数控系统安装

任务导入

F1为GSK218M数控系统，它由哪些部分组成？各组成部分具有哪些功能？各部分接口是如何连接的？

F1 GSK218犕数控系统

任务目标

（1）了解数控机床的组成及各部分的功能，掌握GSK218M数控系统的组成。

（2）了解GSK218M数控系统的接口布局。

（3）分辨各接口的接插件及各部分的连接关系。

（4）正确焊接数控系统I／O信号线。

任务分析

要对数控机床进行安装，必须先知道数控机床的组成部分及各部分的功能。数控机床种类繁多，但不论是何种数控机床，都包括以下基本组成部分：数控系统、机床电气、机床本体。数控系统多种多样，但对于同一系统、同一用途、不同型号的数控机床来说，其电气安装布局大体相似。

本项目以GSK218M系统数控铣床为载体，本任务具体学习步骤为：掌握数控机床的组成及工作原理→掌握数控系统的组成→掌握接口布局及总体连接→能正确分辨各接口→会焊接数控系统I／O信号线，从而完成对GSK218M铣床数控系统布局等的总体认知，为实施后续数控机床各部分的电气装调任务打基础。

任务实施

一、相关知识

1．数控机床的组成及工作原理

数控机床（Numerical Control Machine Tools，NCMT）是指采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控机床由输入／输出（I／O）装置、数控装置、辅助控制装置、伺服系统、位置检测反馈系统、机床本体等组成，如F2所示。

F2 数控机床的组成

1）输入／输出装置

输入／输出设备用来完成数控加工程序的输入／输出、参数设定和状态显示等。编好的数控程序，一般存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，这种存储载体称为控制介质。控制介质又称为程序载体或信号载体。

输入装置传送数控加工程序并将其存入数控装置。现代数控机床常用软盘、移动存储器、硬盘作为存储介质。现代数控机床也可不用控制介质，对简单的数控加工程序，可用手动数据输入（Manual Data Input，MDI）方式直接通过数控装置上的MDI键盘输入和编辑；也可用通信方式将数控加工程序由编程计算机直接传送给数控装置。现代数控机床常采用通信的方式有以下三种：

（1）串行通信，如通过RS-232、RS-422、RS-485等串口。

（2）自动控制专用接口和规范，如DNC（Direct Numerical Control）方式、MAP （Manufacturing Automation Protocol）协议等。DNC称为分布式数控，即直接数控输入方式，也叫数控机床在线加工模式，即把零件程序保存在上级计算机中，数控系统一边加工，一边接收来自计算机的后续程序段。DNC方式多用于采用CAD／CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件程序的情况。

（3）网络技术（Internet、LAN等）。现代数控机床常用的输入／输出装置有：键盘、磁盘驱动器、USB接口、串行通信接口、DNC网络通信接口等。数控系统一般还配有CRT显示器或点阵式液晶显示器等输出设备，还可配置PC、打印机等外部输出设备。操作面板是操作人员与数控机床（系统）进行信息交流的工具，它是数控机床特有的一种输入／输出部件。

2）数控装置

数控装置（Computer Numeriml Control，CNC）是数控机床的核心，是数控机床的运算和控制系统。输入装置送来的脉冲信号，经过数控装置进行编译、运算和逻辑处理，然后将各种信息指令输出给伺服系统，使设备各部分进行规定的有序的动作。数控装置组成及工作原理如F3所示。数控机床功能的强弱是由数控装置决定的。

F3 数控装置组成及工作原理

3）伺服系统

伺服系统把来自数控装置的脉冲信号经功率放大、整形处理后，转换成机床运动部件的机械位移（直线位移或角位移）。

伺服系统由伺服单元和驱动装置组成。伺服单元接收来自数控装置的微弱指令信号，并放大成控制驱动装置的大功率信号，伺服单元分为脉冲式和模拟式两类。驱动装置把经过放大的指令信号转变为机械运动，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等，当代数控机床大量选用交流伺服电动机和线性交流伺服电动机。

伺服系统分主轴伺服系统和进给伺服系统两类。

一个指令脉冲使机床执行部件所产生的相应位移量，称为脉冲当量，或最小设定单位。脉冲当量越小，加工精度越高。但即使数控装置发出的脉冲当量足够小，而伺服系统没有足够高的速度与精度去响应执行，加工精度还是无法提高，所以整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。从某种意义上说，数控机床性能的好坏主要取决于伺服系统。

4）位置检测反馈装置

位置检测反馈装置将数控机床各运动部件的实际位移加以检测，转变为电信号后反馈给数控装置，反馈信号值与指令值进行比较后产生误差信号，以控制机床纠正误差。速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的检测装置（测速机）来完成，它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令值进行比较，从而实现速度的精确控制。

位置检测反馈装置常用的检测元件有：光电编码器（又称码盘）、感应同步器、旋转变压器、光栅、磁栅等。

按有无检测元件或按检测元件所安装的位置来分，伺服系统可分为开环伺服、半闭环伺服、闭环伺服。数控机床采用不同的控制方式，所需电气元件的性能要求和选用标准均有很大的不同。

（1）开环控制数控机床。F4（a）为典型的开环控制数控机床，这类机床不带位置检测反馈装置，典型的开环控制方式是步进电动机驱动式。其结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、成本低，但精度不高，一般应用于经济型数控机床。

F4 数控机床分类

（a）步进电动机开环控制机床 （b）半闭环控制数控机床 （c）闭环控制数控机床

（2）半闭环控制数控机床。图1-1-4（b）为典型的半闭环控制数控机床，其位置检测反馈装置装在伺服电动机轴上或装在丝杠的端部，因此，机械传动误差没有得到纠正。但其稳定性好（由于丝杠、工作台等惯性较大的运动部件不在控制环内）、成本较低、调试维修较方便，故应用较为广泛。

图中的速度反馈通常由集装于主轴和进给电动机中的检测反馈装置（测速机）来完成，它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为反馈信号，与指令值进行比较，从而实现速度的精确控制。

（3）闭环控制数控机床。图1-1-4（c）为典型的闭环控制数控机床，其位置检测反馈装置安装在机床工作台上。其精度高，结构复杂，调试和维修复杂，成本高，主要用在精度要求很高的场合。

5）辅助控制装置

数控装置与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）协调配合，共同完成对数控机床的控制。其中CNC主要完成数字控制，即与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控制等。PLC主要完成顺序控制，即与逻辑运算有关的一些动作，现代数控机床常用PLC与机床I／O电路和装置（由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路）构成辅助控制装置，共同完成以下任务。

（1）接受CNC装置输出的M（辅助功能）、S（主轴功能）、T（刀具功能）控制代码，并对其进行译码，转换成对应的控制信号。一方面，它控制主轴单元实现主轴转速控制；另一方面，它控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如卡盘夹紧松开（工件的装夹）、刀具的自动更换、切削液的开关、机械手取送刀、主轴正反转和停止、主轴准停等动作。

（2）接受机床控制面板（循环启动、进给保持、手动进给等）和机床侧（行程开关、压力开关、温控开关等）的I／ O信号，一部分信号直接控制机床的动作，另一部分信号送往CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。

6）机床本体

机床本体是数控机床的主体，它包括主运动部件、进给部件、基础支撑件（床身、立柱等）、冷却、润滑等辅助装置。

图1-1-5表示了数控装置、PLC、机床之间的控制关系。

2．数控机床电气控制系统

1）数控机床电气控制系统的组成

数控机床电气控制系统由数控系统和强电两大部分组成，数控系统包括数控装置、输入／输出接口、驱动单元和机构；强电部分包括可编程控制单元、主轴控制单元及主轴电动机、供电回路及机床电气系统、速度控制单元及进给电动机等。各部分的作用在上文中已经讲述，这里不再赘述。

电气控制电路一般由主电路、控制电路与接口电路等部分组成，主电路实现电能分配、短路保护、欠压保护、过载保护等功能，控制电路实现对机床液压、冷却、润滑、照明等的控制，接口电路完成信号的变换与连接。

图1-1-5 数控装置、PLC、机床之间的关系

2）电气接线的关键技术

在数控机床的电气装调过程中，应处理好系统的布线、屏蔽和接地等问题，为数控机床的可靠、安全运行打下基础。电气接线时要注意如下事项。

（1）注意数控系统信号线的分类和接地。在GSK218M数控系统的连接说明书中，对数控系统所使用的电缆进行了分类，即A、B、C三类。A类电缆是用于交流／直流动力源的电缆，电压一般为380V／220V，接触器信号和电动机的动力电缆会对外界产生较强的电磁干扰，特别是电动机的动力线对外界干扰很大，因此，A类电缆是数控系统中较强的干扰源。B类电缆用于继电器以24V电压信号为主的开关信号的电缆，这种信号因为电压较A类信号低，电流也较小，一般比A类信号干扰小。C类电缆电源工作负载是5V，主要信号线有显示电缆、I／O-Link电缆、手轮电缆、主轴编码器电缆和电动机的反馈电缆。因为C类信号在5V的逻辑电平下工作，并且工作的频率较高，极易受到干扰，在机床布线时要特别注意采取相应的屏蔽措施。

对于强电柜和引出的各种电缆，应该尽量避免将A、B、C三种电缆混装于一个导线管内。如实现有困难，至少也应将B、C类电缆通过屏蔽板与A类电缆隔开。

（2）注意浪涌吸收器的使用。为了防止来自电网的干扰，对异常输入起到保护作用，电源的输入应该设有保护措施，通常使用浪涌吸收器。浪涌吸收器除了能够吸收输入交流的噪声信号以外，还可以起到保护的作用。

（3）注意伺服放大器和电动机反馈线的地线处理。伺服放大器和伺服电动机之间的反馈电缆会造成系统与伺服之间的信号干扰，极易造成伺服和编码器的相关报警。所以，放大器和电动机之间的接地处理非常重要。根据动力线与反馈线分开的原则，动力线和反馈线应使用两个接地端子板。

（4）注意导线捆扎处理。在配线过程中，通常将各类导线捆扎成圆形线束，线束的捆扎线节间距离应力求均匀，线束超过30根导线时，允许加一根备用导线并在两端进行标记。标记采用回插的方式，以防止脱落。线束在跨越活动门时，每束不应超过30根；超过30根时，应再分离一束线束。

（5）行线槽的安装与导线在行线槽的布置。电气元件应与行线槽统一布局，合理安装，整体构思，与元器件“横平竖直”要求相对应。行线的布置原则是每行元器件的上下都安放行线槽，整体配电板两边加装行线槽。

3．GSK218M数控系统的组成

1）数控系统配置

GSK218M数控系统是新一代的普及型铣床数控系统，该数控装置集成了进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内置式PLC于一体，I／O接口可扩展选配功能；数控装置内部已提供标准车床控制的PLC程序，梯形图可编辑、上传、下载，用户也可自行编制PLC程序；支持CNC与计算机（PC）、CNC与CNC间双向通信，系统软件、PLC程序可通信升级。GSK218M车床数控系统（配变频主轴时）参考配置如图1-1-6所示。

图1-1-6 GSK218犕数控系统参考配置

2）各部分的连接关系

配置变频主轴的GSK218M数控系统，各部分的连接关系框如图1-1-7所示。

二、准备工作

GSK218M系统数控车床与GSK218M系统数控实训台若干台，扳手、旋具等工具一套，电子线路焊接工具一套。

三、实施步骤

1．了解数控机床各组成部分及其作用

根据具体数控机床的情况，参照图1-1-1和图1-1-2，了解数控机床的组成及其作用。

图1-1-7 GSK218犕数控系统连接

2．认识GSK218M车床数控系统接口布局及总体电气连接

拆开机床后盖，感性认识GSK218M车床数控系统接口布局，认清各个信号线的来源和去向。接口布局及总体电气连接如图1-1-8所示。

3．接口辨认

（1）接口名称、功能。对照数控机床，辨认各接口。各接口名称及功能如表1-1-1所示。

表1-1-1 接口名称及功能

（2）电源接口连接。GSK218M系统采用GSK PB型电源盒，共有四组电压：＋5V（3A）、＋12V（1A）、－12V（0．5A）、＋24V（0．5A），共用公共端COM（OV）。GSK PB型电源盒到GSK218MXS2接口的连接在出厂时已完成，用户只需要连接220V交流电源。GSK PB型电源盒到GSK218MX2接口的连接如图1-1-9所示。

图1-1-9 电源接口的连接

4．数控系统I／O信号线焊接

以CNC与DA98D驱动器的连接电缆制作为例，说明信号线焊接过程，按照焊接过程，练习信号线的焊接。

（1）准备DB44、DB15插头各一个，10芯电缆若干米。

（2）焊接。

（续表）

（续表）

（续表）

（3）接线检查。检查连接关系是否正确。

5．数控系统的安装

（续表）

（续表）

四、评分标准