实验二数控系统的原理与组成.docx
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实验二数控系统的原理与组成
实验二数控系统的原理与组成
一、实验目的与要求
（1）了解数控系统的特点、基本组成和应用。
（2）了解数控系统常用部件的原理与作用。
（3）熟悉数控系统综合实验台的连接与基本操作。
二、实验仪器与设备
（1）HED-21S数控系统综合实验台一套
（2）专用连接线一套。
三、相关知识概述
1.数控系统的组成
数字控制机床是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，它是数控技术的典型应用。
数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统是以计算机为核心的数控系统。
计算机数控系统的组成如图2-1所示。
图2-1计算机数控系统
3.1.1操作面板
操作面板是操作人员与机床数控系统进行信息交流的工具，它由按钮站，状态灯，按键阵列（功能与计算机键盘类似）和显示器组成。
数控系统一般采用集成式操作面板，分为三大区域：
显示区，NC键盘区，机床控制面板区。
如图2-2所示.
显示器一般位于操作面板的左上部，用于菜单、系统状态、故障报警的显示和加工轨迹的图形仿真。
NC键盘包括标准化的字母数字式MDI键盘和F1-F10十个功能键，用于零件程序的编制，参数输入，手动数据输入和系统管理操作等。
机床控制面板（MCP）用于直接控制机床的动作或加工过程。
一般主要包括:
（1）急停方式选择
（2）轴手动按键
（3）速率修调（进给修调，快进修调，主轴修调）
（4）回参考点
（5）手动进给
（6）增量进给
（7）手摇进给
（8）自动运行
（9）单段运行
（10）超程解除
（11）机床动作手动控制，例如，冷却启停，刀具松紧，主轴制动，主轴定向，主轴正反转，主轴停止等。
图2-2数控系统操作面板
3.1.2输入/输出装置
输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的数字信号,传送并存入数控装置内。
输出装置的作用是显示加工过程中必要的信息，如坐标值，报警信号等。
数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，输入、输出装置就是这种人机交互设备，典型的有键盘和显示器。
计算机数控系统还可以用通讯的方式进行信息的交换，这是实现CAD/CAM集成，FMS和CIMS的基本技术。
通常采用的通讯方式有：
（1）串行通讯（RS232等串行通讯接口）
（2）自动控制专用接口和规范（DNC，MAP等）
（3）网络技术（INTERNET，LAN等）
3.1.3计算机数控装置（CNC装置）
CNC装置是计算机数控系统的核心，它包括微处理器CPU、存储器、局部总线,
外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。
图3-3所示分别为、华中世纪星HNC-21T及西门子802S数控装置。
华中世纪星系统西门子802S系统
FANUC0i系统
图3-3常见数控系统
3.1.4伺服单元
伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。
伺服单元接收来自CNC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转变成执行部件进给的速度、方向、位移。
因此伺服单元是数控装置与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。
根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲单元和模拟单元之分。
伺服单元就其系统而言又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别。
3.1.5驱动装置
伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组成部分，它包含机械，电子，电机等各种部件，涉及到强电与弱电的控制。
数控机床的运动速度,跟踪及定位精度，加工表面质量,生产率及工作可靠性，往往主要决定于伺服系统的动态和静态性能，一般数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。
提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。
驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联动,使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。
与伺服单元相对应，驱动装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机等。
3.1.6可编程逻辑控制器（PLC）
可编程逻辑控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统。
它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数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设备和生产过程。
当PLC用于控制机床顺序动作时，称为PMC（ProgrammableMachineController）模块，它在CNC装置中接收来自操作面板，机床上的各行程开关，传感器，按钮，强电柜里的继电器以及主轴控制，刀库控制的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。
CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制，其中CNC装置主要完成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主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC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；它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置，用于加工过程的控制。
3.1.7机床本体
机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件，进给运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。
加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。
数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震性等方面要求更高。
因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施。
2．HED-21数控系统综合实验台
HED-21S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。
图2-4HED-21S数控系统综合实验台
HED-21S数控系统综合实验台集成了HNC-21TF数控装置、西门子/日立变频器及三相异步电机、松下/三洋交流伺服及交流伺服电机、雷塞步进电机驱动器及步进电机。
体积小巧，结构紧凑，可放在实验桌上供学生实验和教师教学使用。
具体组成如图1所示,其中光栅尺和十字工作台为选件。
综合实验台数控装置采用的是华中数控生产的“HNC-21TF”车床数控装置，本套数控装置为全功能控制系统，可以选用脉冲接口、模拟接口的交流伺服单元，或者是步进电机驱动器。
“世纪星”HNC-21TF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，用户也可自行编制PLC程序，采用国际标准G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2-5“世纪星”HNC-21TF车床数控装置
图2-6数控系统连接总线图
图2-7数控装置接口图
vXS1：
电源接口XS2：
外接PC键盘接口
vXS3：
以太网接口XS4：
软驱接口，
vXS5：
RS232接口XS6：
远程I/O板接口
vXS8：
手持单元接口XS9：
主轴控制接口
vXS10、XS11：
输入开关量接口
vXS20，XS21：
输出开关量接口
vXS30～XS33：
模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口
vXS40～XS43：
串行式HSV-11型伺服轴控制接口
图2-8软驱单元接口图
图2-9系统供电方式
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HNC-21数控装置连接使用。
图2-10手轮单元
主轴D/A选用接口AOUT1和AOUT2应注意，AOUT1的输出电压为-10V～+10V，AOUT2的输出电压为0V～+10V，如果主轴系统是采用给定的正负模拟电压实现主轴电机的正反转，请使用AOUT2接口控制主轴单元，其它情况都采用AOUT1接口，否则可能损坏主轴单元。
变频调速主轴单元采用Y系列0.55KW三相异步电三相380V，4极日立变频器SJ100-015HFE型（1.5KW,380V）变频器
变频主轴采用西门子MICROMASTER440系列的SE6440-2UD21-5AA0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0～10V，0～20mA或－10～10V，0～20mA。
电机采用普通三相异步电机，功率0.55KW，转速1390r/m。
交流伺服电机
（P50B05020DXS00）一台;
伺服驱动
三洋Q系列伺服驱动器
（QS1A01AA0M601P00）一台
交流伺服和交流伺服电机采用松下MINASA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。
步进驱动单元
步进驱动器和步进电机采用深圳雷塞M535和57HS13。
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，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。
57HS13是四相混合式步进电机，步进角为1.8度,静转矩1.3Nm,额定相电流2.8A。
输入、输出装置
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。
XY工作台集成了雷塞57HS13四相混合式步进电机,MSMA022A1C交流伺服电机,光栅尺，笔架。
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步进电机，步进电机没有传感器，不需
图2-11HC5301-8输入端子板接口
图2-12HC5301-R继电器板
要反馈，用于实现开环控制。
Y轴执行装置采用交流伺服电机，交流伺服和交流伺服电机组成一个速度闭环控制系统。
安装在交流伺服电机轴上的增量式码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，可构成一个位置半闭环控制系统；也可用安装在十字工作台上的光栅尺直接测量机械部分移动距离，构成一个位置全闭环控制系统。
笔架可绘出工作台的运动轨迹，便于观察数控编程的结果。
加工中心目前大量使用的是带刀库的自动换刀系统，转塔头式（通称八角头）加工中心，因主轴结构复杂，使用逐渐减少。
但在数控车床中转位刀架也是一种自动换刀系统。
具有刀库的加工中心，按刀库形式有盘式刀库、链式刀库等，按换刀方法不同又分为有机械手换刀和无机械手换刀两类。
刀库与机械手在机床上如何布局、如何组合，使结构变化各异。
选用何种结构形式要由设计者根据工艺、刀具数量、主机结构总体布局等多种因素决定。
常用的方法有顺序选刀和任意选刀，顺序选刀要求加工用刀具严格按加工过程中使用的顺序放入刀库中。
任意选刀的换刀方式可以有刀套编码、刀具编码和记忆等方式。
目前在加工中心上绝大多数都使用记忆式的任选换刀方式。
这种方式是刀具号和在刀库中的放置（地址）对应的记忆在数控系统的PC中，刀库上装有位置检测装置，刀具在使用中无论位置如何变化，数控系统总能追踪记忆刀具在刀库中的位置。
这样刀具就可以从刀库中任意取出并送回。
刀库中设有机械原点，每次选刀时，数控系统可以确定取刀最短路径，就近取刀，如对圆盘刀库来说，不会在刀库旋转超过180°的情况下选刀。
四、实验步骤
1、感性认识数控系统综合实验台的各组成部分
（1）指出数控系统综合实验台各个组成部件及其原理或作用。
（2）了解数控系统综合实验台各个组成部件之间的连接，认清各个信号线来源和去向。
2、了解数控系统综合实验台的基本操作。
（1）了解数控系统综合实验台上电顺序，了解HNC-21TF车床数控装置基本操作（可参见《世纪星车削数控装置操作说明书》），进入数控系统，运行演示程序。
五、实验总结
1、简述数控系统的组成及原理。
2、列举一些数控系统应用实例。
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