基于FANUCOIMATE系统的CK518数控立车电 气控制电气说明书.docx
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基于FANUCOIMATE系统的CK518数控立车电气控制电气说明书
目录
第一章电气系统控制设计…………………………………………………2
1.1选件………………………………………………………………2
1.2电源………………………………………………………………4
1.3数控装置与软驱单元的连接………………………………6
1.4数控装置与外部计算机的连接…………………………8
1.5数控装置开关量的输入/输出……………………………9
1.6数控装置与手持单元的连接………………………………13
1.7数控装置与主轴装置的连接………………………………17
1.8数控装置与进给驱动装置的连接……………………21
1.9电磁兼容设计…………………………………………………24
1.10数控机床系统总体设计……………………………………25
第二章伺服电机的选择与计算……………………………………………34
2.1伺服电机的选择计算……………………………………………34
2.2惯量匹配计算……………………………………………………34
第五章参考文献……………………………………………………………36
前言
随着社会生产和科学技术的发展与进步，PLC技术正在不断地深入到各个领域并迅速地向前推进，特别是近几年来在机械加工领域引起了许多深刻的改革。
《双面钻孔组合机床在运用》就是运用了PLC技术与机床电气的过程及注意事项，实现了机电一体化的运用，这便使双面组合钻床操作更加方便，大大提高了工作效率。
目前，在机械制造业中已不再是仅仅要求单机自动化，而是要求实现一条生产线，一个车间、一个工厂甚至更大规模的全盘自动化，这便体现PLC技术的重要性。
在设计中，参考了机电一体化技术方面和PLC方面的教材和资料，在书后的参考文献中列出，这些宝贵的资料对我完成毕业设计起到了重要的作用，在设计中有许多不妥之处，敬请老师提出宝贵指正.
第一章电气系统控制设计
1.1选件：
1.1.1数控装置（选件）：
选择华中“世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21THNC-21M）
特点：
“世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21T、HNC-21M）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7.5彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，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，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。
具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点；
图1所示为NNC-21数控装置与其他装置、单元连接的总体框图。
注：
图中除电源接口外，其他接口都不是必须使用的。
图1总体框图
图2HNC-21数控装置接口图
XS1：
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XS6：
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~XS33：
模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口
XS40~XS43：
串行式NSV-11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。
2.3.1.2软驱单元（选件）：
软驱单元为系统的数据交换单元，该单元可为系统扩展软盘数据交换、外接键盘、RS232、DNC和以太网接口等功能。
需要通过转接线与HNC-21数控装置连接使用。
软驱单元接口如图3所示：
图3软驱单元接口图
前视图接口用于和外部计算机连接，后视图接口用于和HNC-21连接。
2.3.1.3手持单元（选件）：
手持单元提供急停按钮、使能按钮、工作指示灯、坐标选择（OFF、X、Y、Z、4）、倍率选择（X1、X10、X100）及手摇脉冲发生器。
手持单元仅有一个DB25的接口。
如图4所示：
图4手持单元接口图
手持接口插头连接但HNC-21数控装置的手持控制接口XS8上。
2.3.1.4I/O端子板（选件）：
I/O端子板分输入端子板和输出端子板两种，通常作为HNC-21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。
输入端子板与输出端子板均提供NPN和PNP两种端子。
每块输入端子板含20位开关量输入端子；每块输出端子板含16位开关量输出端子及急停（两位）与超程（两位）端子。
图5输入端子板接口图
图6输出端子板接口图
2.3.2电源：
2.3.2.1供电要求
电源容量：
数控装置（外部电源1）：
AC24V或DC24V100W。
PLC电路（外部电源2）：
DC24V不低于50W。
电源线：
采用屏蔽电缆或双绞线。
外部电源1采用交流AC24V电源时（参见供电方式一），建议数控装置不与其他外部设备共用电源。
外部电源2建议采用直流DC24V/50W开关电源。
若开关量输出信号控制的直流24V继电器较多，可适当增加电源容量，或另外提供电源，但必须与外部电源2共地。
若Z轴抱闸和电磁阀也虚DC24V供电，尽量不要与外部电源2共用，以减少电磁阀等器件对数控装置的干扰。
外部电源1采用直流DC24V电源时，可以与外部电源2共用一个容量不低于150W的直流24V开关量（参见供电方式二）。
外部电源1，2经过数控装置内部电路，由XS8向手持单元上的开关元件及手摇脉冲发生器提供电源，如图11所示。
远程I/O端子板上的输入/输出开关量可在本地单独使用电源。
2.3.2.2供电方式一：
采用交流24V+直流24V供电：
图9供电方式一
2.3.2.3供电方式二：
采用直流24V供电：
图10供电方式二
2.3.2.4接地：
2.3.2.4.1接大地：
XS1的6脚在内部已与数控装置的机壳接地端子接通。
由于电源线电缆中的地线较细，因此，必须单独增加一根截面积不小于2.5平方毫米的黄绿铜导线作为地线与数控装置的机壳接地端子相连。
2.3.2.4.1接信号地：
XS1的4脚在数控装置内部已与XS10、XS11、XS20、XS21开关量接口的1、2、14、15脚连通。
但为了提高开关量信号的抗干扰能力，XS10、XS11、XS20、XS21开关量接口的1，2，14，15脚应采用单独的电线连接到外部DC24V电源地上，以减少流过XS1的4脚（24V地）的电流，如图11所示。
若某些输入/输出开关量控制或接收信号的电气元件（如继电器、按钮灯、接近开关、霍尔开关）的供电电源是单独的，则其供电电源必须与输入输出开关量的供电电源共地。
否则，数控装置不能通过输出开关量可靠地控制这些元器件，或从这些元器件接收信号。
2.3.3数控装置与软驱单元的连接
软驱单元含3.5软驱驱动器及标准PC键盘接口（小圆口）、RS232接口、以太网接口。
各接口的功能和引脚定义与HNC-21数控装置完全相同。
图12为软驱单元与数控装置的连接图。
图12与软驱单元的连接框图
图中连接软驱单元的四根扩展线接线方式，均以相应引脚一一对应焊接，如图13所示。
图13软驱单元的接线图
软驱单元与HNC-21数控装置之间的距离主要是受软驱连接电缆的长度限制，所以二者之间的电缆长度不宜超过1米。
2.3.4数控装置与外部计算机的连接：
HNC-21数控装置可以通过RS232或以太网与外部计算机连接，并进行数据交换与共享。
在硬件连接上，可以直接由HNC-21数控装置背面的XS3、XS5接口连接，也可以通过软驱单元上的串口接口进行转接。
2.3.4.1通过RS232口与外部计算机连接：
图15数控装置通过RS232口与PC计算机连接（有软驱单元的情况）
2.3.4.2连接以太网：
通过以太网与外部计算机连接是一种快捷、可靠的方式。
可以是与某台外部计算机直接电缆连接（见图16和图17），也可以是先连接到HUB（集线器），再经HUB连入局域网，与局域网上的其他任何计算机连接（见图18和图19）。
在硬件上，可以直接使用HNC-21背面的以太网连接，也可以通过软驱单元转接后，用软驱单元上的以太网口连接。
连接电缆请使用网络专用电缆。
以太网接口插头型号均为RJ45。
直接电缆连接：
图16数控装置通过以太网口与外部计算机直接电缆连接（没有软驱单元的情况）
2.3.5数控装置开关量的输入/输出
2.3.5.1开关量输入输出接口
世纪星HNC-21数控开关量输入/输出接口，有本机输入/输出（可通过输入/输出端子板转接）和远程输入输出两种，其中本机输入有40位，本机输出32位，远程输入/输出各128位（选件）。
2.3.5.1.1开关量输入接口特性
1．等效电路
NPN开关量输入：
图20输入开关量接口等效电路—NPN型
PNP开关量输入：
图21输入开关量接口等效电路—PNP型
注：
1．HNC-21本机输入为NPN开关量输入；
2．输入端子板可提供NPN和PNP两种开关量输入端子；
3．远程输入板可提供NPN和PNP两种开关量输入端子。
2．技术参数：
（1）.采用光电耦合技术，最大隔离电压2500VRMS（一分钟）
（2）.电源电压24V
（3）.导通电流IF=5~9mA
（4）.最大漏电流≤0.1mA
（5）.滤波时间约2毫秒
注：
用有源开关器件（如无触点开关、霍尔开关等）时，必须采用DC24V规格。
1．输入端子板接口：
图23输入端子板接口图
图24
2．远程输入端子板接口：
图25远程输入端子板接口图
J1：
与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口；
J2：
与下级远程I/O端子板连接接口；
J3：
输入开关量（NPN和PNP）和直流24V电源端子。
对于同一位，N型和P型不能同时使用。
图26
2.3.5.1.3开关量输出接口特性
1．等效电路
NPN开关量输出接口：
图27输出开关量接口等效电路—NPN型
PNP型开关量输出接口：
图28输出开关量接口等效电路—PNP型
注：
1.HNC-21本机输出为NPN型输出；
2.输出端子板可同时提供PNP和NPN型输出；
3.远程输出端子板分为两种，可分别提供NPN型和PNP型两种端子。
2．技术参数
（1）.采用光电耦合技术，最大隔离电压2500VRMS（一分钟）
（2）.电源电压24V
（3）.最大输出电流100mA
2.3.5.1.4开关量输出接口引脚定义
1．HNC-21本机开关量输出接口：
图29HNC-21本机开关量输出接口图
2．输出端子板接口：
图30输出端子板接口图
图31
注：
对应于同一位，N型和P型不可同时使用。
3．远程输出端子板接口：
图32远程输出端子板接口图
J1：
与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口；
J2：
与下级远程I/O端子板连接接口；
J3：
输出开关量（NPN型）和直流24V电源端子。
图33
注：
对于端子为PNP型的远程输出端子板，J3端子3~34脚的信号为P0~P31。
3.5.2直接连接到数控装置：
可将外部的输入/输出信号，直接连接到世纪星HNC-21装置上的X10、X11插座。
这种连接方式一般用于所需I/O点较少，数控装置与电气柜一体的情况。
具有成本低，连接简单的特点，缺点是不方便电缆拆装，没有PNP型输入、输出端子。
图34开关量输入接线图
图35开关量输出接线图
2.3.5.4通过远程I/O端子板连接
采用通讯方式工作，通过HNC-21数控装置的XS6接口连接到各远程I/O端子板。
通讯电缆将HNC-21数控装置的XS6与远程I/O端子板的J1相连，再通过J2与下一块远程I/O端子板相连。
如图38所示。
该连接方式适用于需用的I/O点很多，需要扩展I/O点数的状况。
其优点是所有远程I/O端子板与HNC-21数控装置只需要一根通讯电缆串联连接，简化了系统结构，有效距离可以达到50米，且板上每位开关量都有发光二级管指示灯，便于系统的调试和故障检测。
最多可分别连接4块远程I/O输入端子板和4块远程I/O输出端子板。
图38通过远程端子板连接输入/输出开关量
远程I/O端子板上的输入/输出开关量，按板卡的连接顺序排列。
远程输入端子板的开关量从第六组即I48开始（HNC-21占用五组：
I0~I39，I40~I47保留）。
远程输出端子板的开关量，从第四组即032开始（HNC-21占用四组：
00~031）。
最后一块远程I/O端子板J2接口必须接入一个终端插头（DB9头孔）。
接线图见图39。
图39远程I/O端子板与HNC-21数控装置互联线缆图
如图39所示，数控装置的XS6接口与远程I/O端子板的J1接口之间管脚一一对应连接；远程I/O端子板的J2接口与另一块远程I/O端子板J1接口之间管脚一一对应连接；最后一块远程I/O端子板的J2借口，应接入一个终端插头，将1—9、4—6管脚短接。
2.3.7数控装置与主轴装置的连接：
HNC-21数控装置通过XS9主轴控制接口和PLC输入/输出接口，可连接各种主轴驱动器，实现正、反转、定向，调速等控制，还可以外接主轴编码器，实现铣床上的刚性攻线功能。
2.3.7.1.1主轴控制接口XS9
XS9主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，其信号定义如下表。
信号特性：
1．主轴速度模拟电压信号
电压范围：
AOUT1-10V~+10V
AOUT20~+10V
负载电流：
最大10mA
2．主轴编码器接口
电源输出：
+5V最大200mA
编码器信号：
RS422电平
使用主轴变频器或主轴伺服单元时，在连接前一定要确认主轴单元模拟指令电压接口的类型，若为-10V~+10V，应使用AOUT1（6脚）和GND；若为0~+10V，应使用AOUT2（14脚）和GND。
2.3.7.1.2与主轴控制相关的输入/输出开关量
连接主轴装置时需要使用输入/输出开关量控制主轴电机的启停、及接收相关的状态与报警信息。
与主轴控制有关的输入/输出开关量信号的定义如下：
表.与主轴控制有关的输入/输出开关量信号
2.3.7.2主轴启停：
主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC程序中关于主轴启停控制的信号如下表所示。
表.与主轴启停有关的输入/输出开关量信号
利用Y1.0、Y1.1输出即可控制主轴装置的正、反转及停止，一般定义接通有效，这样当Y1.0接通时可控制主轴装置正转，Y1.1接通时，主轴装置反转，二者都不接通时，主轴装置停止旋转。
在使用某些主轴变频器或主轴伺服单元时也可用Y1.0、Y1.1作为主轴单元的使能信号。
部分主轴装置的运转方向由速度给定信号的正、负极性控制，这时可将主轴正转信号用作主轴使能控制，主轴反转信号不用。
部分主轴控制器有速度到达和零速信号，由此可使用主轴速度到达和主轴零速输入，实现PLC对主轴运转状态的监控。
2.3.7.3主轴速度控制：
HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，其中AOUT1的输出范围为-10V~+10V用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停；AOUT2的输出范围为0~+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转。
2.3.7.4主轴定向控制：
实现主轴定向控制的方案一般有：
1．采用带主轴定向功能的主轴驱动单元；
2．采用伺服主轴即主轴工作在为控方式下；
3．采用机械方式实现。
对应于第一种控制方式，标准铣床PLC程序中定义了相关的输入/输出的信号。
表.与主轴定向有关的输入/输出开关量信号
由PLC发生主轴定向命令即Y1.3接通，主轴单元完成定向后送回主轴定向完成信号X3.3。
第二种控制方式，主轴作为一个伺服轴控制，可在需要时可由用户PLC程序控制定向到任意角度。
第三种控制方式，根据所采用的具体方式，用户可自行定义有关PLC输入/输出点，并编制相应PLC程序。
2.3.7.5主轴换档控制：
主轴自动换档通过PLC控制完成，标准铣床PLC程序中关于主轴换档控制的信号如下表所示。
表.与主轴换档控制有关的输入/输出开关量信号
使用主轴变频器或主轴伺服时，需要在用户PLC程序中根据不同的档位确定主轴速度指令（模拟电压）的值。
车床通常为手动换档，如果安装了主轴编码器，则需要在用户PLC程序中根据主轴编码器反馈的主轴实际转速自动判断主轴目前的档位，以调整主轴速度指令（模拟电压）的值。
2.3.7.6主轴编码器连接：
通过主轴接口XS9可外接主轴编码器，用于螺纹切割、攻丝等，本数控装置可接入两种输出类型的编码器，差分TTL方波或单极性TTL方波。
一般使用差分编码器，从而确保长的传输距离的可靠行及提高抗干扰能力。
编码器规格要求：
1．+5V电源（200mA以内，若超过200mA需要设计外部电源供电）；
2．TTL电平输出；
3．差分A、B、Z信号输出。
常用主轴编码器型号为：
LEC-□BM-G05D（L、H）
2.3.8数控装置与进给驱动装置的连接：
HNC-21数控装置提供了三类轴控制接口：
串行接口、脉冲接口、模拟接口，可与目前流行的大多数驱动装置连接，其对应关系如表。
表.
2.3.8.1.2脉冲进给驱动接口：
脉冲式接口使用脉冲信号，传递位置指令，可控制各种步进电机驱动装置、脉冲接口伺服驱动装置。
其特点是通用性强，信号传递抗干扰能力强，不会发生漂移，但构成全闭环需在驱动装置中完成。
HNC-21□D和HNC-21□F最多可提供4个脉冲进给驱动接口，连接插座为XS30、XS31、XS32、XS33（第4轴是选项）。
1.信号定义：
注：
OUTA模拟指令信号在HNC-21□D型号中无效。
2.技术规格：
最高脉冲频率：
800KHZ；
编码器电源：
+5V150mA；
编码器信号：
RS422电平；
3.等效电路：
脉冲指令输出：
图42脉冲指令输出接口等效电路
码盘信号输入：
图43码盘信号输入接口等效电路
4.脉冲形式：
在数控装置内部，通过修改硬件配置参数，可以将脉冲输出形式设定为脉冲加方向，双脉冲，两项正交三种模式。
2.3.8.1.3模拟进给驱动接口：
模拟式接口使用模拟量信号传递速度指令控制控制伺服驱动装置，可连接各种交、直流伺服驱动装置。
其特点是通用性强，可构成全闭环控制；缺点是容易被干扰，发生漂移，不适合长距离连接。
HNC-21□A和HNC-21□F最多可提供4个模拟量轴接口，连接插座为与脉冲式接口相同，为XS30、XS31、XS32、XS33（第4轴是选项）。
1.信号定义：
注：
CP+、CP-、DIR-脉冲指令信号在HNC-21□A型号中无效。
2.技术规格：
速度指令输出范围：
-20mA~+20mA（电流型）；
编码器电源：
+5V150mA；
编码器信号：
RS422电平；
3.等效电路：
速度指令输出：
图44速度指令输出接口等效电路
码盘信号输入接口的等效电路见图43。
2.3.8.2连接HSV-11系列交流伺服驱动装置
使用HSV-11系列交流伺服驱动装置，需选用HNC-21□C或HNC-21□F数控装置，通过XS40~XS43轴通讯接口连接HSV-11伺服驱动装置，最多可连接4台伺服驱动装置。
图45为HNC-21连接HSV-11伺服驱动装置的总体框图。
图45HNC-21控制HSV-11系列交流伺服驱动器的总体框图
图46是HNC-21连接HSV-11伺服驱动的一个实例。
图46HNC-21与HSV-11型伺服驱动器的连接
3.10电磁兼容设计
为了保证数控系统在工业环境中能够正常工作，系统必须达到GB8832-1999.5“数控系统通用技术条件”中的电磁兼容性要求。
电磁兼容性（EMC）是指：
电气设备产生的电磁干扰不应超过其预期使用场合允许的水平。
设备对电磁干扰应有足够的抗扰度水平，以保证电气设备在预期使用环境中可以正确运行。
数控系统电磁兼容性主要内容：
数控系统电磁兼容性主要包括以下四个方面：
●电压中断和电压暂降
在交流输入电源任一周期内的任一时刻中断半周期；电压暂降时间不超过一个周期，幅值降为额定值的40%，数控系统应能正常工作。
●快速瞬变电脉冲群抗扰性
1．数控系统工作时，在交流供电电源端和保护地端之间进行快速瞬变电脉冲群抗扰性试验，加入脉冲电压峰值2KV，重复率5KHz，实验时，数控系统应能正常工作。
2．数控系统工作时，在I/O信号、数据和控制端口电缆用耦合加入峰值为1KV，重复率5KHz脉冲群，系统应能正常工作。
●浪涌抗扰性
在交流输入电源中叠加峰值为1KV浪涌电压，在交流输入电源对地端叠加峰值为2KV浪涌电压，系统应能正常工作。
●静电放电抗扰性
数控系统工作时，对操作人员经常触及的所有部位进行静电放电试验，接触放电电压6KV，空气放电电压8KV，放电试验中，系统应能正常工作。
2.3.11数控铣床系统总体设计：
2.3.11.1系统简介：
机床：
四坐标铣床，X、Y、Z直线坐标轴+A旋转坐标轴（选项）；
控制柜结构：
强电控制柜+吊挂箱；
主轴：
变频器，液压换档，分高速、低速两档。
表.数控系统设计主要器件
2.3.11.2总体框图：
图48数控系统设计总体框图
2．3.11.3输入输出开关量的定义：
以下为典型铣床数控系统对输入输出开关量的定义，有些开关量虽然给出了定义但并未使用。
XS8插座中的I30—I39、028—031信号与XS11和XS21插座中各同名信号均为并联关系，留给手持单元使用，直接由XS8引出。
对输入I和输出0重新标号为X和Y，是为了与PLC状态显示相一致，在PLC编程中也更方便。
X0.0、X0.1…X1.2与I00、I01…I10相对应。
即X0代表PLC输入第0个字节，X1代表PLC输入第1个字节；X1.3代表PLC输入第1个字节的第三位，即输入开关量的I11。
XS21（DB25/F）未用。
XS8（DB25/F头针座孔）手持单元接口：
引脚号
信号名
标号
信号定义
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
Y4.0
手持单元坐标选择输入X轴，常开点，闭合有效；
21
I33
Y4.1
手持单元坐标选择输入Y轴，常开点，闭合有效；
8
I34
Y4.2
手持单元坐标选择输入Z轴，常开点，闭合有效；
20
I35
Y4.3
手持单元坐标选择输入A轴，常开点，闭合有效；
7
I36
Y4.4
手持单元增量倍率输入X1，常开点，闭合有效；
19
I37
Y4.5
手持单元增量倍率输入X10，常开点，闭合有效；
6
I38
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