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实验 一 系统的组成与硬件连接
一、实验目的
1． 了解数控铣床电气部分的组成以及数控系统各接口的作用。
2． 了解实训台的电气控制电路的原理。
3． 熟悉实训台导线的连接以及启动停止的控制过程。
二、实验设备
1． THWMDH-1型 数控铣床电气控制与维修实训台
2． 万用表
三、实验预习
1． 数控铣床电气部分的组成
通常来说，数控铣床的电气部分是由数控系统、主轴传动装置、进给传动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却系统以及辅助运动装置组成。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
2． 数控系统接口
HNC-21M数控系统各接口以及系统与其它装置、单元连接的总体框图如下所示。

图3-1-1 总体连接框图
XS1：电源接口，本系统采用直流电源供电，供电电压为DC24V，功率不低于150W。
XS2：外接PC键盘接口，外接PC键盘可以代替MDI键盘使用。
XS3：以太网接口，通过网口与外部计算机连接，也可以先连接到集线器上，再接入局域网，与局域网上的其它任何计算机连接。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
XS4：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、串口和以太网等功能，本系统没有使用。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
XS5：RS232接口，数控系统通过RS232口与PC计算机连接。
XS6：远程输入输出板，用于远程输入输出信号的连接，本机床没有扩展。
XS8：手持单元接口，用于连接与手轮有关的轴选和增量倍率选择。
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信号输入。
XS10、XS11：输入开关量接口，用于限位信号、参考点信号以及其它检测信号的输入。
XS20、XS21：输出开关量接口，用于输出主轴正反转、冷却液开等控制信号。
XS30到XS33：脉冲进给驱动接口，用于控制步进电机驱动装置、脉冲接口伺服驱动装置，最多可以控制4个进给轴。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
XS40到XS43：配置华中HSV-11伺服驱动装置接口。
本连接框图将HNC-21M数控系统的所有接口功能做了详细的说明，在实际应用中，应根据用户需求进行选配。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
3． 数控铣床的电气控制原理
本实训台采用弱电控制强电的方式设计，操作安全，运行可靠。
主电路的电气控制原理示意图如图3-1-2所示，它是由带漏电保护的空气开关（QF1），普通空气开关（QF2、QF3和QF4），24V/36V直流电源，保险丝（FU），交流接触器（KM0），继电器（KA0），钥匙开关（SA1），启动按钮（SB2）和停止按钮（SB1）等组成。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

图3-1-2 电气控制原理示意图
打开总电源开关QF1，使24V直流电源得电；打开钥匙开关SA1，按下启动按钮SB2，使中间继电器KA0线圈得电，KA0的常开触点吸合并自锁，同时其另一对常开触点使交流接触器KM0线圈得电，从而使KM0的常开触点吸合；此时若空气开关QF2接通，则数控系统得电；若空气开关QF3接通，则主轴变频器及主轴电机得电；若空气开关QF4接通，则36V直流电源得电，继而使X、Y和Z轴驱动器及各轴电机得电。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
实际铣床电气控制回路一般采用三相380V供电，但系统启停控制的原理相同。铣床电路中一般还具有控制变压器和驱动变压器，变频器采用三相380V供电。具有冷却泵和润滑泵，它们的电源由数控系统的输出信号（低电平有效）进行控制。以冷却泵为例，系统输出冷却信号，使相应的继电器得电，从而使相应的交流接触器线圈有电，该交流接触器的常开触点闭合，使冷却泵开始工作。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
四、实验内容与步骤
1． 在进行各项目的实训时，要进行相应导线的连线，保证实训台的正常运行。
1.1 电源部分的连接：将“+24V输出”端对应连接到输入/输出、系统输入和系统输出模块的“+24V输入”端。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
1.2 主轴控制部分的连接：将输入/输出模块中Q1.0继电器的常开触点连接到主轴控制模块的“STF”；将输入/输出模块中Q1.1继电器的常开触点连接到主轴控制模块的“STR”；将输入/输出模块中Q1.0和Q1.1继电器的公共端触点连接到主轴控制模块的“SD”；将信号与接口模块中主轴控制信号的“Vout”和“GND”分别连接到主轴控制模块的“2”和“5”。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
1.3 X/Y/Z轴控制部分的连接：将控制信号输出模块中X轴、Y轴和Z轴的控制信号依次对应连接到进给驱动模块的X轴、Y轴和Z轴控制信号接口；将信号接口模块参考点信号输出的“X轴”、“Y轴”和“Z轴”分别连接到输入/输出模块中的“I1.0”、“I1.1”和“I1.2”端子。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
1.4 手轮控制部分的连接：将手轮单元进给轴选择处的“X”、“Y”和“Z”分别连接到系统输入模块的“I4.0”、“I4.1”和“I4.2”端；将手轮单元倍率选择处的“×1”，“×10”和“×100”分别连接到系统输入模块的“I4.4”、“I4.5”和“I4.6”端；将“+24V输出”的“-”端连接到手轮单元进给轴选择和倍率选择处的“COM”端。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
注意：当上述接线正确，输入接口的所有钮子开关为都拨到OFF状态，实训台才能正常运行；红色弱电座和黑色弱电座为直流电源的输入/输出，红色为电源正，黑色为电源负，请谨慎接插，避免出错，否则会短路或导致元器件的损坏。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
2． 实训台的启动
结合图3-1-2的电气控制原理示意图，熟悉实训台启动的步骤。
2.1 实训台通电前确保数控系统上的“急停”按钮被按下，确保电源控制与指示部分的“急停”按钮处于松开状态。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
2.2 将总电源开关QF1合上，交流220V电压进入实训台，红色指示灯亮、电压表和电流表显示实训台的工作电压和电流。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
2.3 将钥匙开关打到“开”，按下启动按钮SB2，继电器KA0线圈得电，其常开触点闭合并自锁，同时使KM0线圈得电，其常开触点闭合。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
2.4 依次合上空气开关QF4（进给轴）、QF3（主轴）和QF2（CNC）。由于数控系统的“急停”按钮被按下，主轴控制部分和进给驱动部分暂时不得电，只有数控系统得电启动。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
2.5 系统上电完成后，进入软件操作界面，系统处于急停状态，为控制系统的运行需右旋并释放数控系统上的“急停”按钮，使系统复位并接通进给轴和主轴电源。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
2.6 为了给输入输出信号接口提供直流24V电源，将电源控制与指示单元的“24V输出”处的钮子开关拨到上方，其指示灯点亮；用万用表测量此处的电压是否为DC24V。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
2.7 实训台启动完成。
3． 实训台的停止
3.1 完成实训内容后，关闭所有连接在实训台插座上的仪器仪表或其他设备，拔下其电源插头，按下数控系统上的“急停”按钮。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
3.2 按下停止按钮SB1，将钥匙开关打到“关”。
3.3 依次断开CNC、主轴、进给轴的空气开关QF2到QF4，将“+24V输出”处的钮子开关拨到下方。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
3.4 断开总电源开关QF1，将实训台电源插头从插座上拔下，整理导线和实训台。
说明：在机床运行过程中，若发现任一电机运行异常或系统出错，按下数控系统上的“急停”按钮，CNC即进入急停状态，进给轴和主轴立即停止工作。排除异常后，松开“急停”按钮，使数控系统进入复位状态。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。
注意：解除急停前，应先确认故障原因是否已经排除，而急停解除后应重新执行回参考点操作，以确保坐标位置的正确性。在上电和关机之前应按下数控系统上的“急停”按钮，以减少对设备的电冲击！構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
五、思考题
根据数控铣床的电气控制原理，试设计一个数控铣床的电源控制电路，要求：
1． 采用三相四线制AC380V供电。
2． X/Y/Z轴驱动器采用AC220V供电，由驱动变压器提供。
3． 主轴变频器采用三相380V供电。
4． 冷却泵采用三相380V供电，由数控系统控制，I/O口自定。

实验二 进给驱动单元的调试与应用
一、实验目的
熟悉步进驱动器的相关知识以及细分的设定方法，了解机床进给驱动系统的控制方法；熟悉机床伺服驱动系统的控制和有关伺服参数的设置方法。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
二、实验设备
THWMDH-1型 数控铣床电气控制与维修实训台、THWMDF-1型 数控铣床电气控制与维修实训台
三、实验预习
（1）华中数控系统
实训台进给轴均采用雷赛机电最新推出的3MD560型三相混合式步进驱动器，它是采用精密电流控制技术设计的高细分三相步进驱动器，由于采用了先进的纯正弦电流控制技术，能大幅度降低电机运转时的噪声和振动，使得三相步进电机运转时的噪声和平稳性趋近于伺服电机的水平。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
1． 步进电机的控制原理
步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步距角），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。其准确定位是通过控制脉冲个数，从而控制角位移量；而调速是通过控制脉冲频率，从而控制电机转动的速度。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
2． 驱动器工作原理
脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3~0.5左右，电机转速越高，占空比就越大。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
对于一个驱动系统来说，功率放大是一个很重要的部分，步进电机在一定转速下的转矩取决于其动态平均电流，而非静态电流，平均电流越大，则电机力矩越大，但这需要驱动系统尽量克服电机的反电势。不同的场合采用不同的驱动方式，一般有恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分等几种。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
3． 驱动器接口和接线
1）P1接口描述
信 号
功 能
PUL+（+5V）
脉冲信号：单脉冲控制方式时为脉冲控制信号，此时脉冲上升沿有效。
PUL-（PUL）
DIR+（+5V）
方向信号：单脉冲控制方式时为高/低电平信号，电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任一相绕组可以改变电机的初始方向。
DIR-（DIR）
ENA+（+5V）
使能信号：此输入信号用于使能/禁止，高电平使能，低电平时驱动器不工作，一般情况下悬空。
ENA-（ENA）
2）P2接口描述
名 称
功 能
GND
直流电源地
VDC
电源正极（DC18V~DC50V，推荐值为36V）
U
电机U相
V
电机V相
W
电机W相
4． 电流、细分拨码开关设定
3MD560驱动器采用八位拨码开关设定细分精度、动态电流和半流/全流。详细描述如下：

5． 电流设定
（1）工作（动态）电流设定
SW1—SW4四位拨码开关用于设定电机运行时的电流，电流设置方式见驱动器。
（2）停止（静态）电流设定
SW5为“off”脉冲串停止后约0.2秒左右电流自动减至一半左右（实际值的60%），发热量理论上减至36%；SW5为“on”，脉冲串停止时电流不变，因此电机保持转矩不变，但电机发热量较大，推荐设定为“off”。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。
2）细分设定
细分精度由SW6—SW8三位拨码开关设定，具体设定方式见驱动器上的图表。
6． 典型接线方式
驱动器采用典型值DC36V供电，驱动器接收控制器的脉冲信号和方向信号后，以相应的脉冲驱动电机运行。3MD560配三相电机的接法如下图所示，若电机转向与期望转向不同，仅交换U、V、W三相中任何两相的位置即可。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

图3-5-4 典型接线方式
7． 保护功能
7.1 过压保护
当电源电压为DC52V时，保护电路动作，电源指示灯变红，保护功能启动。
7.2 电机线圈匝间短路保护
电机接线线圈绕组短路或电机自身损坏时保护电路动作，电源指示灯变红，保护功能启动。
当以上保护功能启动时，电机轴失去自锁力，电源指示灯变红。若要恢复正常工作，须确保以上故障消除，然后重新上电，电源指示灯变绿，电机轴锁紧，驱动器恢复正常。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
注意：由于驱动器不具备电源正负反接保护功能，因此，上电前确认电源正负极接线是否正确，正负极接反将导致烧坏驱动器中的保险管。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
（2）FANUC 0i Mate -MC数控系统
数控机床的进给伺服系统是数控装置与机床本体间的电传动联系环节，也是数控系统的执行部件。伺服，英文为“servo”，本意是“服从”的含义。伺服是指有关的传动或运动参数均严格按照数控装置的控制指令实现，这些参数主要包括运动的速度、运动的方向或运动参数的起止点。数控机床的性能在很大程度上取决于进给伺服系统的性能。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控装置输出的指令电脉冲信号，使机床移动部件作相应的移动，并对定位的精度和速度加以控制。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
本实训台已经调试完毕，大部分参数已设置，根据“基本参数的设置”一节，熟悉有关伺服参数的设置，理解这些参数的含义，为今后进行实际铣床的调试积累经验。详细说明参考《参数说明书》和《伺服电机参数说明书》。谚辞調担鈧谄动禪泻類。
四、实验内容与步骤
（1）华中数控系统
1． 根据预习内容设置驱动器的电流细分，由于本系统为空载运行，工作电流采用有效电流3.5A档，即设置SW1到SW4为ON、ON、ON、OFF。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
2． 根据停止电流采用全流和半流的利弊，同时考虑到电机的发热问题，选择停止半流档，即设置SW5为OFF。
3． 为使进给轴在较小的行程内得到较平稳的运行速度，设置细分精度每转脉冲数为4000，即SW6到SW8为OFF、 ON、OFF。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
4． 根据驱动器设定的脉冲细分值设置数控系统伺服参数中“电机每转脉冲数”为4000。再根据实训项目三中对外部脉冲当量分子和外部脉冲当量分母的说明，计算轴参数中两者的比值。设备出厂时已设置完毕，熟悉下面的计算过程。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
假设实际机床上各进给轴传动丝杠的螺距为4mm，也就是说电机转动一圈，机床要运动4mm，由于数控系统本身设定的移动轴外部脉冲当量分子的单位为微米，那么机床运动4mm就需要4000个内部脉冲当量，又由于电机每转的脉冲数为4000，则外部脉冲当量分子和外部脉冲当量分母的比值为1：1，即设定外部脉冲当量分子和外部脉冲当量分母的值都为1。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
5． 右旋释放数控系统上的“急停”按钮，使各轴驱动器得电。
6． 按“回参考点”键，切换到“回零”方式，按下“+X”、“+Y”和“+Z”键，进行回零操作。
7． 按一下“手动”键切换到手动运行方式，按“+X”键，使X轴向正方向运行，观察其运行情况。
8． 在手动方式下，分别让X、Y和Z轴以不同的方向运行，观察其运行情况。在X轴、Y轴和Z轴运行过程中用示波器观察各控制信号接口的波形。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
9． 在X轴、Y轴或Z轴运行过程中，通过“进给修调”键调节进给倍率，观察进给轴运行速度的变化情况。
10． 同时按下“快进”键和各轴点动键，使各轴快速进给，在快速进给过程中通过“快速修调”按键，调节快移倍率，观察进给轴运行速度的变化情况。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
11． 在主操作界面下，按“F10→F3→F3”，输入口令（HIG），按“Enter”键确认，口令正确后，再按“F1→F2”，进入轴参数设置界面，选择“轴0”、“轴1”或“轴2”，再按“Enter”键确认，进入轴参数设置界面，将“最高快移速度”的设置更改为2000（当前设置为3000 mm/min，范围0到5000 mm/min），按正确方式退出参数设置界面后，重启数控系统，使参数生效，重复步骤6到10，观察进给速度的变化情况。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
注意：在各轴运动时，位置界面会显示相应轴位置（X、Y 和Z后面的坐标值）的变化和运行的速度（F后面的数值）。完成以上步骤后，再进入轴参数设置界面，设置“最高快移速度”为3000mm/min。挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
12． 再次切换到“回零”方式，对进给轴进行回零操作，回零完成后，在系统主菜单界面下按“F3”键，进入“MDI”子菜单，选择“自动”或“单段”运行方式，输入“G00X4”指令，然后按下“Enter”键，再按下“循环启动”键，验证X轴电机是否转动一圈（即机床X轴运动4mm）；再次运行“G00X8”指令，X轴电机再次转动一圈。赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
同理运行“G00Y4”和“G00Y8”等指令，验证Y轴的运动是否正确；运行“G00Z4”和“G00Z8”等指令，验证Z轴的运动是否正确。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
注意：机床运动的距离取决于当前工件坐标的位置，回零操作后只能确保机床坐标位置为0，如果当前工件坐标位置不是0，各轴运动的距离是从当前工件坐标位置到给定的坐标位置。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
13． 结合实训项目三轴参数设置部分，修改相应参数，观察参数修改前后进给轴运行情况的变化。
14． 实训完毕，按下数控系统上的“急停”按钮，切断电源，整理导线和实训台。
（2）FANUC 0i Mate -MC数控系统
1．按“SYSTEM”键，进入参数设置画面，熟悉参数的设置。
2．选择“回零”运行方式，按正确方法进行回零操作。
3．选择“手动”运行方式，按X轴的任一点动方向键，观察X轴的运行情况。
4．在X轴向任一方向进给的过程中，调节“进给倍率”波段开关，观察X轴进给速度的变化情况；系统屏幕左下角会显示当前运行速度，如“ACT.F 1200MM/M”。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
5．再按Y 或Z轴的任一点动方向键，观察Y轴或Z轴的运行情况。
6．在Y轴或Z轴向任一方向进给的过程中，调节“进给倍率”波段开关，观察Y轴或Z轴进给速度的变化。
7．在“快速倍率”选择区，选择“F0”档，然后同时按下“快速叠加”键和X轴任一方向键，观察X轴以F0设定的速度运行的情况。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
8．在“快速倍率”选择区，选择“25%”档，然后同时按下“快速叠加”键和X轴任一方向键，观察X轴以“快速运行速度”的25%运行的情况。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
9．同时按下“快速叠加”键和X轴任一方向键后，在“快速倍率”选择区的“25%”、50%和100%之间切换，观察各档的速度变化情况。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
10．对Y轴和Z轴，重复步骤7到9，观察Y轴或Z轴的运行情况。
11．进入设定界面，将“参数写入”设定为1，选择“MDI”运行方式，按一下“SYSTEM”键，选择[参数]软键，进入参数设置画面，修改1421号参数（X和Z的F0速度值）为500，退出参数设置画面，重启数控系统，使参数设置生效。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
12．重复步骤7，观察X轴、Y轴或Z轴运行速度的变化情况。
13．进入参数设置画面，修改1423号参数（各轴手动连续进给速度），范围为0到5000，退出参数设置画面，重启数控系统，使参数设置生效。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
14．重复步骤3到6，观察运行情况，比较参数修改前后速度的变化。
15．进入参数设置画面，修改1424号参数（各轴手动快速运行速度），范围为0到5000，退出参数设置画面，重启数控系统，使参数设置生效。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
16．重复步骤8和9，观察运行情况，比较参数修改前后速度的变化。
17．选择“MDI”方式下，按下“PROG”键，输入“G00X200.Y260.Z300.；”按下“INSERT”键，再按“循环启动”键，在位置显示画面观察坐标变化情况。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
18．输入“G01X400.Y300F400.；”按下“INSERT”键，再按“循环启动”键，在位置显示画面观察直线插补运行情况。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
19．实训完毕，切断电源，整理实训台和导线。
注意：在每次重启后，首先进行回参考点操作，以保证坐标的正确性。

五、思考题
若进给轴电机运行方向与实际机床进给方向相反，应如何解决？

数控机床与编程
实验指导书

兰州工专机械工程系
实验中心