8.3.2  PMC-I/O电路

第8章 加工中心设计典例

8.1 机床控制要求

8.1.1 主要技术参数

1.产品概况

本章所介绍的VMC750加工中心外观如图8.1-1所示。这是一台系列化设计的中等性能的全功能数控机床，配套的数控系统可选择FANUC-0iD或FANUC-0iMate D，机床的基本规格为3轴控制/3联动，但可根据用户的需要选择4轴控制/4轴联动。

图8.1-1 产品外观

机床进给传动系统的直线导轨、滚珠丝杠等主要部件均采用进口产品，伺服、主轴可选择FANUC-αi系列或βi系列驱动系统，X/Y/Z的定位精度和重复定位精度可达到ISO 230-2标准规定的0.01mm和0.007mm；快进速度可达30m/min。选配FANUC-αi驱动时，主轴最高转速可选择12000r/min；选配FANUC-αi驱动时，主轴最高转速为8000r/min。机床自动换刀系统采用进口机械手凸轮换刀装置，刀库容量为16把，换刀时间为2s。此外，还配套有高压、大流量的冷却系统、切屑自动传送系统、自动润滑系统等辅助部件，并带有全封闭的安全防护罩和自动门。机床可用于模具、箱体、端盖、阀门等中小规格零件的高速、高精度加工；其总体水平与国外中档加工中心相近。

2.主要技术参数

VMC-750加工中心的主要技术参数如表8.1-1所示。

表8.1-1 VMC750主要技术参数表

8.1.2 电气控制要求

VMC750加工中心标准规格配套的CNC为FANUC-0iMate D、8.4in彩色显示，3轴控制/3联动，主轴和伺服采用FANUC-βiSVSP集成驱动器，电气控制系统的基本组成与控制要求如下。

1.CNC系统

数控装置：FANUC-0iMate D，8.4in彩色显示、垂直布置，3轴控制/3联动。

I/O单元：0i-I/O单元，1只；机床操作面板、手轮操作盒为用户自制（见下述）。

驱动装置：FANUC-βiSVSP 40/40/80-15伺服/主轴集成驱动器。

X、Y轴伺服电动机：FANUC-βiS12/3000，额定输出转矩11N·m、额定功率1.8kW、最高转速3000r/min。

Z轴伺服电动机：FANUC-βiS22/3000，额定输出转矩20N·m、额定功率2.5kW、最高转速3000r/min，带DC24V制动器。

主轴电动机：FANUC-βiI12/8000，连续/15min输出功率11/15kW、转矩52/72N·m，额定转速2000r/min，最高转速8000r/min。

2.辅助电动机

FANUC主轴电动机、βiSVSP驱动器配套有相应的冷却风机，机床其他需要电气控制系统控制的辅助电动机如下。

冷却电动机：三相感应电动机，型号Y2-801-2，额定功率0.75kW、额定电流1.83A、额定转速2830r/min。

排屑电动机：三相感应电动机，型号AO2-7114，额定功率0.25kW、额定电流0.83A、额定转速1400r/min。

刀臂旋转电动机：三相感应电动机，型号Y2-801-4，额定功率0.55kW、额定电流1.6A、额定转速1390r/min。

选刀电动机：三相感应电动机，型号AO2-7124，额定功率0.37kW、额定电流1.2A、额定转速1400r/min。

润滑电动机：三相感应电动机，型号AO2-5624，额定功率0.09kW、额定电流0.4A、额定转速1400r/min。

电气柜空调电动机：单相感应电动机，额定功率0.6kW、额定电流3.2A。

3.气动系统

机床的刀具松夹、刀套转位、防护门开/关、主轴冷却和锥孔吹气等辅助动作，全部通过气动控制系统实现。机床气动系统原理图如图8.1-2所示，气动系统的电磁元件动作表如表8.1-2所示。

表8.1-2 VMC750气动元件动作表

图8.1-2 VMC750气动系统原理图

4.冷却和排屑系统

机床的冷却系统包括刀具冷却和工作台面冲洗两部分。刀具冷却的开/关直接通过控制冷却电动机的通/断实现；工作台面利用手动冲洗枪冲洗，冲洗枪由操作面板上的按钮控制电磁阀Y12的通/断实现。机床冷却箱内安装有液位检测开关，当冷却水低于下限时，“冷却空”开关S81接通；冷却水到达上限时，“冷却溢出”开关S82接通。

机床使用标准链式排屑器，驱动电动机型号AO2-7114，额定功率0.25kW、额定电流0.83A、额定转速1400r/min。排屑器需要正、反转，以便能够在排屑器被铁屑卡住时，通过反转退出。

8.1.3 机床操作面板

本机床为批量生产产品，为了降低成本，机床操作面板、悬挂式手轮操作盒均为用户自制。机床操作面板和悬挂式手轮操作盒的设计如下。

1.机床操作面板

VMC750的机床操作面板如图8.1-3所示，面板仿照FANUC机床主操作面板设计。

根据CNC和机床的控制要求，面板上设计有机床紧急分断和起动控制用的急停（E-MERGENCY STOP）、机床起动（MACHINE ON）按钮。这两个按钮需要通过独立的连接电缆，与机床的强电控制回路进行连接。

出于使用寿命、操作方便及可靠性等方面的考虑，对于正常工作时最为常用的循环启动（C.START）和进给保持（F.HOLD）、需要用钥匙进行操作保护的存储器编辑允许（EDIT ON）和防护门保护解除（DR CANCEL），直接采用了按钮；主轴倍率（SP%）、进给倍率（F%）、快速倍率（G00%）调节开关及CNC的操作方式选择开关，均采用了传统的波段开关；其他操作均为带LED指示的标准按键。

图8.1-3 VMC750机床操作面板

操作面板的背面为印制电路板，操作按键直接安装在印制板上，按钮、波段开关可通过印制板上的连接器直接连接。为了便于接线，印制板上还设计有与0i-I/O单元连接器直接连接的连接器CB105、CB106，以及连接手轮盒的过渡连接器（见后述的电路图P27页）；使得手轮盒可方便地连接到操作台上。

2.操作按键

操作面板上除了CNC控制所必需的+X/-X、+Y/-Y、+Z/-Z、+4/-4坐标轴方向键，手动快速键（Rapid），以及单程序段（SINGLE BLOCK）、跳过选择程序段（SKIP BLOCK）、程序段选择停止（OPT STOP）、程序重新启动（RESTART）、试运行（DRY RUN）、刀具寿命管理跳过（SKIP TLIFT）等程序运行控制键外，还针对本机床的控制要求，设计了以下机床操作键（F1为备用）。

①DISP TOOL：刀号显示。机床采用的是机械手换刀方式，刀具在刀库中的位置将随着刀具的交换变化，为了便于操作者了解机床主轴和刀库刀套上的实际刀具情况，按此键可显示刀库、主轴上的现行刀具号。

②ALM.RESET：报警清除键。当故障排除后，可利用此按键清除CNC或机床报警、恢复正常运行。

③MG.CW/MG.CCW：刀库正转/反转手动控制键。当CNC操作方式选择手动时，可通过这2个按键控制刀库正转或反转，以便调整刀位、进行刀具的手动装卸。

④DR.OPEN：防护门手动开/关键。通过本键，可以在程序运行中断或停止时，手动打开、关闭防护门，以进行加工检查。按键需要通过PMC程序的设计，使之成为打开、关闭交替控制信号。

⑤SP.CW/SP.CCW/SP.STOP：主轴正转/停止/反转手动控制键。当CNC操作方式选择手动（JOG、HND、ZRN之一）时，可通过这三个按键起动主轴正转、反转或停止主轴。

⑥CLN.ON/OFF：手动冷却开/关键。手动打开、关闭冷却。按键需要通过PMC程序的设计，使之成为打开、关闭交替控制信号。

⑦BLO.ON/OFF：手动主轴气冷开/关键。手动打开、关闭主轴气动冷却。按键需要通过PMC程序的设计，使之成为打开、关闭交替控制信号。

⑧CLN.FLUSH：冷却水冲洗枪开/关键。手动打开、关闭冷却水冲洗枪。按键需要通过PMC程序的设计，使之成为打开、关闭交替控制信号。

⑨CHIP.CW/CHIP.CCW：排屑器正转/反转键，控制排屑器的正反转。

⑩LUB.ON/OFF：手动润滑键开/关键。手动打开、关闭丝杠、工作台、主轴的润滑。

3.悬挂式手轮盒

机床悬挂式手轮盒可用于对刀、调整操作，手轮盒的外观如图8.1-4所示。操作盒上设计有手轮生效指示灯、手轮轴选择开关、手轮倍率选择选择开关和手轮。

悬挂式手轮盒在CNC操作方式选择手轮操作（HND）时生效。手轮盒直接与操作面板上的印制板连接，连接线由电气柜内的0i-I/O单元引至操作面板印制板。

8.2 电路图设计典例

按照以上控制要求设计的机床电气控制系统全部电路图如图8.2-1～图8.2-27所示。电路图分为首页、主回路、电源回路、安全电路、驱动器电路（包括主轴、X/Y/Z轴伺服）、CNC连接电路、DI/DO连接、DC24V控制、AC220V控制等基本电路，以及输入/输出接口印制电路板（PCB）、操作台印制板的元器件、连接器布置图等。

电路图按照出口要求设计，机床紧急分断、超程急停、安全防护门均使用了由Pilz公司的PONZ S系列安全继电器进行控制。

由于机床为批量生产产品，为了降低成本、缩小体积、方便安装与连接，CNC的I/O接口使用了专门的印制电路板（PCB）。PCB板可将0i-I/O单元的I/O连接器CB104～CB107转换为实际I/O连接用的连接器；PMC输出驱动用的固态继电器、过电压抑制二极管、RC抑制器等均统一安装在PCB板上。

图8.1-4 悬挂手轮盒

电气控制系统设计合理、制图规范、安全可靠，符合国际先进标准要求。

图8.2-1 VMC75O加工中心电路图1

图8.2-2 VMC75O加工中心电路图2

图8.2-3 VMC75O加工中心电路图3

图8.2-4 VMC75O加工中心电路图4

图8.2-5 VMC75O加工中心电路图5

图8.2-6 VMC75O加工中心电路图6

图8.2-7 VMC75O加工中心电路图7

图8.2-8 VMC75O加工中心电路图8

图8.2-9 VMC75O加工中心电路图9

图8.2-1O VMC75O加工中心电路图1O

图8.2-11 VMC75O加工中心电路图11

图8.2-12 VMC75O加工中心电路图12

图8.2-13 VMC75O加工中心电路图13

图8.2-14 VMC75O加工中心电路图14

图8.2-15 VMC75O加工中心电路图15

图8.2-16 VMC75O加工中心电路图16

图8.2-17 VMC75O加工中心电路图17

图8.2-18 VMC75O加工中心电路图18

图8.2-19 VMC75O加工中心电路图19

图8.2-2O VMC75O加工中心电路图2O

图8.2-21 VMC75O加工中心电路图21

图8.2-22 VMC75O加工中心电路图22

图8.2-23 VMC75O加工中心电路图23

图8.2-24 VMC75O加工中心电路图24

图8.2-25 VMC75O加工中心电路图25

图8.2-26 VMC75O加工中心电路图26

图8.2-27 VMC75O加工中心电路图27

8.3 设计说明

根据电路性质和传统习惯，VMC750的电气控制系统可大致分为强电控制、驱动器控制、PMC-I/O三大部分。驱动器控制电路完全按照第7章FANUC-βiSVSP驱动器的要求设计，强电控制和PMC-I/O电路说明如下。

8.3.1 强电控制

电路图中的主回路、电源回路、安全电路属于电磁元件控制的强电回路，其设计要点分别如下。

1.主回路

机床的主回路主要包括βiSVSP驱动器供电及冷却、排屑、刀库回转、选刀、润滑等辅助电动机的供电回路。

根据FANUC驱动器要求，βiSVSP 40/40/80-15伺服/主轴集成驱动器的标准输入电压为3～AC200V、输入容量为24kV·A、输入电流为85A。为此，主电源需要使用3～380/200V、24kV·A的伺服变压器。为了对主回路进行可靠保护，变压器的一次侧安装了电动机保护断路器Q10；二次侧安装了短路保护的微型断路器F10。

根据驱动器的输入电流（85A），二次侧微型断路器可选择C或D型脱扣特性的100A标准规格，如SIEMENS 5SX7391等。如不考虑变压器功率因数的影响，当3～380/200V变压器的二次侧电流为85A时，一次侧的输入电流为

I₁=（200×85）/380=44.7（A）

因此，可选择整定电流范围为36～52A或40～63A的电动机保护断路器，如SIEMENS3VU1640或其他公司同等规格的产品，并将断路器的保护电流整定在45A左右。

主回路中的其他辅助电动机均可根据电动机的额定电流值，选配相应具有短路、过载保护功能的电动机保护断路器。

电气柜空调内部已安装过载保护器件，维修电源插头仅用于维修设备的供电，因此，可直接使用微型短路器进行线路的短路保护。

为了保证刀库回转选刀电动机能够快速停止、准确定位，图8.2-3中的选刀电动机正/反转控制使用了图8.3-1所示的双向晶闸管模块（又称固态继电器）。双向晶闸管模块的通断时间在10ms以下，小于接触器（通常在30ms以上）。

2.电源回路

机床的AC220V控制电源、照明电源通过控制变压器T2与进线隔离，变压器的一次侧和二次侧均使用微型断路器进线短路、过载保护。

图8.3-1 双向晶闸管模块

CNC的DC24V电源分为两组，均采用标准直流稳压电源供电。其中的一组（11L+/L-）专门用于CNC、0i-I/O模块和驱动器的DC24V控制电源供电；另一组（10L+/L-）用于PMC的输出驱动和DC24V控制回路。由于PMC输出驱动和DC24V控制回路与外部负载密切相关，较容易发生短路、过载等故障，采用独立电源供电时，可排除它对CNC、0i-I/O模块和驱动器DC24V电源的影响。

3.安全电路

机床的紧急分断、超程保护和防护门控制属于安全电路的范畴，本机床采用了Pilz公司的PONZ S系列电子式安全继电器进行控制。

影响人身和设备安全的主要因素来自于高速运动的主轴和进给轴，因此，紧急分断和超程保护时，需要向βiSVSP驱动器输入急停信号，并延时断开驱动器主电源，这一动作可通过Pilz公司的PONZ S5系列电子式安全继电器进行控制。紧急分断按钮采用的是双通道冗余输入，超程急停采用单通道输入，安全继电器K1、K2的起动/复位信号来自PMC的机床起动输出（KA1），有关PONZ S5控制驱动器安全通断的内容，可参见第5章5.4节。由于βiSVSP驱动器的安全性较高，本机床驱动器的主回路未使用接触器串联冗余控制。

机床的安全防护门控制采用的是PONZ S4系列电子式安全继电器，安全继电器在防护门关闭后可自动复位，有关内容可参见第5章5.4节。

8.3.2 PMC-I/O电路

0i-I/O单元的输入/输出连接器为50芯扁平电缆插头，为了连接外部输入、输出信号，需要进行端子转换。由于本机床批量生产，为减小体积、降低成本，机床专门设计了图8.2_-26所示的I/O接口PCB，对PMC输入/输出进行如下统一处理。

1.输入电路

I/O接口PCB上的PMC输入电路如图8.3-2所示，外部输入的触点、开关、接近开关等直接通过插头连接到PCB，PCB板和0i-I/O单元通过50芯扁平电缆连接。

图8.3-2 输入接口电路

0i-I/O单元的PMC输入驱动DC24V（L+）电源，需要通过CB104～CB107的B01脚，由PMC内部输出，这一电源是经过0i-I/O单元内部转换后的输出，一般不能与其他DC 24V连接。在本机床上，I/O接口PCB已根据外部触点开关、接近开关、电气柜辅助触点等输入的实际连接要求，通过PCB内部的线路，逐一分配到相应的输入连接器上，其输入连接十分方便。PMC输入连接器的安装，可参见电路图8.2-26。

2.输出电路

PMC的输出驱动能力为DC28.8V/200mA，对于交流负载，必须利用中间继电器进行转换；另外，从安全可靠的角度考虑，输出也不宜直接用于电磁阀等直流负载驱动。为此，在本机床I/O接口PCB上，PMC输出使用了图8.3-3所示的驱动电路，来自0i-I/O单元的输出可通过PCB上所安装的固态继电器，转换为驱动能力为AC250V/DC30V、5A的触点输出。

图8.3-3 输出接口电路

根据负载性质，PCB上的直流驱动用固态继电器，其输出触点的两侧并联有二极管；交流驱动则并联有RC抑制器。固态继电器的线圈侧、直流触点输出侧的过电压抑制二极管，以及交流输出触点侧的RC抑制器，已在PCB上统一安装，输出触点在PCB上已被转换为可直接连接外部负载的插头。固态继电器的输出触点以4点输出为一组，每组输出可以使用独立的负载驱动电源；其使用方便、灵活，电路工作可靠。PMC输出连接器的安装，可参见电路图8.2-26。

3.机床操作面板连接

如前所述，本机床的机床操作面板背面同样设计有印制电路板，来自0i-I/O单元的输入/输出可直接通过印制电路板，转换为按键、指示灯、开关的连接信号。其中，倍率开关、循环起动、进给保持等独立输入/输出元件，印制电路板上设计有专门的连接器。此外，操作面板印制板还安装有悬挂手轮盒和0i-I/O单元连接用的过渡连接器，以便直接连接手轮盒，操作面板印制板上的连接器安装，可参见图8.2-27。

以上控制系统的设计规范、结构紧凑、安全可靠，可供同类机床的设计参考。

机床同样需要编制基本件、外购件、标准件明细表，其格式与普及型数控机床相同，有关内容可参见第6章6.3节。