1、第二章 华中数控系统车床的设计为例详细分析2.1 系统简介机床：两坐标卧式车床，带四刀位自动刀架；控制柜结构：强电控制柜+操作站；主轴：普通异步电机，机械手动换档变速。表 5.3.1 典型车床数控系统设计主要器件序号 名称 规格 主要用途 备注1. 数控装置 HNC-21TC 控制系统 华中数控2. 软驱单元 HFD-2001 数据交换 华中数控伺服控制电源、开关电源供电交流接触器电源照明灯电源3. 控制变压器 AC380/220V 300W/110V 250W/24V 100W/24V 100W HNC-21TC 电源华中数控4. 伺服变压器 3P AC380/200V 2.5KW 为伺服电
2、源模块供电 华中数控5. 开关电源 AC220/DC24V 100W 开关量及中间继电器 明玮6. 伺服电源模块 HSV-11P075 为伺服驱动器供强电 华中数控7. 伺服驱动器 HSV-11D030 X、Z 轴电机伺服驱动器 华中数控8. 伺服电机 110STZ4-1-LM（4NM ） X 轴进给电机 华中数控9. 伺服电机 130STZ7.5-1-LM（7.5NM）Z 轴进给电机 华中数控2.2 总体框图s 以 太 网 口 PC键 盘 口 远 程 I/O板 RS23 XS40 四 串 口 板 XS20 XS10,XS1 输 出 开 关 量 (伺 服 、 继 电 器 控 制 ) 输 入 开
3、 关 量 (操 作 按 钮 、 机 床 检 测 输 入 ) 图 5.31 典 型 车 床 数 控 系 统 配 置 框 图 XS41 四 串 口 板 软 驱 软 驱 单 元 XS3 XS2 XS6 XS5 XS4 HNC-21 伺 服 电 机 X 1型 伺 服 X X轴 编 码 器 伺 服 电 机 Z 1型 伺 服 Z Z轴 编 码 器 2.3 输入输出开关量定义以下为典型车床数控系统对输入输出开关量的定义，在本章的例子中，虽然有些输入输出开关量给出了定义，但并未使用。XS8 手持单元给出了定义，但在本例中没有使用。XS21（DB25/F）未用。XS8（DB25）手持单元接口：引脚号 信号名 标
4、号 定义13 5V 地 手摇脉冲发生器+5V 电源地25 +5V 手摇脉冲发生器+5V 电源12 HB 手摇脉冲发生器 B 相24 HA 手摇脉冲发生器 A 相11 O28 Y3.4 未定义；23 O29 Y3.5 未定义；10 O30 Y3.6 手持单元工作指示灯， 低电平有效；22 O31 Y3.7 未定义9 I32 X4.0 手持单元坐标选择输入 X 轴，常开点，闭合有效；21 I33 X4.1 手持单元坐标选择输入 Y 轴，常开点，闭合有效；8 I34 X4.2 手持单元坐标选择输入 Z 轴，常开点，闭合有效；20 I35 X4.3 手持单元坐标选择输入 A 轴，常开点，闭合有效；7
5、I36 X4.4 手持单元增量倍率输入 X1， 常开点，闭合有效；19 I37 X4.5 手持单元增量倍率输入 X10， 常开点，闭合有效；6 I38 X4.6 手持单元增量倍率输入 X100，常开点，闭合有效；18 I39 X4.7 手持单元使能输入，常开点，闭合有效；5 空17 ESTOP3 手持单元急停按钮串接到急停回路的端子4 ESTOP2 手持单元急停按钮串接到急停回路的端子3,16 +24V 为手持单元的输入输出开关量供电的 DC24V 电源1,2,14,15 24V 地 为手持单元的输入输出开关量供电的 DC24V 电源地 XS10（DB25/F 头针座孔）输入接口（I0I19）
6、：引脚号 信号名 标号 信号定义13 I0 X0.0 X 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效；25 I1 X0.1 X 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效；12 I2 X0.2 Z 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效；24 I3 X0.3 Z 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效；11 I4 X0.4 C 轴正超程限位开关，常开点，闭合有效；（未用）23 I5 X0.5 C 轴负超程限位开关，常开点，闭合有效；（未用）10 I6 X0.6 卡盘夹紧到位，常开点，闭合有效；（未用）22 I7 X0.7 卡盘松开到位，常开点，闭合有效；（未用）9 I8 X1.0 X 轴回参考点开关，常开点，闭合有效
7、；21 I9 X1.1 Z 轴回参考点开关，常开点，闭合有效；8 I10 X1.2 C 轴回参考点开关，常开点，闭合有效；（未用）20 I11 X1.3 未定义；7 I12 X1.4 冷却系统报警，常闭点，断开有效；19 I13 X1.5 润滑系统报警，常闭点，断开有效；（未用）6 I14 X1.6 压力系统报警，常闭点，断开有效；（未用）18 I15 X1.7 未定义；5 I16 X2.0 主轴一档到位，常开点，闭合有效；（未用）17 I17 X2.1 主轴二档到位，常开点，闭合有效；（未用）4 I18 X2.2 未定义；16 I19 X2.3 未定义；3 空1,2,14,15 24V 地
8、外部直流 24V 电源地 XS11（DB25/F 头针座孔）输入接口（I20I39）：引脚号 信号名 标号 信号定义13 I20 X2.4 外部运行允许，常开点，闭合有效；25 I21 X2.5 伺服电源模块 OK，常开点，闭合有效；12 I22 X2.6 伺服驱动器 OK，常开点，闭合有效；24 I23 X2.7 电柜空气开关 OK，常开点，闭合有效；11 I24 X3.0 主轴报警，常闭点，断开有效；23 I25 X3.1 主轴速度到达，常开点，闭合有效；（未用）10 I26 X3.2 1 号刀到位，常开点，闭合有效；22 I27 X3.3 2 号刀到位，常开点，闭合有效；9 I28 X3
9、.4 3 号刀到位，常开点，闭合有效；21 I29 X3.5 4 号刀到位，常开点，闭合有效；8 I30 X3.6 5 号刀到位，常开点，闭合有效；（未用）20 I31 X3.7 6 号刀到位，常开点，闭合有效；（未用）4-7、16-19I32-I39 X4.0-X4.7与 XS8 并联，用于手持单元的坐标选择输入、增量倍率输入、使能按钮输入；3 空 见 XS81,2,14,15 24V 地 外部直流 24V 电源地 XS20（DB25/F 头孔座针）O0O15：引脚号 信号名 标号 信号定义13 O00 Y0.0 运行允许， 低电平有效；25 O01 Y0.1 系统复位， 低电平有效；12
10、O02 Y0.2 伺服允许， 低电平有效；24 O03 Y0.3 SV_CWL 伺服减电流，低电平有效；（未用）11 O04 Y0.4 升降轴抱闸， 低电平有效；（未用）23 O05 Y0.5 冷却开， 低电平有效；10 O06 Y0.6 刀库正转， 低电平有效；22 O07 Y0.7 刀库反转， 低电平有效；9 O08 Y1.0 主轴正转（主轴使能） ， 低电平有效；21 O09 Y1.1 主轴反转（主轴使能） ， 低电平有效；8 O10 Y1.2 主轴制动， 低电平有效；20 O11 Y1.3 卡盘松， 低电平有效；（未用）7 O12 Y1.4 主轴一档， 低电平有效；（未用）19 O13
11、 Y1.5 主轴二档， 低电平有效；（未用）6 O14 Y1.6 未定义；18 O15 Y1.7 未定义；5 空17 ESTOP3 急停回路驱动 KA 继电器，控制动力电源的输出端子（见图 2.10.1）4 ESTOP1 急停回路与超程回路的串联的接入端子（见图 2.10.1）16 OTBS2 超程限位开关的接入端子（见图 2.10.1）3 OTPS1 超程限位开关的接入端子（见图 2.10.1）1,2,14,15 24V 地 外部直流 24V 电源地2.4 电气原理图简介下面以示意图的形式，显示了电气原理图的主要部分，对于线号仅给出了在不同的页面均出现的线缆的线号。电源部分在本设计中，照明灯
12、的 AC24V 电源和 HNC-21 的 AC24V 电源是各自独立的；系统中没有电磁阀因此只用了一个 DC24V 100W 的开关电源，在开关电源进线侧用一个低通滤波器与伺服控制电源（AC220V）隔离开来。总电源进线、变压器输入端等处的磁环和高压瓷片电容未在图中表示出来。图 5.3.2 中 QF0QF4 为三相空气开关；QF5QF10 为单相空气开关；KM1KM6 为三相交流接触器；RC1RC4 为三相阻容吸收器（灭弧器） ；RC5RC10 为单相阻容吸收器（灭弧器） ；KA1KA8 为直流 24V 继电器；数 控 装 置 HNC-21TC照 明 灯 指 示 灯 吊 挂 风 扇 QF6 6
13、A QF7 6A 低 通 滤 波 器 AC250V6A 20B 20A 到 ： 伺 服 电 源 模 块 伺 服 驱 动 器QF9 3A 开 关 电 源 10WAC20V/ D410 24V 到 ： 继 电 器 数 控 装 置伺 服 驱 动 器 QF10 6AKM6 RC10 KM5 RC9 KM4 RC8 KM3 RC7 KA8 KA1 电 柜 风 扇 主 轴 反 转 刀 架 电 机正 转 刀 架 电 机反 转 冷 却 电 机 QF8 3A QF0 4A RC1 QF3 0.4A KM5 QF4 0.3A KM6 RC4 RC3 QF1 6A QF2 10AKM1 伺 服 变 压 器 AC38
14、0/20 7KW 伺 服 电 源模 块 HSV-1P 主 轴 电 机 5.KW 刀 架 电 机 冷 却 电 机 QF5 3A AC10V 25W控 制 变 压 器 AC380V 3相 R ST 图 5.32 典 型 车 床 数 控 系 统 电 气 原 理 图 -电 源 部 分 AC24V 10WAC24V 10WAC20V 3WAC380V 75WKM2 RC6 KM1 RC5 伺 服 强 电 主 轴 正 转 KA7 KM4 KA6 KM5 KA5 KM2 KA4 KM3 RC2 KM4 KM3 KM2 2.5 继电器与输入输出开关量继电器主要是由输出开关量控制的，输入开关量主要是指进给装置、
15、主轴装置、机床电气等部分的状态信息与报警信息。10 SQX-1 SQX-3 SQZ-1 SQZ-3 OTBS1 3 OTBS2 16 ESTOP1 4 ESTOP3 17 HNC-21 XS20 KA2 KA1 KA3 KA4 KA5 KA6 KA7 KA8 24V 图 5.3 典 型 车 床 数 控 系 统 电 气 原 理 图 -继 电 器 部 分 KA2 KA3 Y0. 420 Y1.0 Y1. Y0.6 Y0.7 Y0.5 外 部 运 行 允 许 运 行 允 许 伺 服 OK 主 轴 正 转 主 轴 反 转 刀 架正 转 刀 架反 转 冷 却启 动 KA6 KA7 KA4 KA5 图 5
16、.3.3 中,KA1KA8 为中间继电器；SQX-1、SQX-3 分别为 X 轴的正、负限位开关的常闭触点；SQZ-1、SQZ-3 分别为 Z 轴的正、负限位开关的常闭触点；420 为来自伺服电源模块与伺服驱动模块的故障连锁；100 为图 5.3.2 中 DC24V 50W 开关电源的地；图 5.34 典 型 车 床 数 控 系 统 电 气 原 理 图 -输 入 输 出 开 关 量 1 13 I0 2511 I2 2431 I4 23510 I6 279 I8 2198 I10 207 I12 1936 I14 1855 I16 1774 I18 1693 空 1524VG 1424VG 13
17、 I20 2511 I2 2431 I24 23510 I26 279 I28 2198 I30 2017 I32 196 I34 1855 I36 1774 I38 1693 空 1524VG 1424VG X轴 正 限 位 开 关 SQX-1 SQX-3 SQZ-1 SQZ-3 SQX-2 SQZ-2 X0. 1X0.2 3X1.0 10 （ 继 电 器 DC24V地 ） X轴 负 限 位 开 关 Z轴 正 限 位 开 关轴 负 限 位 开 关 X轴 参 考 点 开 关 Z轴 参 考 点 开 关外 部 运 行 允 许 KA2 QF3 QF4 X2.4 5X2.6 7X3.0 10 DC24
18、V开 关 电 源 输 出 地 电 柜 空 开 OK 主 轴 报 警XS1 XS10 伺 服 电 源 准 备好 KA 伺 服 驱 动 器伺 服 电 源 模 块 QF2 X3.2 1号 刀 到 位 SQ1 2号 刀 到 位SQ2 X3.4 3号 刀 到 位 SQ3 5 4号 刀 到 位SQ4 24V 霍 尔 开 关 图 5.3.4 中,100、24V，为图 5.3.2 中 DC24V 100W 开关电源的输出；图 5.35 典 型 车 床 数 控 系 统 设 计 电 气 原 理 图 -输 入 输 出 开 关 量 213 5VG25 +5V12 HB24 HA1 O2823 O2910 O302 O
19、319 I3221 I38 I3420 I357 I3619 I376 I3818 I395 空17 ESTOP34 ESTOP216 +24V3 +24V15 24VG2 4VG14 24VG1 24VGXS8 13 O025 O112 O224 O31 O423 O510 O62 O79 O821 O98 O1020 O17 O1219 O136 O1418 O155 空17 ESTOP34 ESTOP116 OTBS23 OTBS115 24VG2 4VG14 24VG1 24VG运 行 允 许 继 电 器Y0.Y0.1Y0.2Y0.510（ 继 电 器 DC24V地 ）系 统 复 位冷
20、 却 开 继 电 器刀 架 电 机 正 转 继 电 器Y0.6XS20 伺 服 允 许Y1.0 主 轴 正 转 继 电 器主 轴 反 转 继 电 器Y1.10限 位 急 停 回 路 外 部 运 行 允 许继 电 器（ 继 电 器 DC24V地 ）注 释 ：Y0.1、 Y0.2输 出 到 伺 服各 继 电 器 的 连 接 见 图 5.3刀 架 电 机 反 转 继 电 器7因为没有手持单元，所以 XS8 中的两个急停回路引脚需要短接起来，如图5.3.5 所示。2.6 伺服单元接线图图 5.36 典 型 车 床 数 控 系 统 电 气 原 理 图 -伺 服 驱 动 器 的 连 接 RXD TGND
21、XS40,1 2 3 5 X2 2 3 5 TXD RGND X轴 码 盘 屏 蔽 层 X轴 伺 服 HSV-1D25X2 12 0 0A B 9 8 7 6 5 4 故 障 连 锁 24V 使 能 地 减 电 流 U V W 9 10 U V W OH1 2PE 热 保 护J2 P N 屏 蔽 层 Z轴 伺 服 HSV-1D25X2 12 0 0A B 9 8 7 6 5 4 故 障 连 锁 24V 使 能 地 减 电 流 U V W 9 10 U V W OH1 2PE 热 保 护J2 Z轴 编 码 器 P N 数 控 装 置 HNC-21MCXS40 XS41 轴 码 盘420 Y0.1
22、 Y0.2 电 源 模 块 HSV-1P12 0 9 8 7 6 45 30A B 故 障 连 锁 24V 就 绪 地 使 能 X2.5 2 1 复 位 公 共 端 R S T PE R S T P N20A B 24V 10 KA1 DB9头 孔 DB9头 孔 坐 标 轴 控 制 电 缆 XS XS X、 Z轴 编 码 器 电 缆 +5V 1,12 3 0V1,8 90 A2 B 3 Z4 U 5 V6 W 7 A-15 B 6 Z-17 U 8 V-19 W 20 屏 蔽 14 J J +5V K N 0V T A B FZ CU LV RW DA- E B GZ- P U MV- S W H屏 蔽 XS 编 码 器 电 缆 ： RVP19X0.2 热 保 护 电 缆 ： RVP3X0.2 坐 标 轴 控 制 电 缆 ： RVP3X0.2 电 机 强 电 电 缆 ： RV4X2.5 420 X轴 伺 服 电 机 Z轴 伺 服 电 机 经过前面的数控系统的故障成因分析和华中数控系统车床的设计举例分析，我们可以从四个常见故障来进行诊断及维修：一、机床开机后急停且不能复位；二、机床回参考点故障；三、刀不能锁紧；四、主轴调速故障下面我们先来分析第一个故障
