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1、温州大学瓯江学院WENZHOU UNIVERSITY OUJIANG COLLEGE数控机床与编程实验指 导书温州大学瓯江学院教务部制实验一 数控系统的原理与连接1 实验目的（1）了解数控系统的特点、基本组成和应用；（2）熟悉数控系统综合实验台，了解数控系统综合实验台各部件之间的连接关系；（3）了解数控系统常用部件的原理及作用；（4）了解数控综合实验台的基本操作。2 实验器材（1）数控系统综合实验台一套（2）专用连接线一套3 实验内容3.1数控系统的组成数控技术集传统的机械制造技术、液压气动技术、传感检测技术，现代控制技术、计算机技术、信息处理技术、网络通讯技术于体，是制造自动化的关键基础，是
2、现代制造装备的灵魂核心，亦广泛应用于机器人、生产线、轻工机械、火炮控制等其它机电一体化领域，是国家工业和国防工业现代化的重要手段。 采用数控技术设计和制造的机电体化产品具有以下几个特点： 体积小、重量轻 速度快、精度高 可靠性好、性能高 柔性好，可供利用的软、硬件资源极为丰富数控(国外早已改称计算机数控，即CNC，而我国仍习称数控，即NC)系统一般由输入输出装置、数控装置(或数控单元)、主轴单元、伺服单元、驱动装置(或称执行机构)、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、测量装置组成。图1.1虚线框内即为计算机数控系统(CNC)，它与机床本体起构成数控机床。计算机数控系统机 床 本 体辅助
3、装置电气回路主轴驱动装置主轴单元PLC操作面板进给驱动装置进给伺服单元数控装置输入/输出设备CNC单元测量装置图1.1 数控机床的组成(1)输入输出装置 输入输出装置主要用于零件加工程序的编制、存储、打印和显示或是机床加工信息的显示等。简单的输入输出装置只包括键盘和若干个数码管，较高级的系统一般配有CRT显示器或液晶显示器。一般的输入输出装置除了人机对话编程键盘和CRT显示器外，还有纸带阅读机、磁带机或磁盘，高级的输入输出装置还包括自动编程机或CAD/CAM系统。(2)数控装置数控装置是数控系统的核心，这一部分主要包括微处理器、存储器、外围逻辑电路及与数控系统其它组成部分联系的接口等。其原理是
4、根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件 (伺服单元、驱动装置和机床)，加工出所需要的零件。因此，输入、轨迹插补、位置控制是数控装置的三个基本部分(即一般计算机的输入决策输出三个方面)。而所有这些工作是由数控装置内的系统程序(亦称控制程序)进行合理的组织，使整个系统有条不紊地进行工作。(3)伺服单元和驱动装置伺服单元接受来自数控装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。因此伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接受指令的不同伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又
5、分为直流伺服单元和交流伺服单元。驱动装置把放大的指令信号变成为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，是工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。从某种意义上说，数控机床功能强弱主要取决于数控装置，性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。(4)可编程控制器可编程控制器(PC，Programmable Controller)是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研究这种装置的目的，是为了解决生产
6、设备的逻辑及开关量控制，故也称为可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称为可编程逻辑机床控制器(PMC，Programmable Machine Controller)。PLC主要完成与逻辑预算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受数控装置的控制代码M(辅助功能)、S(主轴转速)、T(选刀、换刀)等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；它还机床操作面板的指令，一方面直接控制机床动作，另一方面将指令送往数
7、控装置用于加工过程的控制。(5)主轴驱动系统主轴驱动系统和进给伺服驱动系统有很大的差别，主轴驱动系统主要是旋转运动。现代数控机床对主轴驱动系统提出了更高的要求，这包括有很高的主轴转速和很宽的无级调速范围等，为满足上述要求，现在绝大多数数控机床均采用鼠笼式感应交流异步电动机配矢量变换变频调速的主轴驱动系统。(6)测量装置测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。此外，由测量装置和数显环节构成数显装置，可以在线显示机床坐标值，可以大大提高工作效率和工件的加工精度。常见
8、测量装置有光电编码器、光栅尺、旋转变压器等。3.2 数控系统综合实验台简介HED2lS数控系统综合实验台用于培养学生掌握数控系统的编程方法、数控系统电气设计、安装、调试、维修等实际动手能力的一套实验装置。数控系统综合实验台采用模块化设计，便于组合和扩展，也便于检查和调试，利用该实验装置可以使学员掌握数控系统控制原理、电气原理、电气设计方法、元器件的选用，能够掌握数控系统电气布局、安装、电气调试等方法，能够模拟工业生产过程，达到工业现场实习效果。不仅可按照推荐的方式进行设计、安装、调试，也可根据各自对课程设置的要求，自行设计、组合安装、调试，更好地培养学生的动手能力和分析能力。HED21S数控系
9、统综合实验台集成了数控装置、变频主轴及三相异步电机、交流伺服及交流伺服电机、步进电机驱动器及步进电机、测量装置、十字工作台。数控装置采用华中数控股份有限公司的“世纪星”HNC21TF车床数控装置。“世纪星” HNC21TF车床数控装置采用先进的开放式体系结构， 内置嵌入式工业PC机，配置7 .7彩色液晶显示屏和通用工程面板，全汉字操作界面、故障诊断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真，操作简便，易于掌握和使用，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式plc接口于一体，可自由选配各种类型的脉冲接口、模拟接口交流伺服单元或步进电机驱动器，内部已提供标准车床控制的PLC程序，用户也司自行编
10、制?LC程序，采用国际标准G十代码编程，与各种流行的CAD/CAM自动编程系统兼容，具有直线、圆弧、螺纹切削、刀具补偿、宏程序等功能，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。图1.2所示为HNC2iTF数控装置与其他装置、单元连接的总体框图和连线图。XS1 XS40-XS43XS2 XS30-XS33 XS3 XS21 XS4 XS20XS5 XS11XS6 XS10XS8 XS9开关量输出开关量输出开关量输入 键盘 以太网 软驱 RS232 键盘 以太网 软驱 RS232远程I/O板远程I/O板手
11、持单元手持单元HSV-11伺服驱动装置其它类型进给装置其它类型进给装置开关量输出开关量输出主轴单元HNC21AC24V/DC24V电源注：图中除电源接口外，其他接口部都不是必须使用的。图1.2 数控系统总体框图图1.3 HNC-21TF数控装置接口图 XSl：电源接口 XS2：外接PC键盘接口 XS3：以太网接口 XS4：软驱接口， XS5：RS232接口 KS6：远程I/O板接口 XS8：手持单元接口 XS9：主轴控制接口 XS10、XS11：输入开关量接口 XS20，XS21：输出开关量接口 XS30一XS33：模拟式、脉冲式(含步进式)进给轴控制接口 XS40XS43： 串行式HSV1l
12、型伺服轴控制接口 若使用软驱单元则XS2、XS3、XS4、XS5为软驱单元的转接口。 软驱单元提供3.5”软盘驱动器、RS232接口、PC键盘接口、以太网接口。需要通过转接线与HNC21数控装置连接使用。图1.4 软驱单元接口图变频主轴采用西门子MiCROMASTER 440系列的6SE6440-2UD21-5AA0变频器配三相异步电机。变频器采用矢量控制，三相交流380V电源，功率范围(恒转矩)1.5KW，输入电流(恒转矩)3.9A，最大输出电流(恒转矩)4.0A，两个模拟量输入010V，020mA或010V，020mA。电机采用普通三相异步电机，功率0.55Kw，转速1390r/m。交流伺
13、服和交流伺服电机采用松下MINAS A系列的MSDA023A1A和MSMA022A1C。MSDA023A1A与MSMA022A1C构成闭环控制系统，提供位置控制、速度控制、转矩控制三种控制方式(需设置交流伺服参数，并修改相应连线)。MSMA022A1C为小型小惯量电机，配11线2500P/r增量式码盘，功率200W，额定转速3000r/min，额定转矩0.64Nm。步进驱动器和步进电机采用深圳雷塞M535和57HSl3。M535是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，每秒两万次的斩波频率。在驱动器的侧边装有一排拨码开关组
14、，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和静态工作电流。57HSl 3是四相混合式步进电机，步进角为1.8度，静转矩l.3Nm，额定相电流2.8A。开关量输入/输出采用HC53018输入接线端子板和HC5301-R继电器板，作为HNC2l数控装置XS10、XS11、XS20、XS21接口的转接单元使用，以方便连接及提高可靠性。输入接线端子板提供NPN和PNP两种类型开关量信号输入，每块输入接线端子板有20个NPN或PNP开关量信号输入接线端子，最多可接20路NPN或PNP开关量信号输入。继电器板集成八个单刀单投继电器和两个双刀双投继电器，最多可接16路NPN开关量信号输出及急停(两位)与超程(两位)信号，其中8路NPN开关量信号输出用于控制八个单刀单投继电器，剩下的8路NPN开关量信号输出通过接线端子引出，可用来控制其它电器，两个双刀双投继电器可由外部单独控制。图1.5 HC53018输入端子板接口图图1.6 HC5301R继电器板XY工作台集成了雷塞57HSl3四相混合式步进电机，MSMA022A1C交流伺服电机，光栅尺。机械部分采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。X轴执行装置采用四相混合式
