“恒转矩”的性质。

原则上应根据负载来选择伺服电机。电机轴上的负载有两种，即阻尼转矩和惯量负载，这两种负载都要正确地计算，其值应满足下列条件：

a) 当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺服电机轴上的负载转矩应在电机连续额定转矩范围内，即在转矩—转速特性曲线的连续工作区。 b) 最大负载转矩、负载周期以及过载实验都在提供的特性曲线的准许范围内。 c) 电机在转/减速过程中的转矩应在加减速区（或短时间工作区）之内。 d) 对要求频繁启动、制动以及周期性变化的负载，必须检查它在一个周期中的转矩均方根值，它应小于电机的连续额定转矩。

e) 加在电机轴上的负载惯量大小对电机的灵敏度和整个伺服系统的精度将产生影响。惯量即物体转动时的惯性，与物体的质量、直径有关。通常，当负载惯量小于电机转子惯量时，上述影响不大。但当负载惯量达到甚至超过转子惯量的5倍时，会使灵敏度和响应时间受到很大的影响，甚至会使伺服放大器不能再正常调节范围内工作，所以对这类惯量应避免使用。 下图为FANUC βis 3/5000伺服电动机： β—— 伺服电机系列名称 i —— 系列号

s —— 电机类型（s：强磁材料） 3/—— 失速转矩 （N˙m） 5000 —— 最高转速 （r/min）

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图3-1 FANUC βis 3/5000伺服电动机

(2) 伺服放大器的选择

FANUC βi SVPM 伺服放大器是多伺服轴/主轴一体型的伺服驱动装置，其基本规格以βi SVPM3-15伺服放大器为例，规格如下： 电源电压：3～，200V～240V，-15%～+10% 电源频率：50/60Hz 主回路电源容量：22kVA

控制回路电源容量：DC24V，-10%～+10%，1.5A 输入电流：64A

额定输出电流：L轴13A；M轴13A；N轴13A 如图3-1所示：

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图3-2 βi SVPM3-15伺服放大器

(3) 熔断器的选择

熔断器是一种简单有效的保护电器。在电路中主要起短路保护作用，选择熔断器时主要是选择熔断器的类型、额定电压、额定电流及熔体的额定电流。熔断器的类型应根据线路要求和安装条件来选择。熔断器的额定电压应大于或等于线路的工作电压。熔断器的额定电流应大于或等于熔体的额定电流。熔体额定电流的选择是熔断器选择的核心，其选择方法如下：

对于如照明线路等没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流大于或稍大于电路电流，即

Ifu≥ I电路 式（1）

式（1）中，Ifu为熔体的额定电流；I电路为电路的工作电流

对与电动机一类的负载，应考虑启动冲击电流的影响，按下式计算：

Ifu ≥ 1.5—2.5IN 式（2）

式（2）中，IN为电动机的额定电流。

对于多台电动机，如果由一个熔断器保护，则熔体的额定电流应按下式计算：

Ifu≥ （1.5—2.5）INmax + ∑IN 式（3） 式（3）中，INmax为容量最大的一台电动机的额定电流；∑IN为其余电动机额定电流总和。 (4) 接触器的选择

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接触器是一种用来频繁地接通和分断带有负载的主电路的自动控制电器。接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其他部件四部分组成。其中电磁机构由线圈、动铁心和静铁心组成；触点系统包括三对触点、辅助触点。工作原理是当线圈通电后，铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触电系统随之复位。选择交流接触器时主要考虑主触点的额定电压、额定电流、辅助触点的数量与种类、吸引线圈的电压等级、操作频率等。CJ20系列交流接触器主要技术参数如表3-1所示：

表3-2 CJ20系列交流接触器主要技术参数 辅助触点吸引线圈型号 频率/Hz 额定电流电压/V /A CJ20-10 CJ20-16 CJ20-25 CJ20-40 36、127 CJ20-63 CJ20-100 CJ20-160 CJ20-250 CJ20-400 50 5 220、380 100 160 250 400 380/220 380/220 380/220 380/220 50/28 85/48 132/80 220/115 63 380/220 30/18 10 16 25 40 380/220 380/220 380/220 380/220 定电流/A /N 功率/KW 4/2.2 7.5/4.5 11/5.5 22/11 主触点额额定电压动机最大可控制电(5) 继电器的选择

继电器是一种根据电量参数（电压、电流）或非电量参数（时间、温度、压力等）的变化自动接通或断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。继电器用途广泛，种类繁多。按反应的参数可分为电流继电器、电压继电器、时间继电器、热继电器和速度继电器等；按动作原理可分为电磁式、电动式、电子式等。

表3-3 JZ7系列继电器的主要技术数据

型号 JZ7-44

触点额定电压/V 500 触点额定电流/A 5 触点对数 常开 4 常闭 4 吸引线圈电压/V 交流50Hz额定操作频率/（次/h） 1200 15

JZ7-62 JZ7-80 6 8 2 10 时12、36、127、220、380 (6) 低压断路器的选择

低压断路器通常称为自动开关或空气开关，具有控制电器和保护电器的复合功能，可用于数控机床主电路及分支电路的通断控制。当电路发生短路、过载或欠压等故障时能自动分断。在正常情况下也可用做不频繁地直接接通和断开电动机控制电路。

低压断路器种类繁多，按其用途和结构特点分为DW型框架式（或称万能式）断路器、DZ型塑料外壳式（或称装置式）断路器、DS型直流快速断路器和DWX型/DWZ型限流式断路器等。

框架式断路器规格、体积都比较大些，主要用做配电线路的保护开关，而塑料外壳式断路器相对较小，除用作配电线路的保护开关外，还可用做电动机、照明电路及电热电路的控制，因此数控机床主要使用塑料外壳式断路器。

目前数控机床常用的有DZ5、DZ20、DZX19、DZ108和C45N等系列产品。其中DZ5断路器具有体积小、分断能力高、限流性好、操作轻便、型号规格齐全、可以方便地在单级结构基础上组合成二级、三级、四级断路器的优点，广泛使用在60A及以下的支路中。以DZ5系列断路器为例其主要技术数据见表3-3。

表3-4 DZ5系列低压断路器主要技术参数

额定 型号 电压 /V DZ5-20/200 DZ5-20/300 DZ5-20/210 交流380 DZ5-20/310 DZ5-20/220 DZ5-20/320 直流220 DZ5-20/230 20 额定 热脱扣器额定 电流 极数 脱扣器类别 电流/A /A 2 无脱扣器 3 2 0.15（0.1-0.3） 热脱扣器 3 2 电磁脱扣 3 2 复式脱扣 0.45（0.3-0.45） 定电流的8-121（0.65-1） 倍 16

电磁脱扣器瞬时动作整定值/A —— —— 为热脱扣器额定电流的8-120.2（0.15-0.2） 倍 0.3（0.2-0.3） 为热脱扣器额1.5（1-1.5） 3（2-3） DZ5-20/330 3 4.5（3-4.5） 10（6.5-10） 15（10-15）

(7) 其他元气件的选择 a）直流稳压电源的选择

直流稳压电源的功能是将非稳定交流电源变成稳定直流电源。在数控机床电气控制系统中，需要稳压电源给驱动器、控制单元、直流继电器及信号指示灯等提供直流电源。在数控机床中主要使用开关电源。直流稳压电源的功率为100W。 b）按钮的选择

根据需要的触电数目，动作要求，使用场合及颜色等进行按钮的选择。一般用红色表示停止，绿色表示启动。

3.3 电气硬件连接

（1）对于βi 系列的伺服放大器，带主轴的放大器SPVM是一体型放大器，连接如下图所示。注意a) 24V电源连接CXA2C(A1-24V,A2-0V)。b)TB3(SVPSM的右下面)不要接线。c)上部的两个冷却风扇要自己接外部200V电源。d)三个（或两个）伺服电机的动力线放大器端的插头盒是有区别的，CZ2L（第一轴）, CZ2M（第二轴）, CZ2N（第三轴）分别对应为XX，XY，YY，一般FANUC公司提供的动力线，都是将插头盒单独放置，用户自己根据实际情况装入，所以在装入时要注意一一对应。

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图3-3 βi 系列的伺服放大器连接图

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（2）上述图中的TB2和TB1不要搞错，TB2（左侧）为主轴电机动力线，而TB（右端）为三相200V输入端，TB3为备用（主回路直流侧端子）。一般不要连接线。如果将TB1和TB2接反，则测量TB3电压正常（约直流300V），但系统会出现401报警。其中，CX38，CX38 是连接断电保护回路，一般不用连接。

（3）伺服电机动力线和反馈线都带有屏蔽，一定要将屏蔽做接地处理，并且信号线和动力线要分开接地，以免由于干扰产生报警。如下所示：

图3-4 伺服电机动力线和反馈线连接图

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4 PMC程序设计

4.1 FANUC系统与可编程控制器的简介

FANUC系统是日本富士通公司的产品，通常其中文译名为发那科。FANUC系统进入中国市场有非常悠久的历史，有多种型号的产品在使用，使用较为广泛的产品有FANUC0、FANUC16、FANUC18、FANUC21等。在这些型号中，使用最为广泛的是FANUC0系列。

系统在设计中大量采用模块化结构。这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于维修、更换。FANUC系统设计了比较健全的自我保护电路。

PMC信号和PMC功能指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。系统提供串行RS232C接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。

FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常的类似，具有基本统一的操作界面。FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。

鉴于前述的特点，FANLIC系统拥有广泛的客户，使用该系统的操作员队伍十分庞大。

PLC (Programmable Logic Controller)可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成。PLC的工作原理是用触点和线圈实现逻辑运算。

FANUC数控系统将PLC记为PMC,称作可编程机床控制器，即专门用于控制机床的 PLC。目前FANUC系统中的PLC均为内装型PMC。

CNC侧包括CNC的硬件和软件；MT侧包括机床机械部分、机床辅助装置、机床操纵台、机床强电电路等。PMC处于CNC侧和MT侧之间，对CNC侧和MT侧的输入、输出信号进行处理。

PMC、CNC侧和MT侧三者之间的信息交换包换如下4部分：MT侧至PMC；PMC

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至MT侧；CNC至PMC；PMC至CNC侧。

PMC地址的规定如下：

X：由机床至PMC的输入信号（MT—PLC） Y：由PMC至机床的输出信号（PMC—MT） F：由CNC至PLC的输入信号（CNC—PLC） G：由PMC至CNC的输出信号（PMC—CNC） R：内部继电器 D：非易失性存储器

4.2 PMC的指令

PMC的指令有两种：基本指令和功能指令两种指令。在设计顺序程序时，使用最多的是基本指令。由于数控机床执行执行顺序逻辑往往较为复杂，仅使用基本指令编程会十分困难或规模庞大，因此必须借助功能指令以简化程序。PMC的基本指令、功能指令见表4-1,4-2。

表4-1 PMC指令表

NO. 1 指令 RD 处理内容 读出指定信号状态，在一个梯级开始的触点是常开触点时使用 读出指定信号的“非”状态，在一个梯级开始的触点是常闭触点时使用 将运算结果写入到指定的地址 将运算结果的“非”状态写入到指定的地址 执行触点逻辑“与”操作 以指定信号的“非”状态进行逻辑“与”操作 执行触点逻辑“或”操作 以指定信号的“非”状态进行逻辑“或”操作 2 3 4 5 6 7 8 RD.NOT WRT WRT.NOT AND AND.NOT OR OR.NOT 电路块的起始读信号，指定信号的触点是常开触9 RD.STK 点使用 21

电路块的起始读信号，指定信号的触点是常闭触10 RD.NOT.STK 点使用 11 12 AND.STK OR.STK 电路块的逻辑“与”操作 电路块的逻辑“或”操作 表4-1 PMC功能指令表

序号 1 2 3 4 5 指令助记符 END1 END2 TMRB DECB CODB 指令代码 SUB1 SUB2 SUB24 SUB25 SUB27 处理内容 第一级程序结束 第二级程序结束 固定定时器处理 二进制译码 二进制代码转换 4.3 PMC程序梯形图

（1）梯形图（LAD）是在继电器控制系统基础上发展出来的一种图形语言，在形式上类似于继电器控制电路。FANUC PMC的梯形图见图4-3-1。

图4-3-1 FANUC梯形图

梯形图编程语言的特点：梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列，两侧的垂直公共线称为母线；梯形图中的继电器室PMC内部的编程元件；在梯形图中有一个假想的电流，称为能流，从左到右；PMC按编号来区别编程元件。 PLC程序信号地址表见表4-3。

表4-3 PLC程序信号地址表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8

信号地址 X8.4 X10.0 X10.1 F1.1 X10.2 Y0.0 Y5.3 Y0.1 信号名称 急停开关 主轴正传开关 主轴停止开关 复位开关 主轴反转开关 主轴正转线圈 主轴正转指示灯 主轴反转线圈 22

9 10 11 Y5.7 F7.0 F1.3 主轴反转指示灯 M代码选通 分配完成信号 （2）主轴手动正转PMC

图4-1 主轴电机正转PMC程序

在JOG模式下，系统检测到JOG进给信号，内部继电器R0.2触点闭合。这时按下正转按钮，X10.0接通，内部继电器R102.0接通，其常开触点闭合。导通R102.1，使其触点闭合，在卡盘夹紧的状态下R36.0触点闭合，形成自锁。Y0.0接通，电机正转，灯Y5.3亮。 （3）主轴手动反转转PMC

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图4-2 主轴电机反转PMC程序

在JOG模式下，系统检测到JOG进给信号，内部继电器R0.2触点闭合。这时按下正转按钮，X10.0接通，内部继电器R104.0接通，其常开触点闭合。导通R104.1，使其触点闭合，在卡盘夹紧的状态下R36.0触点闭合，形成自锁。Y0.1接通，电机正转，灯Y5.7亮。 （4）M代码的处理

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图4-3 M代码处理PMC程序

F7.0为M代码选通、F1.3分配完成信号，当这两个接通时，对F10～F13的4字节进行译码，当译出结果在0～7的范围内时，与R100对应的位为“1”。

结果为0时 R100 #0 变“1” 结果为1时 R100 #1 变“1” 结果为2时 R100 #2 变“1” 结果为3时 R100 #3 变“1” 结果为4时 R100 #4 变“1” 结果为5时 R100 #5 变“1” 结果为6时 R100 #6 变“1” 结果为7时 R100 #7 变“1”

表4-4 译码结果表

译出的R地址 R100.0 R100.1 R100.2 R100.3 选通的M代码 M00 M01 M02 M03 译出的R地址 R100.4 R100.5 R100.6 R100.7 选通的M代码 M04 M05 —— —— （5）主轴高低速档的处理

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4-4主轴高低速档的处理PMC程序

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图

5 参数设置

5.1 主轴模块标准参数的初始化

主轴模块标准参数的初始化，就是将主轴的设定参数按FANUC标准主轴电动机型号进行重新覆盖。对于FANUC系统，主轴模块标准参数初始化的步骤如下： （1）系统急停状态，打开电源。

（2）将主轴电动机型号的代码设定在系统串行主轴电动机代码参No.4133中。 （3）将自动设定串行数字主轴标准值的参数4019#7 (LDSP) 置为“1”。 （4）将电源关断，再打开，主轴标准参数被写入。

5.2 主轴系统参数的设定

（1）串行数字主轴控制功能选择参数及串行主轴个数选择参数0iC系统串行主轴控制功能选择参数为3701#1, “1”为模拟量控制主轴，“0”为串行数字控制主轴；串行数字主轴个数选择参数为3701#4，“0”为 1 个，“1”为 2个。 （2）主轴位置编码器控制功能选用参数0iC系统串行主轴位置编码器控制功能选用参数为4001#2，“0’为不用，“1”为使用主轴位置编码器。

（3）主轴与位置编码器的传动比参数0iC系统主轴与位置编码器传动比参数为3706#0、3706#1 (二进制代码组合设定，分别为1: 1、1: 2、1: 4和1: 8)，通常设定为“00”，即为1: 1。 （4）主轴速度到达检测功能参数

0iC系统主轴速度到达检测功能参数为3708#0，“0”为不检测主轴到达速度，“1”为检测主轴到达速度。如果设定为“1”，系统PMC控制中还要编制程序实现切削进给的开始条件。

（5）主轴齿轮档位的最高速度参数

主轴第1?4档的最髙转速设定参数，0ic系统对应为3741?3744。

主轴的档齿轮比（髙档、中髙档、中低档、低档）：0i系统分别为 4056?4059。 （6）主轴电动机最髙转速设定参数，0ic系统为4020。

5.3 串行数字主轴伺服参数调整

(1) 主轴伺服画而显示参数

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串行主轴伺服画而显示参数（SPS)置为“1” FANUC—OC/OD系统:参数为389#1 FANUC—16/16i/18/18i/0i 系统:参数为 3111#1 (2) 主轴画面显示

图 5-1 主轴画面显示

(3) 串行主轴伺服画面 a）主轴设定

图5-2 主轴设定界面

b）主轴调整

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图5-3 主轴调整界面

c）主轴监视

图5-4 主轴监视界面

(4) 串行主轴使用的注意事项

串行主轴在使用过程中不运转的几个原因：

a）在PMC 中主轴急停(G71.1)、主轴停止信号(G29.6)、主轴倍率(G30当G30为全1时倍率为0)没有处理。另外在PMC中注意SIND信号的处理处理不当也将造成主轴不输出。

b）参数中没有设置串行主轴功能选择参数，即主轴没有设定。 c）当No.1404#2 F8A误设将造成刚性攻丝时速度相差1000倍。 d）当No.1405#0F1U误设将造成刚性攻丝时速度相差10倍。

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e）当No.4001#0MRDY( 6501#0 ) ( G229.7 / G70.7 ) 误设将造成主轴没有输出，此时主轴放大器上01#错误。

f）在没有使用定向功能而设定No.3732 将有可能造成主轴在低速旋转时不平稳。 g）当使用内装主轴时，使用MCC 的吸合来进行换档，注意档位参数的设置（只设一档）。

h）当设置No.3708#0（SAR）信号的设置不当可能造成刚性攻丝的不输出。 i）当No.3705#2 SGB (铣床专有)误设，改参数以后使用No.3751 / No.3752 的速度。由于此时No.3751/No.3752 没有设定，故主轴没有输出。

j）此外应注意FANUC的串行主轴有相序，连接错误将导致主轴旋转异常；主轴内部

SENSOR损坏，放大器31#报警。

k）No.8133#0SSC恒周速控制对主轴换档的影响（F34#0.1.2无输出）。 l）No.4000#2位置编码器的安装方向对一转信号的影响（可能检测不到一转信号）。

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结论

经过前前后后的8个月，在XXX老师的指导下，我终于完成了该论文！时光如梭，我的实习已近结束，这期间体验着劳动的光荣与艰辛，在这里我学到了我离开校园的第一笔知识，这些都是从书本上学不到的知识，同时我也体验到如今科技发展的迅速，对于数控设备应用与维修专业的人来说，竞争也是非常激烈的。形势在变化，我还有很多知识没学习，如果停滞不前，势必会被这个社会所淘汰；在此次实习中，我还意识到了，在大学所学的理论知识的重要性，理论用来指导实践，如果我们理论掌握好的话，在实践中我们一定能融会贯通；意识到认真、踏实的态度尤其重要，无论具体从事哪种工作，认真和踏实的态度才是最根本的。我体验到了理论知识和实践同等重要，踏入社会工作的大学生理论懂得很多，但做起事来却不知从何下手。

实习期间在老师的指导下、在校外指导老师的辅导下、在同事的帮助下，完成了CK6132数控车床的主轴控制系统的设计，根据电气控制的要求，设计了的电气原理图。根据电气元件参数的设定，来确定各元器件的选择。根据设计要求及强电控制线路和控制要求，编写PLC程序，介绍了 FANUC系统内置PLC的地址信号、FANUC系统的指令以及编程；当然论文中还存在许多不足之处，有待进一步的改进。

实习结束了，我有很多心得感悟，同时又感觉脑袋里注入了新的知识，在以后的工作中，希望能用自己了解的东西去处理相关的问题，再探究新的问题，使自己不断进步！

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致谢

经过几个月的学习和忙碌,本次毕业设计已经接近尾声，在此，我要感谢毎一个帮助过我的人。作为一个大专生，这是我第一次做毕业设计，因此在设计存在着很多考虑不全的地方。在设计的过程中也存在着很名不明白的地方。

首先，我要感谢的是我的指导老师xxx。老师平时工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，都给予我悉心的指导和帮助。可以说没有老师的悉心指导和帮助，我是不可能顺利完成我的毕业设计的。另外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的部分，并将积极影响我今后的学习和工作。

其次我要感谢我的父母，在我毕业设计最艰苦的那段日子，是他们给了我最大的勇气支持。父母为了我的成长，一直在背后默默的付出和辛勤的工作，他们的养育之恩，我将用自己的一生去回报。

再次.我要感谢我身边的同学，在我毕业设计期间，他们给了我不少的关心和帮助。

最后我要感谢的是我亲爱的常州机电职业技术学院以及学院的毎一位老师和同学。感谢毎一位关心过我，爱护过我的人。滴水之恩，当涌泉相报。

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参考文献

1 汤彩萍，龚仲华.数控系统安装与调试.北京：电子工业出版社，2009.11 2 刘江，许朝山.FANUC数控系统PMC编程.北京：高等教育出版社，2011.8 3 金燕. 数控机床电气控制.南京：南京大学出版社，2012.8

4 龚仲华.数控机床故障诊断与维修.北京：高等教育出版社，2012.7 5 严爱珍.机床数控原理与系统.北京：机械工业出版社，2001 6 李福生.使用数控机床技术手册.北京：北京出版社，1993

7 张华宇.数控机床电气及PLC控制技术.北京：电子工业出版社，2014 8 李继中.数控机床调试与维修.北京：高等教育出版社，2009 9 FANUC公司.FANUC 0i Mate TD操作说明书.日本，2004 10 FANUC公司.FANUC 0i Mate TD连接说明书.日本，2004

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参考文献

1 汤彩萍，龚仲华.数控系统安装与调试.北京：电子工业出版社，2009.11 2 刘江，许朝山.FANUC数控系统PMC编程.北京：高等教育出版社，2011.8 3 金燕. 数控机床电气控制.南京：南京大学出版社，2012.8

4 龚仲华.数控机床故障诊断与维修.北京：高等教育出版社，2012.7 5 严爱珍.机床数控原理与系统.北京：机械工业出版社，2001 6 李福生.使用数控机床技术手册.北京：北京出版社，1993

7 张华宇.数控机床电气及PLC控制技术.北京：电子工业出版社，2014 8 李继中.数控机床调试与维修.北京：高等教育出版社，2009 9 FANUC公司.FANUC 0i Mate TD操作说明书.日本，2004 10 FANUC公司.FANUC 0i Mate TD连接说明书.日本，2004

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