模块三项目一数控机床电气控制课件

模块三模块三 数控机床电数控机床电气气控制控制项目一项目一 华中世纪星华中世纪星HNC-2l/22数控系统原理数控系统原理任务一：华中世纪星任务一：华中世纪星HNC-2l/22HNC-2l/22数控装置及接口认知数控装置及接口认知任务的学习目标任务的学习目标通过学习HNC-21/22数控装置的接口功能及其与外部设备的连接方法，使读者能够认知每个接口的作用并能针对机床进行正确的连接。理论与技能要点理论与技能要点一、华中世纪星一、华中世纪星HNC-2l/22HNC-2l/22数控系统配置数控系统配置1最大联动轴数为6轴。2可选配各种类型的脉冲式、模拟式交流伺服驱动器或步进电机驱动器以及HSV-11系列串行式伺服单元。3配置标准机床工程面板，不占用PLC的输入/输出接口。4配置40路输入接口和32路功率放大光电隔离开关量输出接口、手持单元接口、模拟主轴控制接口和编码器接口，以及远程I/O板扩展接口。5采用7.5”彩色液晶显示器（分辨率为640480），全屏字操作界面，具有故障诊断与报警设置，多种图形加工轨迹显示和仿真功能，操作简便，易于掌握和使用。6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、螺旋线插补，固定循环、旋转、缩放、镜像、刀具、补偿、宏程序等功能。7小线段连续加工功能，特别适用于复杂模具零件的加工。8加工断点保存/恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。9反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能，有效提高加工精度。10巨量程序加工能力，使配置硬盘可直接加工高达2GB的G代码程序。11内置以太网、RS232接口，易于实现机床联网。128MBFlashRAM（不需电池的存储器，可扩至72MB）中的6MBRAM，可用作用户程序存储区；8MBRAM（可扩至64MB）可用作加工程序缓冲区。13系统外形尺寸为：420310110毫米（WHD）,体积小巧，结构牢靠，造型美观。二、华中世纪星二、华中世纪星HNC-2l/22HNC-2l/22数控装置的接口数控装置的接口1 采用HNC-21/22的数控装置的综合接线图图3-1HNC-21/22的数控设备结构框图采用HNC-21/22的数控设备的接线示意图如图3-2所示。2华中世纪星HNC-21/22数控装置的接口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IO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XS30XS33：模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口XS40XS43：串行式HSV-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。（1）HNC21/22数控装置重要接口管脚定义1）电源接口：XS1管脚图及引脚分配表见表3-1。引脚号信号名说明1DC24V1/2直流24V电源2DC24V直流24V电源3空4、5GND直流24V地6PE地7空RS232接口：XS5管脚图及引脚分配表见表3-2。引脚号信号名说明1-DCD载波检测2RXD接收数据3 TXD发送数据4-DTR数据终端准备好5GND信号地6-DSR数据装置准备好7-RTS请求发送8-CTS准许发送9-R1振零指示HNC-21数控装置可以通过RS232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XS5接口连接，也可以通过软驱单元上的串口接口进行转接。计算机与数控装置连接见图3-4。3）手持单元接口：XS8管脚图及引脚分配表见表3-3。信号名说明24V、24VGDC24V电源输出ESTOP2、ESTOP3手持单元急停按钮I32I39手持单元输入开关量O28O31手持单元输出开关量HA手摇A相HB手摇B相+5V、5V地手摇DC5V电源图3-5手持单元接口图若系统中未选用手持单元，或所选手持单元上没有急停按钮时，应该通过DB25头针插头将XS8上的第4、17脚短接。连接图见图3-5。4）主轴控制接口：XS9管脚图及引脚分配表见表3-4。信号名说明SA+、SA-主轴码盘A相位反馈信号SB+、SB-主轴码盘B相位反馈信号SZ+、SZ-主轴码盘Z脉冲反馈+5V、GNDDC5V电源AOUT1、AOUT2主轴模拟量指令输出GND模拟量输出地主轴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AOUT1接口控制主轴单元，其它情况都采用AOUT2接口，否则可能损坏主轴单元。5）开关量输入接口：XS10、XS11管脚图及引脚分配表见表3-5。信号名说明24VG外部开关量DC24V电源地I0I39输入开关量6）开关量输出接口：XS20、XS21管脚图及引脚分配表见表3-6。信号名说明24VG外部开关量DC24V电源地O0O31输出开关量ESTOP1，ESTOP3急停回路与超程回路的串联的接入端子OTBS1，OTBS2超程限位开关的接入端子7）进给轴控制接口：XS30XS33（模拟接口式、脉冲接口式伺服和步进电机驱动单元控制接口）管脚图及引脚分配表见表3-7。信号名说明A+、A-编码器A相位反馈信号B+、B-编码器B相位信反馈信号Z+、Z-编码器Z脉冲反馈信号+5V，GNDDC5V电源OUTA模拟指令输出(-20mA+20mA)CP+、CP-指令脉冲输出（A相）DIR+、DIR-指令方向输出（B相）8）串行接口式伺服驱动器控制接口：XS40XS43（11型HSV-11D伺服控制接口RS232串口）管脚图及引脚分配表见表3-8。信号名说明TXD数据发送RXD数据接收GND信号地（2）输入输出装置及其相关参数定义1）I/O端子板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。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。输入/输出开关量采用HC5301-8输入接线端子板（见图3-6）、HC5301-9输出接线端子板（见图3-7）和HC5301-R继电器板（见图3-8），作为HNC21/22数控装置接口的转接单元使用。图3-6输入端子板接口图图3-7输出端子板接口图2）远程I/O端子板远程I/O端子板分远程输入端子板与远程输出端子板两种，HNC-21/22数控装置通过XS6控制。最多可连接4块远程输入端子板与4块远程输出端子板。每块远程输入端子板提供32位输入开关量端子，并且支持NPN和PNP两种信号类型。每块远程输出端子板提供32位NPN开关量输出端子。3）PLC地址定义在系统程序、PLC程序中，机床输入的开关量信号定义为X（即各接口中的I信号）；输出到机床的开关量信号定义为Y（即各接口中的O信号）。将各个接口（HNC-21/22本地、远程I/O端子板）中的I/O（输入/输出）开关量定义为系统程序中的X、Y变量，需要通过设置参数中的硬件配置参数和PMC系统参数实现。HNC-21数控装置的输入输出开关量占用硬件配置参数中的三个部件（一般设为：部件20、部件21、部件22），如下图3-9所示。主轴模拟电压指令输出的过程为PLC程序通过计算给出数字量、数字量由专用的硬件电路转化为模拟电压，也作为开关量输出信号处理。在PMC系统参数中再给各部件（部件20、部件21、部件22）中的输入输出开关量分配占用的X、Y地址，即确定接口中各I/O信号与X/Y的对应关系。如图3-10所示。在PMC系统参数中所涉及的部件号与硬件配置参数中是一致的。输入/输出开关量每8位一组占用一个字节。例如HNC-21数控装置XS10接口的I0I7开关量输入信号占用X00组，I0对应于X00组的第0位、I1对应于X00组的第1位。信号名X/Y地址部件号模块号说明输入开关量地址定义I0I39X00X0421输入模块0XS10、XS11输入开关量I40I47X05保留I48I175X06X21HNC-21/22远程输入开关量I176I239X22X29保留I240I367X30X4520输入模块1面板按钮输入开关量输出开关量地址定义O0O31Y00Y0321输出模块0XS20、XS21输出开关量O32O159Y04Y19HNC-21/22远程输出开关量O160O223Y20Y27保留O224O239Y28Y2920输出模块1主轴模拟电压指令数字量输出O240O303Y30Y3722输出模块2面板按钮指示灯输出开关量按以上参数设置I/O开关量与X/Y的对应关系如表3-9所示：三、系统硬件连接的注意事项三、系统硬件连接的注意事项1数控机床地线的连接十分重要，良好的接地不仅对设备和人身的安全十分重要，同时能减少电气干扰，保证机床的正常运行。地线一般都采用辐射式接地法，即数控系统电气柜中的信号地、框架地、机床地等连接到公共接地点上，公共接地点再与大地相连。数控系统电气柜与强电柜之间的接地电缆要足够粗。2在机床通电前，根据电路图、按照各模块的电路连接，依次检查线路和各元器件的连接。3在断电情况下进行如下检测：三相电源对地电阻测量、相间电阻的测量；单相电源对地电阻的测量；24V直流电源的对地电阻，两极电阻的测量。4数控机床在通电之前要使用相序表检查三相总开关上口引入电源线相序是否正确，还要将伺服电机与机械负载脱开，否则一旦伺服电机电源线相序接错，会出现“飞车”故障，极易产生机械碰撞损坏机床。应在接通电源的同时,做好按压急停按钮的准备。5在电气检查未发现问题的情况下，依次按下列顺序进行通电检测：三线电源总开关的接通，检查电源是否正常，观察电压表，电源指示灯；依次接通各断路器，检查电压；检查开关电源（交流220V转变为直流24V）的入线及输出电压。如果发现问题，在未解决之前，严禁进行下一步试验。6启动数控系统。一切正常后可输入机床系统参数、伺服系统参数，传入PLC程序。关闭机床，然后将伺服电机与机械负载连接，进行机械与电气联调。四、连线完成后的检查四、连线完成后的检查1结构检查（通电前）（1）主电源电源回路的连接，包括伺服、变频器、步进电机的强电电源的接线。（2）刀架电机的连接，检查互锁功能的实现方法、刀架电机的电源线及刀位信号的控制线。（3）数控系统继电器和输入输出开关量控制线的连接。（4）数控装置和手摇的连接。（5）数控装置和步进电机驱动器的连接。（6）数控装置和变频主轴的连接。（7）数控装置和交流伺服驱动器的连接。（8）机床的电机电源线、反馈电缆及其他控制信号线的连接，包括急停电路、超程控制线路等。、有无异常噪声等等。2线路检查（通电前）原则：由强到弱，按线路走向顺序检查，用万用表逐步进行测量。变压器规格和进出线的方向和顺序。主轴电机、伺服电机强电电缆的相序。DC24V电源极性连接是否正确。步进驱动器直流电源极性连接是否正确。所有地线都可靠且正确的连接。所有线号相同的导线是否全部能导通，包括24V,100,GND,220A,220B,U,V,W等。3线路电气检查（通电调试）机床通电操作可以是一次同时使各部分电源全面通电，也可以各部分分别通电，然后再做总供电试验。对于大型设备，为保证更加安全，应分别供电。通电后首先观察各部分有无异常、有无报警故障，然后用手动方式陆续启动各部件。检查安全装置是否起作用、能否正常工作，液压泵工作后液压管路中是否形成油压，各液压原件是否正常工作4系统功能检查通电正常后，用手动方式检查如下基本运动功能。（1）松开急停按钮，软件操作界面的工作方式是否变为“手动”。（2）点动“X+”、“X-”、“Z+”、“Z-”，观察工作台是否正常移动。（3）检查限位开关是否正常起作用：点动将轴移动到限位开关位置处，观察轴是否立即停止；若停止，一直按压“超程解除”按键，使轴向相反的方向移动。（4）检查“回零”操作是否正常。（5）检查“主轴正转”、“主轴反转”、“主轴停止”操作是否正常。（6）检查刀位转换是否正常。（7）编写一个演示程序，观察工作台的运动是否正常。任务二：华中世纪星任务二：华中世纪星HNC-2l/22进给驱动进给驱动控制实现控制实现任务的学习目标任务的学习目标1熟悉步进电机运行原理及其驱动系统的连接；2能根据交流伺服系统运行原理对其驱动系统进行连接；理论与技能要点理论与技能要点一、数控机床对进给驱动系统的要求根据不同的控制方式，进给伺服分为开环控制与闭环控制两类开环控制常采用步进电机作为驱动元件，它不需要由位置和速度检测元件组成反馈检测回路。闭环控制采用伺服电机作为驱动元件，根据位置检测元件所处在数控机床不同的位置闭环可以分为半闭环控制、全闭环控制和混合闭环控制。半闭环控制一般将检测元件安装在伺服电机的非输出轴端，伺服电机角位移通过滚珠丝杠等机械传动机构转换为数控机床工作台的直线位移。全闭环控制是将位置检测元件安装在机床工作台或某些部件上，以获取工作台的实际位移量。混合闭环控制则采用半闭环控制和全闭环控制结合的方式。交流进给伺服电机一般为永磁式同步电机，电动机主要由三部分组成，即：定子、转子和检测元件。其中定子由定子冲片、三相绕组线圈、支撑转子前后端盖和轴承等组成。伺服电机的转子主要由多对极的磁钢、转子冲片和电动机轴构成。数控机床对进给伺服驱动系统一般有以下几点要求：1进给伺服驱动系统要具有快速性（即过度时间短）的特点，从零速到设定速度的时间小于200ms。2进给伺服驱动系统要具有较宽的调速范围，以适合不同零件、不同工艺的要求。3进给伺服驱动系统要具有较强的过载能力，在低速切削时保持恒转矩，无爬行现象。4进给伺服驱动系统精度一般为1m或0.1m。5进给伺服驱动系统要有高可靠性。二、进给驱动系统的分类1按执行元件的类别分类按执行元件的类别，可分为步进电动机、直流电动机、交流电动机进给驱动系统。（1）步进电动机进给驱动系统步进电动机驱动系统选用功率型步进电动机作为驱动元件。它主要有反应式和混合式两类。反应式价格较低，混合式价格较高，但混合式步进电动机的输出力矩大，运行频率及升降速度快，因而性能更好。（2）直流电动机进给驱动系统大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性，其输出转矩大，过载能力强。由于电动机自身惯量较大，与机床传动部件的惯量相当，因此，所构成的闭环系统安装在机床上，几乎不需再做调整（只要安装前调整好），使用十分方便。（3）交流电动机进给驱动系统目前已逐渐取代了直流伺服电动机。交流伺服电动机与直流伺服电动机相比最大的优点在于它不需要维护，制造简单，适合于在恶劣环境下工作。交流伺服电动机有交流同步电动机与异步电动机两大类。大多数交流进给驱动系统采用永磁式同步电动机。永磁式同步电动机主要由三部分组成，即定子、转子和检测元件。2按有无检测元件和反馈环节分类按有无检测元件和反馈环节，可分为开环、闭环控制两类。开环控制与闭环控制的主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成反馈系统。开环控制一般采用步进电动机作为驱动元件，没有位置和速度反馈控制回路，从而简化了线路，设备投资低，调试维修都很方便，但它的进给速度和精度都较低，一般应用于经济型数控机床及普通的机床改造。闭环控制一般采用伺服电动机作为驱动元件，可以分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。半闭环控制一般将检测元件安装在伺服电动机的非输出轴端，伺服电动机角位移通过滚珠丝杠等机械传动机构转换为数控机床工作台的直线或角位移。全闭环控制是将位置检测元件安装在机床工作台或某些部件上，以获取工作台的实际位移量。混合闭环控制则采用半闭环控制和全闭环控制结合的方式。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上（通常已由电动机生产厂家装好），用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将电动机的角度变化转换成工作台的直线位移。在精度要求适中的中、小型数控机床上半闭环控制得到了广泛的应用。图3-12 半闭环控制的进给驱动系统半闭环方式的优点是它的闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象，它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不确定，则数控系统难以补偿。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式主要应用在精度要求较高的大型数控机床上。混合闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性，又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。三、华中世纪星三、华中世纪星HNC-21/22数控系统与进给驱动装置数控系统与进给驱动装置的连接的连接在数控机床上进给驱动装置根据来自CNC的指令，控制电动机按指令运行，以满足数控机床工作的要求。因此进给驱动装置至少要求具备工作电源接口、接收CNC或其他设备指令以及控制电动机运行的接口，这些是最基本的接口。图3-15 进给驱动装置的基本接口（以SH50806A五相步进驱动器为例）进给驱动装置的接口按功能的不同，可分为：指令接口、控制接口、状态接口、安全互锁接口、通讯接口、显示接口等。1电源接口进给驱动装置的电源一般分为动力电源和逻辑电路电源，对于交流伺服进给驱动装置，还需要控制电源。动力电源是指进给驱动装置用于变换以驱动电动机运行的电源；逻辑电路电源是指进给驱动装置的开关量、模拟量等逻辑接口电路工作或电平匹配的电源，一般为直流24V，也有采用直流12V或5V；控制电源是指进给驱动装置自身的控制板卡，面板显示等内部电路工作用的电源，一般为单相，电压与动力电源相同，对于步进驱动装置，该部分电源与动力电源共用。2指令接口进给驱动装置一般采用脉冲接口或模拟量接口作为指令接口，有些还提供通讯和总线的方式作为指令接口。（1）模拟量指令接口一般用于伺服进给驱动装置。采用模拟量指令时进给驱动装置工作在速度模式下，位置则由CNC和电动机（半闭环控制）或机床（全闭环控制）上的位置检测元件完成。模拟量指令分为模拟电压指令和模拟电流指令两种，模拟量指令输入接口原理如图3-16所示，一般电压指令的范围是：10V+10V；电流指令的范围是：20mA+20mA。电压指令在远距离传输是衰减比较明显，因此，若驱动装置两种指令可选，则推荐使用或设定为模拟电流指令接口。（2）脉冲指令接口脉冲指令接口初期只用于步进驱动装置，目前，市场销售的通用伺服驱动装置一般也都采用或提供脉冲指令接口，接口电路原理如图3-17所示，外部输入电路有长线驱动和集电极开路两种形式。采用脉冲指令接口时，伺服驱动装置一般工作在位置半闭环控制模式下，速度环和位置环的控制都由伺服驱动装置完成。位置信息由伺服驱动装置反馈给CNC作监控用，CNC也可以不读取位置反馈信息，此时与控制步进电动机进给驱动装置相同。脉冲指令接口有三种类型：单脉冲（脉冲+方向）方式、双脉冲方式、正交脉冲方式。步进电动机驱动装置一般只提供单脉冲方式，伺服驱动装置则三种方式都提供。假设CP、DIR为驱动装置的脉冲指令接口，则不同的工作模式CP、DIR的含义如表3-10所示。单脉冲：CP为脉冲信号，DIR为方向信号；正交脉冲：CP与DIR的相位差为脉冲信号，CP与DIR的相位超前和落后关系决定电动机的旋转方向；正反向脉冲：CP为正转脉冲信号，DIR为反转脉冲信号。脉冲模式电机正转电机反转单脉冲正交脉冲正反向脉冲（3）通讯指令接口CNC通过内置式PLC的输入开关量接口可以读到进给驱动装置“准备好”和“报警”两种状态，若需要获得具体的报警内容等更多的信息则需要占用更多的PLC输入接口。常用的通讯指令接口有RS232、RS422、RS485。采用该方式控制进给驱动装置时，数控装置和进给驱动装置之间只要一根通讯电缆即可完成对进给驱动装置的所有控制，并获得其所有工作信息。任务三：华中世纪星任务三：华中世纪星HNC-21/22主轴控制实主轴控制实现现任务的学习目标任务的学习目标通过本章的学习，熟悉主轴的各种控制，并且能根据不同的应用场合正确连接主轴与数控系统。理论与技能要点理论与技能要点一、主轴控制及系统性能数控机床对主轴一般有如下要求：1输出功率大，抗过载能力强。2较宽的调速范围，尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率即恒功率范围要宽。3主轴要具有四象限驱动能力，加减速时间短。4机床有螺纹加工、准停和线速度加工等功能时，主轴要具有进给控制和位置控制功能。5可靠性高、低噪声、体积小、质量轻、温升低。二、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信号说明标号X/Y 地址所在接口信号名脚号铣车输入开关量主轴一档到位X2.0X2.0XS10I165主轴二档到位X2.1X2.1I1717主轴三档到位X2.2I184主轴四档到位X2.3I1916主轴报警X3.0X3.0XS11I2411主轴速度到达X3.1X3.1I2523主轴零速X3.2I2610主轴定向完成X3.3I2722输出开关量系统复位Y0.1Y0.1XS20O0125主轴正转Y1.0Y1.0O089主轴反转Y1.1Y1.1O0921主轴制动Y1.2Y1.2O108主轴定向Y1.3O1120主轴一档Y1.4Y1.4O127主轴二档Y1.5Y1.5O1319主轴三档Y1.6O146主轴四档Y1.7O1518三、主轴启停控制主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC程序和标准车床PLC程序中关于主轴启停控制的信号如表3-12所示。信号说明标号X/Y 地址所在接口信号名脚号铣车输入开关量主轴速度到达X3.1X3.1XS11I2523主轴零速X3.2I2610输出开关量主轴正转Y1.0Y1.0XS20O089主轴反转Y1.1Y1.1O0921利用Y1.0、Y1.1输出即可控制主轴装置的正反转及停止，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。四、主轴速度控制HNC-21/22通过XS9主轴接口中的模拟量输出控制主轴转速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。五、主轴定向控制1概述主轴定向功能又称为主轴准停功能，即当主轴停止时能控制其以一定的力矩准确地停止于固定位置。首先，主轴定向是自动换刀所必须具有的功能。在自动换刀的镗铣加工中心上，切削时的切削转矩不能完全靠主轴锥孔的摩擦力传递，因此通常在主轴前端设置一个或两个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准。为保证顺利换刀，主轴必须具有准确定位于特定角度的功能。其次，当精镗孔后退刀时，为防止刀具因弹性恢复拉伤已精加工的内孔表而，必须先让刀再退刀，而让刀时刀具必须具有定向功能。加工中心的主轴定向方法有机械式和电气式两种。机械式采用机械凸轮等机构和无触点感应开关进行初定位，然后由定位销（液动或气动）插入主轴上的销孔或销槽完成精定位，换刀或精镗孔完成后定位销退出，主轴才可旋转。电气式定向一般是采用具有定向功能或位置控制功能的主轴驱动装置来完成，定向起始位置由无触点感应开关或主轴编码器获得，有些也可以通过主轴电动机编码器和主轴驱动装置得到。定向过程一般由PLC处理，有些则由数控装置处理。2机械定向控制机械定向一般要求主轴具有无级调速的功能（1）接收到数控系统发出定向指令（如M19）后，控制主轴电动机带动主轴以设定的定向速度（一般为小于100r/min的低速，如60r/min）和方向旋转。（2）检测到无触点开关有效信号后，停止主轴转动，主轴电动机与主轴传动件依惯性继续旋转，同时控制定位销伸出压向主轴定位盘。（3）检测到定位销到位信号Ls2后，通知系统定向指令完成。根据机械结构的具体特点，为防止定位销提前顶死主轴而使定向失败，定位销伸出的同时也可以不停止主轴，而是待定位销到位后立即停止主轴。若接收到取消主轴定向的指令（如M20）则控制定位销退回，检测到定位销退回到位的回答信号Ls1后，表示主轴定向取消的指令完成。采用机械定向的方式，主轴定向定位销的伸出和退回必须分别有到位检测信号，并且必须和主轴的运行有互锁关系，即1）主轴以非定向速度旋转时不得伸出定位销。2）若定位销退回到位信号无效则禁止主轴旋转。3）若定位销伸出到位信号无效则禁止换刀动作继续进行。3电气定向控制主轴电气定向控制，是在主轴速度控制基础上加一个位置控制环。需要采用磁性传感器或位置光电编码器等检测元件。电气定向控制一般应用于中、高档数控机床，特别是加工中心。电气定向控制优点：（1）简化机械结构（2）定向迅速（3）可靠性高（4）控制简单（5）性能价格比目前电气定向通常有磁传感器定向、编码器定向和数控系统定向3种方式。（1）磁传感器主轴定向控制由数控系统和主轴驱动器共同完成，与机械定向的控制过程有些类似。（2）编码器主轴定向功能由主轴驱动器完成，数控系统只需发出定向指令信号，然后检测主轴驱动器返回的定向完成信号即可。在定向参考位置的获取上可以分为磁性传感器式和编码器Z脉冲式两种。定向中主轴驱动器的工作过程如下：1）接收到定向指令后，控制主轴电动机以定向速度和定向旋转方向旋转。2）检测到定向参考位置信号后，控制主轴电动机相对定向参考位置转过一个角度（该角度可以在主轴驱动器内部设定和修改）后静止锁死。主轴定向参考位置由磁性传感器获得时，可以采用主轴电动机内部安装的编码器信号（来自于主轴驱动装置），也可以在主轴上直接安装其他编码器，用于控制主轴转过的相对角度；若采用编码器Z脉冲来获得主轴定向参考位置，则必须安装与主轴同步旋转的编码器。无论采用何种定向方式（特别是磁传感器定向方式），当需要在主轴上安装元件时应注意动平衡问题。（3）数控系统定向控制方式定向功能是由数控系统完成的，在定向时数控系统按进给系统的控制方式控制主轴工作在位置控制模式下。采用这种定向方式的主轴可以一直工作在位控模式下，也可以仅在定向时工作在位控模式，平时则工作在速度控制模式。工作模式的切换一般由数控系统完成。此种控制方式，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。采用这种控制方式需注意以下几点：1）数控系统必须具有主轴闭环控制功能或位置环控制功能。2）应采用伺服主轴系统。3）若主轴电动机一直工作在位置控制模式下或当作一个回转进给轴控制，在定向前，主轴通常需要像进给轴一样有回参考点的操作；若主轴采用两种模式切换，则一般在每次定向前切换到位置控制模式后进行。4）如采用主轴电动机本身编码器将信号反馈给数控装置，可以提高控制的稳定性，主轴传动链的精度会对定向精度产生影响。5）采用数控系统控制主轴定向时，角度指定由数控系统内部设定六、主轴换挡控制主轴换挡是指通过改变主轴电动机至主轴的传动比来获得更宽的主轴转速范围以及更高的转矩输出的过程。对于普通三相异步主轴电动机，通常其转速是固定的。只有通过换档才能获得不同的主轴转速以满足加工的需要。对于采用变频器等主轴驱动装置的主轴电动机，可实现主轴的无级调速。目前，数控机床常采用14挡齿轮变速与无级调速相结合的方式，即分段无级变速方式，同时满足低速转矩和最高主轴转速的要求。电动机的扭矩、功率和转速有如下的关系。MKP9545.5W/n主轴换挡的方式一般有下列几种1手动换挡通过人工转动机械机构，拨动传动齿轮来改变传动比。这种方式结构简单、经济，但是在加工前必须把主轴的挡位设置正确，加工的过程中不能通过数控系统或PLC自动改变主轴速度。2液压拨叉换挡采用一只或几只液压缸带动齿轮移动的变速机构。液压拨叉变速必须在主轴停车之后才能进行。但是在停车时拨动滑移齿轮啮合时，有可能出现“顶齿”的现象。3电磁离合器自动换档电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运行的元件，便于实现自动化操作。相对于第2种方法，使用电磁离合器能够简化换档机构。数控机床中常使用无滑环摩擦片式电磁离合器和牙嵌式电磁离合器。电磁离合器的缺点是体积大，磁通易使机械零件磁化，因此在现代数控机床中应用的并不多。七、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。八、主轴连接实例1与普通三相异步电机连接实例当用无调速装置的交流异步电机作为主轴电机时，只需利用数控装置输出开关量控制中间继电器和接触器即可控制主轴电机的正转、反转、停止。2.与交流变频主轴连接实例采用交流变频器控制交流变频电机可在一定范围内实现主轴的无级变速，这时需利用数控装置的主轴控制接口XS9中的模拟量电压输出信号作为变频器的速度给定，采用开关量输出信号（XS20、XS21）控制主轴启、停或正反转。3与伺服驱动主轴连接实例采用伺服驱动主轴可获得较宽的调速范围和良好的低速特性，还可实现主轴定向控制。这时可利用数控装置上的主轴控制接口（XS9）中的模拟量输出信号（模拟电压）作为主轴单元的速度给定，利用PLC输出控制启停(或正、反转)及定向。需车削螺纹或攻丝时可利用主轴伺服本身反馈到数控装置接口XS9的主轴位置信息任务四：华中世纪星任务四：华中世纪星HNC-2l/22参数设置、修参数设置、修改及备份方法改及备份方法任务的学习目标任务的学习目标1能根据数控系统参数的含义对其进行设置；2了解参数设置对数控系统运行的作用及影响。理论与技能要点理论与技能要点一、华中数控系统参数概述本章主要对华中世纪星系列的数控系统内部的参数作一个介绍，包括参数的结构和每一个参数的具体含义及设置的方法。修改参数前，必须理解参数的功能和熟悉原设定值，不正确的参数设置与更改，可能造成严重的后果。另外，本系统在进行参数修改后，必须重新启动数控装置方能生效。所以，更动参数后，一定要重新启动数控装置。1参数说明（1）部件HNC-21数控装置中的各种控制接口或功能单元（2）主菜单与子菜单在某一个菜单中用Enter键选中某项后，出现另一个菜单，则前者称主菜单后者称子菜单，菜单可以分为两种弹出式菜单和图形按键式菜单（3）参数树各级参数组成参数树。（4）逻辑轴X、Y、Z、A、B、C、U、V、W。在某一通道中，逻辑轴不可同名。在不同通道中，逻辑轴可以同名。二、华中数控系统主要参数的详解1系统参数系统参数主要是对系统软件所工作的环境进行设置，对本系统所具有的功能进行选择，正确设置系统参数是正常运行系统的前提条件。2通道参数指定分配给某通道的有效逻辑轴名（X、Y、Z、A、B、C、U、V、W）、以及与之对应的实际轴号（0-15）。实际轴号在系统中最多只能分配一次。3轴参数4轴补偿参数5硬件配置参数硬件配置参数可以看作是系统内部所有硬件设备的清单：共可配置32个部件（部件0部件31）。主要包括每个进给轴的硬件配置参数、输入输出模块硬件配置参数以及主轴、手摇等其他部件的硬件配置参数，每个部件包含五个参数。（1）部件型号指定接口板卡的型号。（2）标识值值为0，13，15，31，32，41，42，45，46，49。标识外部设备的型号。通过更改参数值，对外部设备的型号进行设定。（3）地址指定外部设备占用的地址，在数控装置中，有可能采用多块板卡，不同的板卡，应该具有一个相应的地址，外部设备占用的地址设置不同，所对应的内部板卡也不同。（4）配置0值为0255。（5）配置1暂未使用6PMC系统参数PMC系统参数对PLC的输入输出模块接口进行定义。7PMC用户参数PMC用户参数共有100组，为P0P99。在PLC编程中调用，并由PLC程序定义其含义。用以实现不改变PLC源程序，而通过改用户参数的方法来调整一些PLC控制的过程参数，来适应现场要求。8外部报警信息共有16个外部报警信息，用户可以在PLC编程中定义其报警条件，并在此设置报警信息内容。9DNC参数三、参数查看与设置操作四、参数备份操作五、输入、修改权限口令和其他操作1输入权限口令数控装置的运行，严格依赖于系统参数的设置，因此，对参数修改设置了权限，在系统内部只能修改部分参数，要想对所有参数进行修改，则需要退出系统，在系统的外部进行修改。在HNC-21/22数控装置中设置了三种级别的权限，即：数控厂家、机床厂家、用户。数控机床在最终用户处安装调试后，一般不需要修改参数。在特殊情况下，如需要修改参数，首先应输入参数修改的权限口令，2修改权限口令3参数设置为出厂值在参数设置、修改过程中，按F5键，图形显示窗口所选中的参数值，将被设置为出厂值。参数恢复前值在参数设置、修改过程中，按F6键，图形显示窗口所选中的参数值，将被恢复为修改前的值。任务五：任务五：PLC在在HNC-21/22数控系统中的应数控系统中的应用用任务的学习目标任务的学习目标1能陈述标准PLC基本原理和结构；2能熟练修改标准PLC系统的各个输入输出点；3能应用正确的方法对PLC系统进行调试。理论与技能要点一、华中数控内置式PLC基本原理1可编程控制器的工作原理可编程控制器（PLC）是计算机技术与自动控制技术有机结合的一种通用工业控制器。计算机数控装置（CNC）和PLC协调配合，共同完成数控机床的控制。2可编程控制器的类型用于数控机床的PLC一般分为两类：一类是CNC的生产厂家为实现数控机床的顺序控制而将CNC和PLC综合起来设计，PLC是CNC的一部分，其中的PLC称为内装型（或集成型）PLC；另一类是以独立专业化的PLC生产厂家的产品来实现顺序控制系统，这种类型的PLC称为独立型（或外装型）PLC。内装型PLC与CNC间的信息传送在CNC内部实现，PLC与机床（MachineTool，简称MT）间信息的传送则通过CNC的输入/输出接口电路来实现。一般这种类型的PLC不能独立工作，它只是CNC向PLC功能的扩展，两者是不能分离的。独立型PLC可采用不同厂家的产品，这使用户有选择的余地，可选择自己熟悉的产品；而且功能易于扩展和变更。独立型PLC和CNC是通过输入/输出接口连接的。3华中数控内置式PLC基本原理图3-37华中数控世纪星内置式PLC的逻辑结构华中数控内置式PLC采用C语言编程，具有灵活、高效、使用方便等特点。华中数控系统的PLC为内置式PLC，其逻辑结构如图3-37所示。X、Y寄存器会随不同的数控机床而有所不同，主要和实际的机床输入/输出开关信号（如限位开关、控制面板开关等）有关。但X、Y寄存器一旦定义好，软件就不能更改其寄存器各位的定义；如果要更改，必须更改相应的硬件接口或接线端子。R寄存器是PLC内部的中间寄存器，可由PLC软件任意使用。如果是梯形图编程，则R0000到R1999为用户自定义；R200到R767为系统内部调用。G、F寄存器由数控系统与PLC事先约定好的，PLC硬件和软件都不能更改其寄存器各位（bit）的定义。P寄存器可由PLC程序与机床用户任意自行定义。4华中数控内置式PLC的软件结构及其运行原理华中数控系统的内置式PLC采用C语言编写，和一般C语言程序一样，程序必须提供main（）函数，用户编写内置式PLC的C语言程序必须提供如下系统函数定义及系统变量值。（1）函数init()是用户PLC程序的初始化函数，系统将只在初始化时调用该函数一次。该函数一般设置系统M、S、B、T等辅助功能的响应函数及系统复位的初始化工作。（2）变量plc1_time及plc2_time的值分别表示plc1()和plc2()函数被系统周期调用的周期时间，单位：毫秒。系统推荐值分别为16毫秒及32毫秒，即plc1_time=16，plc2_time=32。（3）plc1()和plc2()分别表示数控系统调用PLC程序的入口，其调用周期分别由变量plc1_time和plc2_time指定。二、标准PLC的操作说明1标准PLC的简介主要包括PLC配置系统和标准PLC源程序两部分。其中PLC配置系统可供工程人员进行修改，配置完以后生成的头文件加上标准PLC源程序就可以编译成可执行的PLC执行文件了。2基本操作说明1）在主操作界面下，按F10键进入扩展功能子菜单。2）在扩展功能子菜单下，按F1键，系统将弹出PLC子菜单；3）在PLC子菜单下，按F2键，系统将弹出输入口令对话框，在口令对话框输入初始口令HIG，便进入标准PLC配置系统；4）按F2键或将光标移到车床或铣床系统后按Enter键，便进入标准PLC系统；5）Pgup、Pgdn为五大功能项相邻界面间的切换键；同一功能界面中用Tab键切换输入点；用、键移动蓝色亮条选择要编辑的选项；按Enter键编辑当前选定的项；编辑过程中，按Enter键表示输入确认，按Esc键表示取消输入；无论输入点还是输出点，字母“H”表示为高电平有效，即为“1”，字母“L”表示低电平有效，即为“0”；在任何功能项界面下，都可按ESC键退出系统。6）在查看或设置完标准PLC系统后，按ESC键，系统提示是否重新编译PLC系统，按Enter键确认后，系统将自动重新编译PLC程序，并返回系统主菜单，新编译的PLC程序生效。三、PLC调试的内容操作数控装置进入输入输出开关量显示状态，对照机床电气原理图逐个检查PLC输入输出点的连接和逻辑关系是否正确。检查机床超程限位开关是否有效、报警显示是否正确。四、PLC调试的过程1检查操作面板上的各个按钮，检验开关量输入信号、系统动作、外部逻辑电路的动作是否正确。2逐个在开关量输入信号中人为接入限位信号，通常为X0.0X0.7（即I0I7）检验该信号能否使系统产生急停，并正确显示报警信息。3让各坐标轴返回参考点，人为接入参考点回答信号，检验各坐标能否完成回参考点动作及回参考点动作是否正确。4正确连接各个坐标的限位开关与回参考点信号，人为控制限位开关与参考点开关重复上面两部分内容检验开关的有效性。5检验各报警开关量输入信号输入时，系统能否正确产生系统报警信息或用户在PLC程序中定义的外部报警信息并执行相应的动作五、PLC调试的方法通常按下列步骤调试、检查PLC。1在PLC状态中观察所需的输入开关量（X变量）或系统变量（R、G、F、P、B变量）是否正确输入，若没有则检查外部电路；对于M、S、T指令，应该编写一段包含该指令的零件程序，用自动或单段的方式执行该程序，在执行的过程中观察相应的变量。（因为在MDI方式正在执行的过程中是不能观察PLC状态的。）2在PLC状态中观察所需的输出开关量（Y变量）或系统变量（R、G、F、P、B变量）是否正确输出。若没有则检查PLC源程序。3检查由输出开关量（Y变量）直接控制的电子开关或继电器是否动作，若没有动作，则检查连线。4检查由继电器控制的接触器等开关是否动作，若没有动作，则检查连线。5检查执行单元，包括主轴电机、步进电机、伺服电机等。六、故障排除举例故障现象：一台CK6132数控车床，配备HNC-21TC系统、HSV-16全数字伺服驱动器。开机后在手动状态、自动状态方式下进行加工发现轴不移动，随之出现跟踪误差过大报警。