实验二数控原理实验 一、实验目的与要求 (1)了解数控系统的特点、基本组成和应用。 (2)了解数控系统常用部件的原理与作用。 (3)熟悉数控系统综合实验台的连接与基本操作。 二、实验仪器与设备 (1)ED-21S数控系统综合实验台一套 (2)专用连接线一套。 三、相关知识概述 1.数控系统的组成 数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机 床，它是数控技术的典型应用。数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统 是以计算机为核心的数控系统。计算机数控系统的组成如图2-1所示。 计算机数控系统 机床【/0电路和装置 机床 操作面板→PLC 柱轴伺服单元柱轴驱动装置 运 键盘 计算机 进给伺服单元 给驱动装置 机 输入输出 数控 装置 装置 测量装置 图2-1计算机数控系统 3.1.1操作面板 操作面板是操作人员与机床数控系统进行信息交流的工具，它由按钮站，状态 灯，按键阵列（功能与计算机键盘类似）和显示器组成。数控系统一般采用集成式 操作面板，分为三大区域：显示区，C键盘区，机床控制面板区。如图2-2所示 显示器一般位于操作面板的左上部，用于菜单、系统状态、故障报警的显示和加工 轨亦的图形仿直。NC键盘包括标准化的字数字式D工建盘和F1-F10十个功能键 用于零件程序的编制，参数输入，手动数据输入和系统管理操作等。机床控制面板 (MCP)用于直接控制机床的动作或加工过程。一般主要包括： (1)急停方式选择 (2)轴手动按键 (3)速率修调（进给修调，快进修调，主轴修调）
1 实验二 数控原理实验 一、实验目的与要求 （1）了解数控系统的特点、基本组成和应用。 （2）了解数控系统常用部件的原理与作用。 （3）熟悉数控系统综合实验台的连接与基本操作。 二、实验仪器与设备 （1）HED-21S 数控系统综合实验台一套 （2）专用连接线一套。 三、相关知识概述 1.数控系统的组成 数字控制机床是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机 床，它是数控技术的典型应用。数控系统是实现数字控制的装置，计算机数控系统 是以计算机为核心的数控系统。计算机数控系统的组成如图 2-1 所示。 图 2-1 计算机数控系统 3.1.1 操作面板 操作面板是操作人员与机床数控系统进行信息交流的工具，它由按钮站，状态 灯，按键阵列（功能与计算机键盘类似）和显示器组成。数控系统一般采用集成式 操作面板，分为三大区域：显示区，NC 键盘区，机床控制面板区。如图 2-2 所示. 显示器一般位于操作面板的左上部，用于菜单、系统状态、故障报警的显示和加工 轨迹的图形仿真。NC 键盘包括标准化的字母数字式 MDI 键盘和 F1-F10 十个功能键， 用于零件程序的编制，参数输入，手动数据输入和系统管理操作等。机床控制面板 (MCP)用于直接控制机床的动作或加工过程。一般主要包括: （1）急停方式选择 （2）轴手动按键 （3）速率修调（进给修调，快进修调，主轴修调） 机床 I/O 电路和装置 测量装置 主轴驱动装置 进给驱动装置 主轴伺服单元 计算机 进给伺服单元 数 控 装 置 操作面板 PLC 计算机数控系统 机 床 辅 助 控 制 机 构 进 给 传 动 机 构 主 运 动 机 构 键盘 输入输出 装置
(4)回参考点 (5)毛动讲给 (6)增量进给 (7)手摇进给 (8)自动运行 (9)单段运行 (10)超程解除 (11)机床动作手动控制，例如，冷却启停，刀具松紧，主轴制动，主轴定向，主 轴正反转，主轴停止等。 MDI键盘 显示区 急停按钮 图 写。71g g0-尉 控制按钮 四可回四四四回可可四 可可网w 图2-2数控系统操作面板 3.1.2输入/输出装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的数字信号，传送并存 入数控装置内。输出装置的作用是显示加工过程中必要的信息，如坐标值，报警信 号等。数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，输入 输出装置就是这种人机交互设备，典型的有键盘和显示器。计算机数控系统还可以 用通讯的方式进行信息的交换，这是实现CAD/CAM集成，FMS和CIMS的基本技术。 通常采用的通讯方式有： (1)串行通讯(RS232等串行通讯接口) (2)自动控制专用接口和规范(DNC,MAP等) 2
2 （4）回参考点 （5）手动进给 （6）增量进给 （7）手摇进给 （8）自动运行 （9）单段运行 （10）超程解除 （11）机床动作手动控制，例如，冷却启停，刀具松紧，主轴制动，主轴定向，主 轴正反转，主轴停止等。 图 2-2 数控系统操作面板 3.1.2 输入/输出装置 输入装置的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的数字信号,传送并存 入数控装置内。输出装置的作用是显示加工过程中必要的信息，如坐标值，报警信 号等。数控机床加工的过程是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，输入、 输出装置就是这种人机交互设备，典型的有键盘和显示器。计算机数控系统还可以 用通讯的方式进行信息的交换，这是实现 CAD/CAM 集成，FMS 和 CIMS 的基本技术。 通常采用的通讯方式有： （1）串行通讯（RS232 等串行通讯接口） （2）自动控制专用接口和规范（DNC，MAP 等） MDI键盘 显示区 控制按钮 急停按钮
(3)网络技术(INTERNET,.LAN等) 3.1.3计算机数控装置(CNC装置) CC装置是计算机数控系统的核心，它包括微处理器CPU、存储器、局部总线， 外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。 图3-3所示分别为、华中世纪星C-21T及西门子802S数控装置。 华中世纪星系统 西门子802S系统 FANUC Oi系统 图3-3常见数控系统 3.1.4伺服单元 伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机 伺服单元接收来自CC装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转 变成执行部件讲给的速府、方向、位移。闲出伺服单元是数控装置与机床本体的段 系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根 据接收指今的不同，同服单元有脉中单元和模拟单元之分。同服单元就其系统而言 又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别。 3.1.5驱动装置 伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组 成部分，它包含机械，电子，电机等各种部件，涉及到强电与弱电的控制。数控机 床的运动速度，跟踪及定位精度，加工表面质量，生产率及工作可靠性，往往主要 3
3 （3）网络技术（INTERNET，LAN 等） 3.1.3 计算机数控装置（CNC 装置） CNC 装置是计算机数控系统的核心，它包括微处理器 CPU、存储器、局部总线, 外围逻辑电路以及与 CNC 系统其他组成部分联系的接口及相应控制软件。 图 3-3 所示分别为、华中世纪星 HNC-21T 及西门子 802S 数控装置。 华中世纪星系统 西门子 802S 系统 FANUC 0i 系统 图 3-3 常见数控系统 3.1.4 伺服单元 伺服单元分为主轴伺服和进给伺服，分别用来控制主轴电动机和进给电动机。 伺服单元接收来自 CNC 装置的进给指令，这些指令经变换和放大后通过驱动装置转 变成执行部件进给的速度、方向、位移。因此伺服单元是数控装置与机床本体的联 系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根 据接收指令的不同，伺服单元有脉冲单元和模拟单元之分。伺服单元就其系统而言 又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分，其工作原理亦有差别。 3.1.5 驱动装置 伺服单元和进给驱动装置合称为进给伺服驱动系统，它是数控机床的重要组 成部分，它包含机械，电子，电机等各种部件，涉及到强电与弱电的控制。数控机 床的运动速度, 跟踪及定位精度，加工表面质量, 生产率及工作可靠性，往往主要
决定于伺服系统的动态和静态性能，一般数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。 提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性 能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传 动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联 动，使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求 的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机 笔。 3.1.6可编程逻辑控制器(PLC) 可编程逻辑控制器(PL.C)是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控 制，定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械设备和生产过程。当PLC用于控制机床顺序动作时，称为 PMC(Programmable Machine Controller)模块，它在CNC装置中接收来自操作面板 机床上的各行程开关，传感器，按钮，强电柜里的继电器以及主轴控制，刀库控制 的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。 CNC装置和PLC协调配合共同完成数控机床的控制，其中CC装置主要完成与 数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控 制等。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受 CC装置的控制代码M(辅助功能)、S(住轴转速)、T(选刀、换刀)等顺序动作信息， 对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作， 如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开、关等一些辅助动作：它还接受机床操作 面板的指令， 一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往CNC装置， 用于加工过程的控制。 3.1.7机床本体 机床本体即数控机床的机械部件，句括主运动部件，讲给运动执行部件（工 作台、拖板及其传动部件)和支承部件（床身立柱等），还包括具有冷却、润滑、转 位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀 具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床 的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震 性等方面要求更高。因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减 小热变形、提高精度等方面的措施。 2.HED-21数控系统综合实验台 ED一21S数控系统综合实验台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。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
4 决定于伺服系统的动态和静态性能，一般数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。 提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性 能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。 驱动装置将伺服单元的输出变为机械运动，它与伺服单元一起是数控装置和机床传 动部件间的联系环节，它们有的带动工作台，有的带动刀具，通过几个轴的综合联 动,使刀具相对于工件产生各种复杂的机械运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求 的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机 等。 3.1.6 可编程逻辑控制器（PLC） 可编程逻辑控制器（PLC）是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作 的电子系统。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控 制，定时，计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式，模拟式的输入和输出， 控制各种类型的机械设备和生产过程。当 PLC 用于控制机床顺序动作时，称为 PMC(Programmable Machine Controller)模块，它在 CNC 装置中接收来自操作面板， 机床上的各行程开关，传感器，按钮，强电柜里的继电器以及主轴控制，刀库控制 的有关信号，经处理后输出去控制相应器件的运行。 CNC 装置和 PLC 协调配合共同完成数控机床的控制，其中 CNC 装置主要完成与 数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、位置伺服控 制等。PLC 主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受 CNC 装置的控制代码 M(辅助功能)、S(主轴转速)、T(选刀、换刀)等顺序动作信息， 对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作， 如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开、关等一些辅助动作；它还接受机床操作 面板的指令，一方面直接控制机床的动作，另一方面将一部分指令送往 CNC 装置， 用于加工过程的控制。 3.1.7 机床本体 机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件，进给运动执行部件（工 作台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身立柱等），还包括具有冷却、润滑、转 位和夹紧等功能的辅助装置。加工中心类的数控机床还有存放刀具的刀库、交换刀 具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但是由于数控机床 的高速度、高精度、大切削用量和连续加工要求，其机械部件在精度、刚度、抗震 性等方面要求更高。因此，近年来来设计数控机床时采用了许多新的加强刚性、减 小热变形、提高精度等方面的措施。 2．HED-21 数控系统综合实验台 HED-21S 数控系统综合实验台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。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。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，更好地培养学生的动手能力和分析能 力。 图2-4HED-21S数控系统综合实验台 HBD-21S数控系统综合实验台集成了HNC-21TF数控装置、西门子/日立变频器 及三相异步电机、松下/三洋交流伺服及交流伺服电机、雷塞步进电机驱动器及步进 电机。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。具体组 成如图1所示，其中光栅尺和十字工作台为选件。 综合实验台数控装置采用的是华中数控生产的“C-21TF”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 者是步进电机驱动器。 “世纪星”HC-21TF车床数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式 工业PC机，配置7.7"彩色液品显示屏和通用工程面板，全汉字操作界面、故障诊 断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真，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，内部己提供标准车 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、圆弧、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、DC、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
5 现场实习效果。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 ，更好地培养学生的动手能力和分析能 力。 图 2-4 HED-21S 数控系统综合实验台 HED-21S 数控系统综合实验台集成了 HNC-21TF 数控装置、西门子/日立变频器 及三相异步电机、松下/三洋交流伺服及交流伺服电机、雷塞步进电机驱动器及步进 电机。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。具体组 成如图 1 所示,其中光栅尺和十字工作台为选件。 综合实验台数控装置采用的是华中数控生产的“HNC-21TF”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 者是步进电机驱动器。 “世纪星” HNC-21TF 车床数控装置采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式 工业 PC 机，配置 7.7＂彩色液晶显示屏和通用工程面板，全汉字操作界面、故障诊 断与报警、多种形式的图形加工轨迹显示和仿真，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，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、圆弧、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