数控钻铣床电气系统控制

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.摘要数控钻铣床是现代工业生产中不可缺少的部分，可以高速、精确的切削零件。本文就对钻铣床的机械结构、电气控制和数控三部分进行了设计，基本可以满足钻铣床的运行。本系统采用的数控装置集成进给轴接口、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，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。详细给出了主/控制回路图及一些元件的选择。关键字：数控装置 PLC 主/控制回路目 录第一章 绪论1.1 数控机床的发展史1.2 数控机床的现状1.3 数控机床的特点和用途1.4 PLC 相关技术的发展入应用领域1.4.1 PLC 技术简介1.4.2 PLC 的基本结构1.4.3 PLC 应用领域第二章 电气系统控制设计2.1 可编程器的选择和可行性的论证2.1.1 设计的内容及任务2.1.2 可行性论证2.2 总体方案的拟订和论证2.2.1 总体设计方案的拟订2.3 电气部分设计2.3.1 选件2.3.2 电源2.3.3 数控装置与软驱单元的连接2.3.4 数控装置与外部计算机的连接2.3.5 数控装置开关量的输入/输出2.3.6 数控装置与手持单元的连接2.3.7 数控装置与主轴装置的连接2.3.8 数控装置与进给驱动装置的连接2.3.9 急停与超程解除的设计2.3.10 电磁兼容设计2.3.11 数控机床系统总体设计第三章 伺服电机的选择与计算3.1 伺服电机的选择计算3.2 惯量匹配计算第四章 数控部分设计4.1 基本结构与主要功能4.1.1 基本配置4.1.2 主要技术规格4.2 操作装置4.2.1 操作台结构4.2.2 显示器4.2.3NCP 键盘第五章 外文翻译第六章 参考文献第一章 绪论1.1 数控机床的发展史：1949 年帕森斯公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952 年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。1953 年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究。这就是 APT 自动编程的开始。1958 年美国克耐杜列克公司在世界上首先研制成功了带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。1959 年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。1965 年，出现了小规模的集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，标志数控系统发展到第三代。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统（CNC）。1970 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。1974 年美国、日本等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近 20年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展的广泛应用，这就是第五代数控系统。1.2 数控机床的现状：数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、 FMS、CIMS 等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。我国进口的数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本法那克（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过。1.3 数控机床的特点和用途：（1） 具有较强的适应性和通用性数控机床的加工对象改变时，只需要新编制相应的程序，输入计算机就可以自动地加工出新的工件。同类工件系列中不同尺寸、不同精度的工件，只需要局部修改或增删零件程序的相应部分。随着数控技术的迅速发展，数控机床的柔性也在不断扩展，逐步向多工序集中加工方向发展。（2） 获得更高的加工精度和稳定的加工质量数控机床是按以数字形式给出的指令脉冲进行加工。目前增量值普遍到达了 0.001mm。进给传动链的反向间隙与丝杠导程误差等均可由数控装置进行补偿，所以可获得较高的加工精度。（3） 具有较高的生产率数控机床不需人工操作，四面都有防护罩，不用担心切削飞溅伤人，可以充分发挥刀具的切削性能。因此，数控机床的功率的刚度都比普遍机床性能高，允许进行大切削用量的强力切削。这有效地缩短了切削时间。（4） 改善劳动条件，提高劳动生产率应用数控机床时，工人不需直接操作机床，而是编好程序调整好机床后由数控系统来控制机床，免除了繁重的手工操作。一人能管理几台机床，提高了劳动生产率。当然，对工人的文化技术要求也提高了。数控机床的操作者，既是体力劳动者，也是脑力劳动者。（5） 能实现复杂零件的加工普通机床难以实现或无法实现轨迹为二次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、气轮机叶片之类的空间曲面。而数控机床由于采用了计算机插补技术和多坐标联动控制，可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，适用于各种复杂曲面的零件加工。（6） 便于现代化的生产管理用计算机管理生产是实现管理现代化的重要手段。数控机床的切削条件、切削时间等都是由预先编好的程序决定，都能实现数据化。这就便于准确地编制生产计划，为计算机管理生产创造了有利条件。数控机床适宜与计算机联系，目前已成为计算机辅助设计、辅助制造和计算机管理一体化的基础。1.4PLC 相关技术的发展入应用领域1.4.1 PLC 技术简介：随着微处理器：计算机和数字通信技术发展，计算机控制已经扩展到几乎所有领域。当前用于工业控制的计算机可分为几类，例如，可编程序控制器，基于单片机的测控装置，用于模拟量闭环控制的可编程序调节器，集散控制系统。PLC 由于应用面广、功能强大、使用方便，所以成为当代工业自动化的主要设备之一，PLC 已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动化的控制系统中。1.4.2 PLC 的基本结构PLC 主要由 CPU 模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。1、CPU 模块：CPU 模块主要由微处理器（CPU 芯片）和存储器组成，在 PLC 控制系统中，CPU 模块相当于人的大脑和心脏，不断地采集输入信号执行用户程序，刷新系统的输出，存储器用来存储程序和数据。2、I/0 模块：输入（input）模块和输出模块简称 I/0 模块，它是系统的眼、耳、手、脚是联系外部现场设备和 CPU 模块的桥梁，输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收按钮选择开关、限位开关等。3、编程器：编程器用来生成用户程序，并用它进行编程修改和监视用户程序的执行情况，使用编程软件可以在主算机上直接生成编辑梯形图或指令表程序，并可实现不同编程语言的相互转换，程序被编译后下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。4、电源:PLC 一般使用 AC220V 电源或 DC24V 电源，内部的开关为各模块提供不同电压等直流电源，小型 PLC 可以为输入电路和外部的电子传感器提供 DC24V 电源驱动 PLC 负载的直流电源一般用户提供。1.4.3 PLC 应用领域：在发达的工业国家，PLC 已经广泛地应用所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应有范围不断扩大，如 1、运动控制、金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯。2、闭环控制如：塑料挤压成形机、加热炉以及轻工化工机械冶金电力。3、数据处理：可用于通信功能传送到智能装置或者将他们打印制表。4、通信联网：PLC 与其它智能控制设备一起可以组成集中管理、分散控制的分布式控制系统。 第二章电气系统控制设计2.3.1 选件：2.3.1.1 数控装置（选件）：选择华中“世纪星”HNC-21 系列数控装置（HNC-21T HNC-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 2 HNC-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XS30XS33：模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口XS40XS43：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2.3.1.5 远程 I/O 端子板（选件）：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 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。图 7 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。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。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 DC24V 100W。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）图 17 数控装置通过以太网接口与外部计算机局域网连接（没有软驱单元的情况）图 18 数控装置通过以太网口与外部计算机局域网连接（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：1HNC-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=59mA（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。2.3.5.1.2 开关输入接口引脚定义：1HNC-21 本机开关量输入接口：图 22 HNC-21 本机开关量输入接口图2输入端子板接口：图 23 输入端子板接口图图 24 3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 262.3.5.1.3 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 100mA2.3.5.1.4 开关量输出接口引脚定义1HNC-21 本机开关量输出接口：图 29 HNC-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 334 脚的信号为 P0P31。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2.3.5.3 通过 I/O 端子板连接：如图 36 所示，分线电缆将 HNC-21 数控装置的 XS10、XS11 与输入端子板的 J1、XS20 、XS21 与输出端子板的 J1 相连。 NPN 或 PNP 型开关量输入/ 输出元器件连接杂端子板的 J2 上。该连接方式适用于所需用的 I/O 点不多，且数控装置与强电控制电路分装在不同机柜内的情况；具有电路调试、维护方便的优点。图 36 通过 I/O 端子板连接输入/输出开关量输入端子板上 J1 与 J2 各信号的对应关系如下表所示：输出端子板上 J1 与 J2 个信号的对应关系如下表所示：端子板每位开关量都有 NPN、PNP 两种接线端子，以及发光二级管指示灯，便于系统的调试和故障检测。输入/输出端子板的 J1 接口与 HNC-21 数控装置的XS10、XS11、XS20 、XS21 接口之间互连电缆的连接方式如图 37 所示。图 37 输入/输出端子板与数控单元互联线缆图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：I0I39，I40I47 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：00031） 。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 19、46 管脚短接。2.3.6 数控装置与手持单元的连接2.3.6.1HNC-21 手持接口定义：HNC-21 数控装置通过 XS8 接口（DB25 座孔）与手持单元连接。XS8 的引脚定义如下：图 40 手持单元中坐标选择、增量倍率选择、使能按钮、指示灯等需要占用 PLC输入/ 输出开关量。因此，手持接口（XS8）占用了数控装置的开关量输出中的4 路输出（028031） 、开关量输入中的 8 路输入（I32I39） 。注意：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。2.3.6.2 连接标准手持单元：标准手持单元，接口为 DB25 头针插头，可以直接连接到 HNC-21 数控装置的 XS8 接口上。针对标准手持单元，HNC-21 手持接口提供标准引脚定义（主要涉及输入/输出开关量） ，引脚定义见表：表. 手持接口标准引脚定义（输入/输出开关量）若未安装手持单元，则需要通过一个 DB25 插头短接手持单元控制接口XS8 上的 4（ ESTOP2） 、 17（ESTOP3）脚。否则， HNC-21 数控装置将会因面板上的急停按钮不起作用，而导致数控装置出现急停报警。图 41 数控装置与手持单元连接图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 与主轴相关的接口定义2.3.7.1.1 主轴控制接口 XS9XS9 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+10VAOUT2 0+10V负载电流：最大 10mA2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） ；2TTL 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 接口定义：2.3.8.1.1 串行进给驱动接口：串行进给驱动接口是与 HSV-11 系列交流伺服驱动装置连接的专用接口。它的特点是连接简便，抗干扰能力强，无漂移。HNC-21C 和 HNC-21F 最多可提供 4 个串行进给驱动接口XS40、XS41、XS42 、XS43（第 4 轴是选项） 。1.信号定义：2.技术规格：电平：RS232通讯波频率：96002.3.8.1.2 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-21D 和 HNC-21F 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-21D 型号中无效。2.技术规格：最高脉冲频率：800KHZ；编码器电源：+5V 150mA；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-21A 和 HNC-21F 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-21A 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：+5V 150mA；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-21C 或 HNC-21F数控装置，通过 XS40XS43 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 45 HNC-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 46 HNC-21 与 HSV-11 型伺服驱动器的连接2.3.9 急停与超程解除的设计HNC-21 数控装置操作面板和手持单元上，均设有急停按钮，用于：当数控系统或数控机床出现紧急情况，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源；当数控系统出现自动报警信息后，须按下急停按钮。待查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并恢复正常。该急停按钮及相关电路所控制的中间继电器（KA）的一个常开触点应该接入 HNC-21 数控装置的开关量输入接口，以便为系统提供复位信号。HNC-21 数控装置操作面板设有超程解除按钮，用于机床压下超程限位开关后，手工操作解除超程状态。HNC-21 数控装置为此设计了接口电路，相关信号如表所示。表.内部电路关系和外部电路的设计如图 47 所示。除数控装置操作面板和手持单元处的急停按钮外，系统还可根据实际需要，设置更多急停按钮。所有急停按钮的常闭触点以串联方式，连接到系统的急停回路中。在正常情况下，急停按钮处于松开状态，其触点处于常闭状态。按下急停按钮后，其触点断开，使得系统的急停回路所控制的中间继电器 KA 断电，而切断移动装置（如进给轴电机、主轴电机、刀库/ 架电机等）的动力电源。同时，连接在 PLC 输入端的中间继电器 KA 的一组常开触点，向系统发出急停报警。此信号在打开急停按钮时则作为系统的复位信号。图 47 急停与超程解除信号内部电路关系和外部电路建议接法系统中，各轴的正向、负向的超程限位开关的常闭触点以串联方式，连接到系统的超程回路中。同时，每个超程限位开关另有一个常开触点连接 PLC 输入端，是系统能够判断各超程限位开关的状态。在正常情况下，超程限位开关处于松开状态。若用户操作机床，不慎将某轴的超程限位开关压下，其常闭触点断开，使得系统的超程回路断开，同时，使急停回路中的中间继电器 KA 断电，而自动切断移动装置的动力电源。超程限位开关连接在 PLC 输入端的常开触点向系统发出超程报警信息（发生超程的坐标轴及超程方向） ，并使超程解除按钮上的指使灯发光。与急停报警一样，发生超程时，中间继电器 KA 断电也会断电，中间继电器 KA 的一组常开触点也会通过 PLC 输入端，向系统发出急停报警信号。但系统的 PLC 除检测中间继电器 KA 的常开触点外，还检测各超程限位开关的常开触点的状态，以此区分急停报警和超程报警。发生超程后，系统处于超程报警状态，各进给装置的动力电源已被切断。为了解除超程，用户应该按以下步骤操作：1）按住数控装置操作面板上的超程解除按钮，使系统复位。在解除超程前，不得松开超程解除按钮；2）手动操作机床的进给轴按正确的方向移动，使被压下的超程限位开关松开（此时，超程解除按钮上的指示灯将熄灭） ；3）松开超程解除按钮。设计建议：以上涉及的如系统复位信号、超程按钮灯点亮与熄灭、超程的坐标轴及方向的判别需要有 PLC 程序实现。在编制 PLC 程序，应保证操作者解除超程时，若按错解除超程的方向，其进给轴不得移动。只有操作者按解除超程的正确方向时，进给轴才会移动。否则，可能会出现滚珠丝杠严重损坏的故障。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23.11.3 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 I30I39、028031 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、X0.1X1.2 与 I00、 I01I10 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 Y4.6 手持单元增量倍率输入 X100，常开点，闭合有效；18 I39 Y4.7 手持单元使能输入，常开点，闭合有效；5 空17 ESTOP3 ES3 手持单元急停按钮串接到急停回路的端子4 ESTOP2 ES2 手持单元急停按钮串接到急停回路的端子3.16 +24V 24V 为手持单元的输入输出开关量供电的 DC24V 电源1.2.14.15 24V 地 24G 为手持单元的输入输出开关量供电的 DC24V 电源地XS10（DB25/F 头针座孔）PLC 输入接口（I0I19）：引脚号 信号名 标号 信号定义13 I0 X0.0 X 轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；25 I1 X0.1 X 轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；12 I2 X0.2 Y 轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；24 I3 X0.3 Y 轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；11 I4 X0.4 Z 轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效；23 I5 X0.5 Z 轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效；10 I6 X0.6 A 轴正向超程限位开关，常开点，闭和有效；22 I7 X0.7 A 轴负向超程限位开关，常开点，闭和有效；9 I8 X1.0 X 轴回参考点开关，常开点，闭合有效；21 I9 X1.1 Y 轴回参考点开关，常开点，闭合有效；8 I10 X1.2 Z 轴回参考点开关，常开点，闭合有效；20 I11 X1.3 A 轴回参考点开关，常开点，闭合有效；7 I12 X1.4 冷却系统报警，常闭点，断开有效；（未用）19 I13 X1.5 润滑系统报警，常闭点，断开有效；6 I14 X1.6 压力系统报警，常闭点，断开有效；18 I15 X1.7 未定义；5 I16 X2.0 主轴一档（低速）到位，常闭点，断开有效；17 I17 X2.1 主轴二档（高速）到位，常开点，闭合有效；4 I18 X2.2 未定义；16 I19 X2.3 未定义；3 空1.2.14.15 24V 地 外部直流 24V 电源地XS11（DB25/F 头针座孔）PLC 输入接口（I20I39）：引脚号 信号名 标号 信号定义13 I20 X2.4 外部运行允许，常开点，闭合有效；25 I21 X2.5 伺服电源准备好，常开点，闭合有效；12 I22 X2.6 伺服驱动模块 OK，常开点，闭合有效；24 I23 X2.7 电柜空气开关 OK，常开点，闭合有效；11 I24 X3.0 主轴报警，常闭点，断开有效；23 I25 X3.1 主轴速度到达，常开点，闭合有效；10 I26 X3.2 主轴零速，常开点，闭合有效22 I27 X3.3 主轴定向完成，常开点，闭合有效；（未用）9 I28 X3.4 未定义；21 I29 X3.5 未定义；8 I30 X3.6 未定义；20 I31 X3.7 未定义；与 XS8 并联，用于手持单元的坐标选择输入、增4-7、16-19 I32-I39 X4.0-X4.7量倍率输入、使能按钮输入；3 空1.2.14.15 24V 地 外部直流 24V 电源地XS20（DB25/F 头孔座针）PLC 输出接口（O0O15）：引脚号 信号名 标号 信