熟悉数控实验台的组成部分及元器件

引出任务

了解实验台数控装置各个接口的定义，完成接口和各个部分的连接。

学习目标

·认识实验台，了解数控实验台各个部分的功能;

·熟悉实验台数控装置各个接口的功能;

·能根据图纸完成各个接口的连接。

相关知识

HED-21S数控系统综合实验台是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，如图1-4所示。该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。学生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，从而更好地培养动手能力和分析能力。

图1-4 HED-21S数控实验台

HED-21S数控系统综合实验台集成了HNC-21TD数控装置、西门子/日立变频器及三相异步电动机、松下/三洋交流伺服单元及交流伺服电机、雷塞步进电机驱动器及步进电机，数控装置HNC-21TD的型号说明见图1-5。该实验台体积小巧，结构紧凑，可放在实验桌上供学生实验和教师教学使用。HED-21S具体组成如图1-6所示。

图1-5 数控装置型号说明

图1-6 HED-21S数控系统综合实验台组成框图

① 1英寸=2．54厘米 (cm)

综合实验台数控装置采用的是华中数控生产的“HNC-21TD”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步进电机驱动器。

一、数控装置

“世纪星”HNC-21系列车床数控装置采用先进的开放式体系结构，其型号含义见图1-7，内置嵌入式工业PC，配置7．7英寸彩色液晶显示屏和通用工程面板，全汉字操作界面，具有故障诊断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真功能，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。其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，具有直线进给、圆弧进给、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1-7 “世纪星”HNC-21系列车床数控装置及型号含义

图1-8为HNC-21TD数控装置的总体框图和与其他装置单元连接的连线图。图1-9为数控装置接口图，若使用软驱单元，则XS2、XS3、XS4、XS5为软驱单元的转接口，见图1-10。电源引脚及接口定义XS1，见图1-11。软驱单元提供3．5英寸软盘驱动器、RS232接口、PC键盘接口、以太网接口，见图1-12～图1-15; 手持单元接口XS8，见图1-16; 主轴控制接口XS9，见图1-17; 开关量输入接口XS10、XS11，见图1-18; 开关量输出接口XS20、XS21，见图1-19; 模拟接口式、脉冲接口式伺服XS30、XS33，见图1-20;手轮单元，见图1-21。

❖ 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

图1-8 HNC-21TD数控装置

(a) 总体框图; (b) 与其他装置单元连接的连线图

图1-9 数控装置接口图

图1-10 软驱单元接口图

图1-11 电源引脚及接口定义XS1

图1-12 软驱接口XS4

图1-13 RS232接口XS5

图1-14 PC键盘接口及管脚定义XS2

图1-15 以太网接口XS3

图1-16 手持单元接口XS8

图1-17 主轴控制接口XS9

图1-18 开关量输入接口XS10、XS11

图1-19 开关量输出接口XS20、XS21

图1-20 模拟接口式、脉冲接口式伺服XS30、XS33

图1-21 手轮单元

二、主轴单元

主轴 D/A 选用接口 AOUT1 和 AOUT2 时应注意， AOUT1的输出电压为-10～+10V，AOUT2的输出电压为0～+10V，如果主轴系统是采用给定的正负模拟电压实现主轴电动机的正反转，请使用AOUT2接口控制主轴单元，其他情况都采用AOUT1接口，否则可能损坏主轴单元。

图1-22 变频器

变频调速主轴单元采用Y系列0．55k W三相异步电动机 (三相380V)，4极日立SJ100-015HFE型 (1．5k W， 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动机。变频器采用矢量控制，见图1-22，三相交流380V电源，功率范围 (恒转矩) 1．5k W，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，0～20m A或 -10～ +10V，0～20m A。电动机采用普通三相异步电动机，功率0．55k W，转速1390r/min。

三、交流伺服单元

交流伺服单元和交流伺服电机采用松下MINASA系列的MSDA023A1A和MSMA022A1C，见图1-23。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为小型小惯量电动机，配11线2500p/r增量式码盘，功率200W，额定转速3000r/min，额定转矩0．64N·m。

四、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，见图1-24。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°，静转矩1．3N·m，额定相电流2．8A。

图1-23 交流伺服单元及电机

图1-24 步进驱动器

五、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，见图1-25。

图1-25 HC5301-8输入端子板接口

继电器板集成8个单刀单投继电器和2个双刀双投继电器，见图1-26，最多可接16路NPN开关量信号输出及急停 (2位) 与超程 (2位) 信号，其中8路NPN开关量信号输出用于控制8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，可用来控制其他电器，2个双刀双投继电器可由外部单独控制。

图1-26 HC5301-R继电器板

六、工作台

XZ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，不需要反馈，用于实现开环控制。Z轴执行装置采用交流伺服电机，交流伺服单元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。在数控车床中转位刀架也是一种自动换刀系统，见图1-27。

图1-27 四工位刀架

具有刀库的加工中心，按刀库形式可分为盘式刀库、链式刀库等，按换刀方法不同可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、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。

选刀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。这种方式是将刀具号和在刀库中的放置 (地址) 对应地记忆在数控系统的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。