基于HNC18iM的数控铣床电气控制系统设计毕业设计论文

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1、 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目：基于HNC-18iM的数控铣床电气控制系统计专 业： 自动化（数控技术） Graduation Design (Thesis)Design of The Electrical Control System for The CNC Milling Machine Based On HNC-18iMBySupervised byProf. XIA xxxSenior Experimentalist. xxxSchool of Automation xxxxJune, 2011毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论

2、文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；

3、在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部

4、分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1

5、、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格

6、不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达

7、情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学

8、系意见：系主任： （签名）年 月 日南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要本论文完成基于HNC-18iM的数控铣床电气控制系统的设计。设计中主要使用电气元件为华中数控系统HNC-18iM铣削系统、HVS-16全数字交流伺服驱动单元、施耐德ATV31系列主轴变频器、GK6系列交流永磁同步伺服电机等。主要接触器与空气开关选用施耐德与正泰电器的优质产品，保证系统设计的安全性与系统使用的稳定性，减少产品故障率。在设计过程中，以产品标准为依据，以电器元件实物为基础，以公司资料为参考，独立完成了数控铣床的电气控制部分设计。摆脱了毕业设计不结合工程实际，缺少动手实践的弊端。不但参与了机床电气柜底板

9、的制作和电气元件的布局与接线，而且进行了机床的通电调试。通过实际的通电调试与试加工，验证了电气原理图设计的正确性和可行性。关键词：华中数控；CNC；数控铣床；升降台 53南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）ABSTRACTThis thesis complete the electrical control system design of the CNC milling machine based on HNC-18iM. The main use of electrical components in the design include Huazhong HNC-18i milli

10、ng system, HVS-16 all-digital AC servo drive unit, Schneider ATV31 series of the spindle converter and GK6 series of permanent-magnet synchronous motors. The main contactor and air-switch select the quality products of Schneider and Chint, and ensure the safety and stability of the system to reduce

11、the failure rate of the productThe thesis complete the electrical control system design of the CNC milling machine based on the product standards, electrical components and company information independent. With the problems in projects, that overcomes the lack of hands-practice abuses. Not only part

12、icipated to product the electrical counter and distribution of electrical components and wiring, but also participated in commissioning. Through the actual test and debug, its proved the correctness and feasibility of the electrical schematics.Key words： Huazhong NC; CNC; milling machine; lifting ta

13、ble南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）目 录 第一章 绪论1 1.1 概述1 1.1.1 国内外数控系统发展状况1 1.1.2 研究与学习国产数控系统的意义3 1.1.3 华中数控系统简介. . .4 1.2 毕业设计的任务和要求5 1.2.1 毕业设计的内容和要求5 1.2.2毕业设计应完成的技术文件5第二章 数控铣床电气设计方案6 2.1 CNC-6KI精密升降台数控铣床参数简介6 2.2 数控铣床的组成7 2.3 数控系统功能简介7 2.3.1 HNC-18i/19i系列数控装置与功能概述7 2.3.2 数控装置型号编号说明8 2.3.3 数控装置接口功能描述8 2.3.4 H

14、NC-18i数控系统综合接线图9 2.4 毕业设计基本思路10第三章 数控机床硬件详细设计与分析13 3.1机床电源电路设计14 3.1.1 控制变压器电路设计14 3.1.2 伺服变压器电路设计14 3.2 数控装置与主轴装置的连接15 3.2.1 主轴控制接口XS5定义16 3.2.2 施耐德变频器接口定义17 3.3 数控装置与进给驱动装置的连接19 3.3.1数控装置轴控制接口XS1-XS3接口定义19 3.3.2 HVS-16系列全数字交流伺服驱动单元产品简介22 3.3.3 GK6系列交流永磁同步伺服电机简介27 3.3.4 HNC-18i连接伺服驱动装置原理图28 3.4 数控装

15、置与手持单元的连接30 3.4.1 HNC-18i/19i手持接口定义30 3.4.2 手持单元连接原理图31 3.5 数控装置开关量输入输出32 3.5.1 开关量输入接口特性及设计电路32 3.5.2 开关量输出接口提醒及设计电路34 3.6 升降台升降控制电路设计36 3.6.1 升降台电机控制主电路图36 3.6.2 升降台电机控制部分电路图37 3.7 冷泵和润滑控制电路38 3.7.1 冷泵控制电路38 3.7.2 润滑控制电路38第四章 参数设置39 4.1 数控装置参数设置39 4.1.1 机床参数设置39 4.1.2 坐标轴参数设置39 4.2 HVS-16伺服驱动器参数设置

16、42 4.3 施耐德变频器参数设置45第五章 总结49致谢50参考文献51 南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1概述1.1.1 国内外数控系统发展现状世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从年美国第台数控铣床问世至今已经历了个年头。数控设备的发展包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族。而数控系统则是数控机床和数控装备的“大脑”，如同之于产业。数控系统是决定数控机床和数控装备的性能、功能和可靠性的关键因素。多年来，由于我国数控软硬件研究

17、开发的基础薄弱，技术积累少，研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，国产数控系统在性能与功能上与国外的差距较大。加上国产数控系统发展早期由于质量性能问题曾给用户留下的疑虑，导致我国每年生产的高档数控系统只占年购买量的1.5%，大量的高性能数控系统仍然依赖进口。截至2005年底，日本发那科公司和德国西门子公司两大数控业巨头在中国的数控系统销售量分别为12000台和7000台，基本上垄断了中国中高档数控系统市场近年来，国产数控系统的性能、功能和可靠性已大幅提高，与国外的差距也不断缩小。从技术层面看，国产中档数控系统已基本满足国内生产的数控机床的技术要求，国产高档数控系统也实现了零的突破。然而技术上

18、的突破并不等于市场上的突破。特别是在数控系统正朝着智能化、开放式、网络化方向发展的今天，日本发那科和德国西门子等国际数控系统厂商生产的能够实现多轴、多通道、高速和高精度切削、复合化加工的数控系统已经在市场上畅销，而我国数控系统的产业化却依然无法消除国内用户对国产数控系统可靠性的疑虑。面对经历了几十年发展的FANUC、SIEMENS、Mitsubishi、NUM、FAGO等国外厂商的垄断、围堵，我国国产数控系统面临着巨大的危机与压力，如何让国产数控系统能够能快的占领市场，获得用户的认可成为当代中国数控人面临的重大任务。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最

19、多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 1）美国的数控发展史 美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先

20、。但是偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 2）德国的数控发展史 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，于1956年研制出第一台数控机床。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主

21、机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司的数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 3）日本的数控发展史 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加

22、强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。 另外，日本三菱公司的数控系统也在中国占有大量的市场。三菱与发那科公司的数控系统在中国市场中超过了半壁江山。4）我国数控技术现状 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量

23、的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与

24、培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。1.1.2 研究与学习国产数控系统的意义对比世界数控系统的发展格局，我们认识到国产数控系统与国外著名系统之间还存在巨大的差距，尤其在系统使用的稳定性方面，我国数控系统急待提高，延长系统的连续加工时间。由于在可靠性方面的差距，国产数控系统的故障率较高，广大用户心存疑虑，所以市场占有率较低，国内推广较困难。目前，国内大的机床生产厂家80%的数控系统依然使用外国品牌。近年来，国产数控系统在技术上有了很大进步，国家也培养壮大了部分数控生产厂家，比如武汉华中数控、北京凯恩帝数控、广州数控、航天数控等，在南京还有南京华兴数控、南京新方达数控等。数控化是制造业的一场

25、革命。21世纪机械制造业的竞争，实质上是数控技术的竞争。党和国家从战略高度给以关注和部署。“十一五”规划提出加快发展先进制造业。高档数控机床与基础制造技术被列入国家中长期科学和技术发展规划16个重大专项。数控技术关系到国家经济利益、产业安全和国防安全。同时，数控技术是用高新技术改造传统产业的核心技术和典型代表。从国家发展战略需求出发，加快发展数控系统产业是我国的当务之急。 目前我国每年需进口1400亿美元商品，其中70%是用来购买外国的生产线和各种工农业、服务业的机械化、自动化设备。随着这些装备数控化程度的日益提高，我国进口这些设备所花费的外汇也迅速攀升。在整个数控机床中，数控系统部分的造价又

26、占到了30%50。 而目前中国市场上高端数控系统90以上的份额都掌控在国外著名数控公司的手中。如果外国公司不再为我国提供数控系统，中国的装备制造业将面临灭顶之灾。 由于数控系统对军事工业水平有着决定性的作用，国外数控系统厂商都将复杂数控系统视作一种超越经济价值之上的战略物资看待。目前，国外某些数控系统厂商对我们购进的高性能五轴联动数控产品的最终用户和最终用途做出了十分严格的限制。在这个问题上，价值规律完全不起作用，尤其是一些关键、复杂数控系统产品，更是想买都买不来。 国外对我国却一直采取技术封锁、高档产品限制、低档产品倾销的歧视政策。惨痛的历史教训使我们明白了一个硬道理：对于数控系统这样的战略

27、高技术，靠钱引进根本办不到；盲目效仿国外，也只会落后挨打，受制于人；中国数控产业的唯一出路，就是走自主创新之路！ “如果数控机床全都配备国外数控系统，即使产业发展壮大，我国机床厂也不过是国外产品的加工中心组装中心，而不是制造中心！”中国机床工业协会数控系统分会理事长、国家数控系统工程技术研究中心主任陈吉红教授呼吁：“我们要想成为制造大国并最终成为制造强国，中国装备就不能没有中国大脑。”我国的数控技术的进步和发展除了技术本身的问题外，还需要国家政策的鼓励和扶持，以及制造装备厂商的支持。一方面将国内外数控技术水平的差异量化，明确国产控制器的努力方向；另一方面，打破进口品牌的神话，为国产品牌的数控产

28、品的应用推广提供机遇，以华中数控、广州数控、沈阳数控、大连数控、齐重数控等企业为代表的中国数控机床产业，从“以技术引进消化吸收为主”到“主要依靠自主创新”，走出了具有中国特色的数控技术发展之路。中国的数控技术赶超世界先进水平是任重而道远，通过以企业为核心的新型产学研创新模式组织下，充分利用通用技术领域的新技术手段，实现制造技术、控制技术和计算机技术的融合，通过坚持不懈的努力，自主创新，逐步打破技术封锁和遏制，加速技术进步，是大有希望的。1.1.3 华中数控系统简介1994年，华中科技大学发起组建武汉华中数控股份有限公司。不到12年的时间，华中数控就从一个名不见经传的校办企业，发展壮大为民族数控

29、系统产业排头兵，成为中国高校科技成果产业化的一个具有样本意义的典范。 在国家“八五”攻关项目支持及中国工程院院士周济的指导下，华中科技大学数控专家抛弃了西方普遍采用的“基于专用计算机”的研发思路，走“以通用工业微机为硬件平台，以DOS、Windows为开放式软件平台”的技术路线。这一创新的技术路线避开了制约我国数控系统发展的硬件制造“可靠性”瓶颈，使得中国数控系统产业与国际同行站在了同一起跑线上，通过软件技术的创新，实现了数控系统技术的突破，用通用的工业计算机和电子器件，自主开发出打破国外封锁的4通道、9轴联动的“华中I型”高性能数控系统。该系统一举获得国家科技进步二等奖，这也是迄今为止国产数

30、控系统获得的最高国家级奖项，大大提升了企业对国产数控系统的认可度。具有自主知识产权的华中“世纪星”高、中、低端系列数控系统产品，年销售近万台套，与国内数十家著名主机厂实现了批量配套，主要包括HNC-21/22T、HNC-21/22M、HNC-18iT/19iT、HNC-18iM/19iM,以及在HNC-18i/19i基础上最新开发的HNC-18XP系统等等。其中五轴联动数控产品打破国外技术封锁，成为我国军工企业选用的首台全国产化高档数控设备。在伺服驱动方面，开发出具有自主知识产权的数字交流伺服驱动单元和主轴伺服驱动单元系列产品。主要产品有：HVS-16、HVS-18D系列全数字交流伺服驱动单元

31、，HVS-18S全数字交流伺服主轴驱动单元，最新的产品还包括HVS-160、HVS-162、HVS-18S-150A以及HJSV系列军用全数字交流伺服驱动单元；在伺服电机与伺服主轴方面，具有自主知识产权的GK6、GK7全系列永磁同步交流伺服电机和GM7系列交流伺服主轴实现了批量生产，成为目前国内唯一拥有成套核心技术自主知识产权（包括数控系统、伺服单元和电机、主轴单元及主轴电机等）和自主配套能力的企业。1.2 毕业设计任务和要求1.2.1 毕业设计内容和要求1）设计精密升降台数控铣床电气控制系统原理图。2）参与实际电器安装。3）调试数控机床电气系统。1.2.2 毕业设计应完成的技术文件1）数控铣

32、床电气控制系统原理图。2）参数清单。3）撰写毕业设计报告。第二章 数控铣床电气设计方案2.1 CNC-6KI精密升降台数控铣床参数简介本次毕业设计是对CNC-6KI精密升降台数控铣床配用华中HNC-18iM数控系统。该机床使用云南昆明台正精密机械有限公司的床身，机床特点为优质树脂砂铸件，时效处理，加强了床身强度，采用整体加强型滑枕设计，台湾精密数控专用铣头，变频调速，铣头配研工艺，保持高精度，铣削加工精度达0.02-0.03mm。数控机床的外形结构如图2.1所示:图2.1 CNC-6KI精密数控升降台数控铣床外形结构图机床结构参数如下（mm）： 工作台尺寸： 1370330 T型槽（宽槽数槽距

33、）：16365 行程 左右（X）：800 前后（Y）：330 上下（Z）：150 主轴管直径：105 主轴端面距工作台最大距离：430 主轴 转速：704200 变频 马力：5HP2.2 数控铣床的组成1）基础部件 由床身、立柱和工作台等大部件组成，是铣床的基础部件，它们可以是铸铁件，也可以是焊接钢结构件，均要承受铣床的静载荷以及在加工时的切削载荷。故必须是刚度很高的部件，亦是加铣床质量和体积最大的部件。本机床床身为树脂砂铸铁。2）主轴组件 它由主轴箱、主轴电机、主轴和主轴轴承等零件组成。其启动、停止和转动等动作均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主

34、轴是铣床的关键部件，其结构优劣对铣床的性能有很大的影响。本机床采用台湾专用数控铣头，通过变频调速。3）控制系统 数控铣床的数控部分是由CNC装置、可编程控制器、伺服驱动装置以及伺服电机等部分组成。它们是铣床执行顺序控制程序控制动作和完成加工过程中的控制中心。CNC装置一般由中央处理器、存储器和输入、输出接口组成。中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。CNC系统主要特点是输入存储、数据的加工插补运算以及机床各种控制功能都通过计算机软件来完成，能增加很多逻辑电路中难以实现的功能。计算机和其它装置之间可通过接口设备联接。当控制对象改变时，只需改变软件与接口。4）伺服系统 伺服系统的作用是把

35、来自数控装置的信号转换为机床移动部件的运动，其性能是决定机床的加工精度、表面质量和生产效率的主要因素之一。数控机床普遍采用开环、半闭环和全闭环三种控制方式。本次设计采用半闭环方式。5）辅助装置 包括润滑、冷却、防护、液压和随机检测系统等部分。辅助装置虽不直接参加切削运动，但对数控机床的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用，因此，也是数控机床不可缺少的部分。2.3 数控系统功能简介2.3.1世纪星HNC-18i/19i 系列数控装置特点与功能概述世纪星HNC-18i/19i 系列数控装置（HNC-18i/T、HNC-18i/M、HNC-19i/T、HNC-19i/M ）采用先进的开放式体系结构

36、内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置5.7” 单色（18i系列）/彩色（19i系列）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 接口于一体，采用大容量电子盘程序存储方式支持CF卡、DNC 、以太网、USB 等程序交换功能主要适用于数控车，铣床和简易加工中心的控制。具有高性能、结构紧凑、易于使用、可靠性高、价格低的特点：l 最大联动轴数为3 轴。l 可选配各种类型的脉冲指令交流伺服驱动器或步进电机驱动器。l 配置标准机床工程面板不占用PLC 的输入/输出接口。l 配置32路输入接口和24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

37、控制接口与主轴编码器接口。l 采用5.7” 单色（18i 系列）/彩色（19i 系列）液晶显示器(分辨率为240320 )全汉字操作界面,具有故障诊断与报警设置,图形加工轨迹显示和仿真功能,操作简便,易于掌握和使用。l 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。l 小线段连续加工功能，特别适合于复杂模具零件加工。l 加工断点保存/恢复功能，为用户安全、方便使用提供保证。l 反向间隙和单、双向螺距误差补偿功能，有效提高加工精度。l 巨量程序加工能力,配置大容量存储器时可直接加工高达2GB的

38、G代码程序。内置以太网RS232 接口易于实现机床联网。l 512K 用户存储区其中400K 可用作用户零件程序存储区,其余的为用户数据区。l 系统外形尺寸为420260115 毫米（W H D 体积小巧，结构牢靠，造型美观。2.3.2 数控装置型号编号说明： 华中数控系统型号编号如图2.2所示：图2.2 华中数控系统型号编号说明2.3.3数控系统接口功能描述 HNC-18i/19i 数控装置背面接口如图2.3所示：图2.3 HNC-18i/19i数控装置接口数控装置接口介绍如下：XS1、XS2、XS3:进给轴控制接口XS4:主轴编码器接口XS5:主轴控制接口XS6:PLC输入接口XS7:手持

39、单元接口XS9:PLC输出接口XS10:外接键盘接口XS11：RS232接口XS12: USB接口XS13:以太网接口XS14:CF卡接口若使用DNC单元，则XS10、XS11、XS13为DNC单元的转接口。电源接口在数控装置背部的开关电源上。2.3.4 HNC-18i数控系统综合接线图图2.4为HNC-18i/19i 数控装置与其他装置、单元连接的总体框图：图2.4 总体框图图中除电源接口外，其它接口都不是必须使用的，在本次设计中，键盘、以太网、USB、主轴编码器接口不使用。数控装置通过XS1XS3接口控制进给装置。一套系统中的进给装置类型可以相同，也可以不同，但最多只能连接三个进给轴。2.

40、4 毕业设计基本思路 本次毕业设计完成基于华中HNC-18iM数控系统的精密升降台数控铣床的电气设计。以数控系统为核心，围绕数控系统的相应功能，完成外围电气控制电路的设计。主要内容包括：主轴电机的变频调速控制、三坐标伺服驱动控制、升降台的自动与手动升降控制、冷却润滑控制等。主要电气结构框图如图2.5所示图2.5 电气设计总体框图分析与说明： CNC-6KI数控铣床采用华中HNC-18i/M数控系统，XS1、XS2、XS3接口与HVS-16系列伺服驱动器连接，控制X、Y、Z三坐标轴，伺服电机编码器反馈至驱动器，再由驱动器将位置信号反馈给数控系统，由数控系统根据偏差的小与方向控制电机向减小偏差的方

41、向移动。图 2.6 数控装置与外围设备连接框图数控系统通过主轴变频器控制主轴电机的转速与方向。变频器采用施耐德Altivar 31型号。主轴电机为三相异步电机。由于该铣床功能设计比较简单，没有攻螺纹功能，所以主轴电机没有设计编码器反馈。另外，由于华中数控系统的面板与系统集成于一体，很多面板操作功能都集成在系统中，不需要额外设计，因此机床输入输出量比较简单。输入开关量主要有：X、Y、Z轴三轴参考点开关、超程限位开关、急停开关、外部报警、主轴报警等信号。输出开关量主要有：主轴正反转信号，冷泵开关信号。另外，系统还要设计RS232接口，方便数控机床与计算机通讯，传输加工程序。综上所述，设计数控装置与

42、外围设备连接框图如图2.6所示。第三章 机床电气硬件详细设计与分析 CNC-6KI精密升降台数控铣床的供电方式为三相四线制。首先由外部提供交流三相四线制AC380V电源接到电柜内的电源开关上，即L1、L2、L3和PE接地端子。此时打开电源总开关QF1，控制变压器就会通电，开关电源指示灯亮，说明机床外围电源接通。在电源总开关合上的情况下，按机床操作面板上的系统启动按钮SB2，系统上电启动，系统读完数据执行PLC后开始工作，X、Y、Z轴故障连锁无异常，伺服驱动器准备好，轴制动器释放，显示屏无报警，这个时候说明已经开始可以工作。按下SB4、SB5可进行升降台的上升与下降。用户可以根据显示屏提示信息及

43、要求进行各种操作，如需要停止以上状态，按SB3系统停止按钮，则系统、驱动停止工作。主轴电机控制方式有两种：主轴采用三相变频电机控制 主轴采用伺服主轴电机控制在本次设计中，由于机床为经济型数控铣床，考虑到价格及市场，因此主轴电机采用三相异步电机，高性能变频器驱动主轴，系统模拟输出010V电压。改变变频器输入信号就可以完成对主轴的无级调速控制，主轴的正反转及停止信号由系统指令控制或手动控制，主轴正反转由继电器KA2和KA3控制，速度从70转/每分钟4200转/每分钟可调,出厂设定4200转/每分钟为最高转速。冷泵电机由继电器模块KA4控制KM2交流接触器，只要KM2闭合，水泵电机就转动。水泵电机的

44、启停是通过系统操作面板上的冷却开关和用户程序指令来控制完成的。润滑电机是在系统启动后就开始工作的，它是每隔一段时间自动润滑一次，每次润滑油量可以由用户通过调整润滑站上油量控制螺母进行调节。本机床共用了5个空气开关，其中QF1、QF4、QF5是三相空气开关，QF2、QF3是单相空气开关。这些空气开关主要是起到电源接通、断开、短路保护和过流保护的作用。QF1.电源总开关, 开关电源指示灯亮，机床外围电源接通。QF2用于轴流风扇和为接触器提供电源QF3用于电源指示灯和石英灯保护QF4伺服电源控制QF5变频器控制正常情况下,上面介绍的5个空气开关都要打到ON位置上.3.1 机床电源电路设计3.1.1

45、控制变压器电路设计在系统电气设计中，需要220V系统电源、110V接触器和轴流风扇电源、24V交流照明灯电源。24V中间继电器直流电源。根据所需电源情况，设计控制变压器电路如图3.1所示：图3.1 控制变压器电路设计在控制电路中，当总电源开关闭合后，轴流风扇通电开始工作，电源指示灯亮，指示机床外围已上电，可以打开或关闭石英灯。按下系统上电按钮SB2，接触器KM1通电，辅助触点闭合自锁，主触点KM1闭合，220V系统电源上电，系统通电。同时润滑泵开始工作，每隔一段时间自动润滑一次。当加工工作完毕需要关闭系统电源时，按下按钮SB3，接触器KM1线圈断电，主触点断开，系统关闭。如要关闭机床电源，则可

46、将空气开关QF1触点拉下，整个机床断电，电源指示灯熄灭。电源设计中，由于中间继电器需要24V直流电源，因此需要设计直流电源，220V交流电源进入整流装置后，输出24V直流电源，供中间继电器和和系统使用。3.1.2 伺服变压器控制电路设计机床伺服驱动器和伺服电机额定电压为交流220V，因此设计一个三相220V变压器，通过空气开关QF4保护电路为伺服控制电路供电。电路如图3.2所示：图3.2 伺服变压器控制电路设计如图3.2所示，伺服驱动和伺服电机额定电压为220V，所以采用220V三相变压器，通过空气开关QF4连接到接触器KM5。由KM5控制伺服驱动和电机的电源通断。当系统上电后，直流电源的0V

47、电压连接到X轴伺服故障连锁输入端，再由X轴故障连锁输出端连接到Y轴故障连锁输入端，如此依次连接到Z轴故障连锁输入端，由Z轴故障连锁输出端连接到中间继电器触点KA1。通过驱动器内部检测电路，若X、Y、Z三轴伺服驱动器工作无异常，则故障连锁输出信号导通，中间继电器KA1线圈通电，KA1触点闭合，随之接触器KM5线圈通电，主触点闭合，伺服驱动器工作。3.2 数控装置与主轴装置的连接HNC-18i数控装置通过XS5主轴控制接口可连接各种主轴驱动器，实现正、反转、定向、调速等控制，还可以通过XS4外接主轴编码器，实现螺纹车削和铣床上的刚性攻丝功能。本次设计中机床没有攻丝功能，因此不使用主轴编码器功能。常

48、用的主轴驱动器包括交流变频器、主轴伺服单元（可获得较宽的调速范围和良好的低速性能）等，可利用主轴控制接口（XS5）中的模拟量电压输出信号（AOUT:0+10V），作为主轴驱动器的信号给定，在一定范围内实现主轴的无级调速。主轴启停控制由PLC承担，利用Y0.2、Y0.3控制主轴装置的正、反转及停止，一般定义接通有效，当Y0.2接通时可控制主轴装置正转，Y0.3接通时，主轴装置反转，二者都不接通时，主轴装置停止旋转。3.2.1主轴控制接口XS5定义XS5主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴状态控制PLC开关量信号，其信号引脚分布如图3.3： 图3.3 主轴控制接口XS5引脚分布信号定义

49、如表3.1所示：表3.1 主轴控制接口XS5引脚定义信号名说明+24V,24VGPLC DC24V电源X1.0主轴定向完成X1.1主轴速度到达X1.2主轴零速度X2.3主轴报警Y0.0复位（报警消除）Y0.2主轴正转Y0.3主轴反转Y0.4主轴制动Y0.5主轴定向AOUT主轴模拟量指令0+10V输出GND模拟量输出地注：上表中加粗信号为本次设计中需要的信号。信号特性l PLC开关量HNC-18i数控装置的PLC输入输出开关量主要分布在XS6（PLC输入接口），XS9（PLC输出接口）和XS7（手持单元接口），为了使用方便，有些PLC输入信号和输出信号也以并联的方式分布在XS5（主轴控制接口）和

50、XS13（进给轴控制接口内），功能是等效的，用户可以任意选择一次使用。l 主轴速度模拟电压信号电压范围：0V+10V负载电流：最大10mA3.2.2施耐德变频器接口定义1）变频器接口原理图如图3.4所示：图3.4 变频器接口原理图2）变频器控制端子布局图如图3.5所示：图3.5变频器控制端子布局图及主要引脚定义在变频器的控制端子中，仅仅使用到了COM(模拟I/O公共端 ，0V)和AI1（模拟电压输入，+10V）。这两个端子接到数控装置XS5的GND和AOUT端，接收数控装置发送的模拟电压信号，变频器根据模拟电压信号的大小，控制主轴电机的转速在703900转/分钟无级调速。变频器的正反转控制是通

51、过控制端子上的24V、LI1、LI2进行的，LI1控制电机正转，LI2控制电机反转，它们分别与中间继电器的常开触点相连，当数控装置的Y0.2和Y0.3发出正反转信号后，相应的中间继电器线圈通电，触点闭合。LI1或LI2收到24V电压信号，控制电机正转或反转。电机正反转控制原理图如图3.6：图3.6 电机正反转控制原理图3）变频器动力端子定义如表3.2所示：表3.2 变频器动力端子定义PE接地端子R/L1电源S/L2T/L3U/T1到电机的输出V/T2W/T3在充分学习和理解数控装置与变频器之间的接口定义与功能后，就可以根据它们的定义和端子功能设计主轴电机的正反转及转速调节控制了。设计主轴电机控

52、制电路图3.7所示：图3.7 主轴电机控制电路图在图3.7中，U2、V2、W2连接到变频器动力输入端子R/L1、S/L2、T/L3为变频器和电机提供电源，U/T1、V/T2、W/T3输出到三相异步电机，为电机提供动力。 主轴的启停控制由PLC承担，利用Y0.2和Y0.3控制中间继电器线圈的通断，从而实现控制触点的闭合与断开。变频器端子LI1和LI2接收电压信号，控制主轴电机的正反转及其停止，一般定义接通有效，当Y0.2接通时可控制主轴装置正传，Y0.3接通时，主轴装置反转，二者都不接通时，主轴装置停止旋转。变频器R1C和R1A是故障继电器触点，用于远程指示变频器状态。当变频器处于欠压、过流，过

53、载等异常状态时，内部触点闭合，数控装置检测到之后发出主轴报警信号，用于保护变频器和主轴装置。 3.3数控装置与进给驱动装置的连接 HNC-18i数控装置脉冲式轴控制接口提供脉冲+方向、双向脉冲、正交脉冲三种指令类型，具备反馈接口，可以控制脉冲指令式的伺服驱动和步进驱动装置。3.3.1 数控装置轴控制接口XS1-XS3接口定义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-18i/19i 最多可提供XS1 、XS2、 XS3 共3个脉冲式轴接口。XS1XS3接口布

54、局如图3.8所示：图3.8 轴控制接口XS1-XS3布局图轴控制接口各引脚定义如表3.3所示：表3.3 XS1-XS3接口引脚定义1）技术规格l 高脉冲频率：800KHZl 24V电源：200mal 编码器信号：RS422电平2)等效电路脉冲指令输出等效电路如图3.9所示： 图3.9 脉冲指令输出等效电路码盘输入等效电路如图3.10所示： 图3.10 码盘信号输入接口等效电路3）脉冲形式在数控装置内部，通过修改参数，可以将脉冲输出形式设定为脉冲+方向，双向脉冲，两相正交三种模式。而本次设计使用第一种模式，即脉冲+方向模式。脉冲指令的三种类型如表3.4所示：表3.4 脉冲指令的三种类型采用脉冲指

55、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是由伺服驱动装置完成。位置信息由伺服驱动装置反馈给CNC做监控用，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。脉冲指令接口有如上表所示三种类型。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3.5所示：表3.5 三种脉冲指令类型波形图注：1）脉冲加方向：CP为脉冲信号，DIR为方向信号。2) 双向脉冲：CP为正转脉冲信号，DIR为反转脉冲信号。3）正交脉冲：CP与DIR的相位差为脉冲信号，C

56、P与DIR的相位超前与落后关系决定电动机的旋转方向。3.3.2 HVS-16系列全数字交流伺服驱动单元产品简介HSV-16 是武汉华中数控股份有限公司继HSV-9型、HSV-11型之后，推出的一款全数字交流伺服驱动器。该驱动器具有结构小巧、使用方便、可靠性高等特点。HSV-16 采用最新专用运动控制数字信号处理器（DSP）、大规模现场可编程逻辑阵列（FPGA）和智能化功率模块（IPM）等当今最新技术设计，操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。HSV-16 交流伺服驱动器具有以下特点：1 控制简单灵活通过修改伺服驱动器参数，可对伺服驱动器系统的工作方式、内部参数进行修改以适应不同应用环境和要求。2 状态显示齐全HSV-16 设置了一系列状态显示信息，方便用户在调试、运用过程中浏览伺服驱动器的相关状态参数，同时也提供了一系列的故障诊断信息。3 宽调速比（与电机及反馈元件有关）HSV-16 伺服驱动器的最高转速可设置为3000 转/分，最低转速为0.5 转/分，调速比为1 ：6000。