数控系统综合实验指导-1

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前 言

数控技术实验是机械电子工程专业重要的实践教学环节。数控技术实验的内容涉及数控系统组成及电气线路设计、数控系统参数设置及调试、数控系统PLC编程及调试、数控系统故障诊断，有关项目均为综合性、设计性实验。通过上述实践教学，皆在培养学生从事数控技术应用的基本能力，以及查阅专业技术资料、分析问题和解决问题的综合能力。

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项目一 数控系统连接及电气设计

一、实验目的

1、熟悉典型数控系统的组成及各部分之间的电气连接。

2、掌握数控机床电气制图及线路设计的基本能力。

3、掌握查阅数控系统及相关电气装置技术资料的基本能力。

4、掌握数控机床电气线路现场检查、分析的基本能力。

二、实验设备及工具

1、数控机床综合实验台

本实验所用的西门子802S/C数控机床综合实验台，分为两个系列，分别是NNC系列（分为数控车、数控铣）和RTMC系列。

（1）NNC系列实验台

NNC系列实验台的主要配置如下：数控系统采用西门子SINUMERIK 802S；主轴采用变频交流电机驱动，变频器为西门子MICROMASTER系列，主轴末端安装有编码器；进给系统采用步进电机驱动，滚珠丝杠及同步齿形带传动，驱动器为和利时SH-30806，各坐标轴硬限位开关、参考点开关采用三线制接近开关。NNC数控车床综合实验台配备一台CK0613数控车床、6工位电动刀架；NNC数控铣床综合实验台配备一台三坐标数控铣床。

NNC系列实验台采用开放式布局，将数控系统的主要电控装置，包括数控装置、PLC模块、变频器、步进驱动器、系统电源及有关低压电气元件安装在实验台的演示面板上，并提供了方便系统各部分电气连接的插线孔。

演示面板上还提供了数控系统的主要接口信号的连接端子。位于演示面板下端的钮子开关“机床/面板”，可切换“机床”状态和“面板”状态。当切换到“机床”状态时，PLC的输入信号来自于机床，此时系统PLC的输入/输出信号均来自机床侧的各种检测开关等电气元件。如果切换到“面板”状态，可以通过与PLC的 I/O端对应的钮子开关，模拟PLC的输入信号。这种状态只用于检测。另外，在NNC数控车床实验台的电气演示面板上，还提供了一个模拟刀架，当实验台处于“面板”状态时，可以对模拟刀架进行控制。

（2）RTMC系列实验台

RTMC系列实验台是一种数控车、加工中心复合实验台。其主要特点是，具有一个数控机床机械装置演示台，有一个三坐标工作台、四工位电动刀架、八工位斗笠式刀库、变频驱动主轴（电机）、气动夹具等组成。通过更改数控系统的数据配置，可将实验台转换为数控车床或加工中心。

RTMC系列实验台的电气配置：数控系统为西门子SINUMERIK 802C base line；主轴采用变频交流电机驱动，变频器为三菱D700系列，主轴末端安装有编码器；进给系统采用交流伺服电机驱动，滚珠丝杠螺母副传动，驱动器为台湾东元东元伺服JSDA，各坐标轴硬限位开关、参考点开关采用行程开关。 3

（3）关于SINUMERIK 802S和SINUMERIK 802C base line

两种系统都是西门子公司推出的经济型数控系统，其中前者是NNC系列实验台配备的数控系统，后者是RTMC系列实验台配备的系统。

SINUMERIK 802S可驱动2-3个步进电机轴和1个变频驱动的主轴，PLC模块的I/O为DI16/DO16。SINUMERIK 802S由NC单元（ECU）、机床面板（MCP）、操作面板（OP 020）及驱动系统组成。西门子公司为SINUMERIK 802S配置的步进驱动装置为STEPDRIVE C或STEPDRIVE C+，但实际上可以采用其他的步进驱动器。NNC实验台采用的是国产的驱动器。

SINUMERIK 802C base line可驱动2-3个伺服电机轴和1个变频驱动的主轴，PLC模块的I/O容量达到DI48/DO16。SINUMERIK 802C base line采用了紧凑型设计，将NC单元、操作面板及机床面板集成为一个整体。西门子为SINUMERIK 802C base line原配的驱动系统为SIMODRIVE 611U或者SIMODRIVE base line，但也可以采用其他通用的交流伺服驱动装置。RTMC实验台实际采用了其他品牌的进给驱动器和主轴驱动器。

2、其它工具

万用表一块，连接线若干。

三、实验任务及要求

1、实验准备任务

（1）通过查阅资料，熟悉和掌握以下必备知识：

※ 查阅“西门子802S/C系统安装调试手册”，了解802S/C系统及其基本组成，熟悉802S/C系统的接口，分析与主轴控制、进给运动控制、主要辅助功能如刀架控制、主轴正反转控制等有关的接口及输入/输出信号。

※ 查阅“西门子MICROMASTER变频器手册”或“三菱D700变频器使用手册”，了解变频器的接口、变频器的运行方式，分析802S/C系统与变频器之间的信号连接方式。

※ 查阅“SH-30806技术手册”或“东元伺服JSDA使用手册”，了解步进电机驱动器的接口、交流伺服驱动器在速度控制模式下的接口信号，分析802S/C系统与进给电机装置之间的信号连接方式。

※ 查阅“西门子802S/C简明操作编程手册”，了解802S/C系统的操作面板及按键、显示界面和菜单功能，了解开机步骤、回参考点操作、JOG操作、MDA操作方法。

（2）结合资料和有关专业知识，分别绘制系统的以下接口线路：

※ 绘制与主轴控制有关的接线原理图，表达数控系统、变频器之间的信号线路。

※ 绘制与电动刀架控制有关的接线原理图，表达数控系统、刀架控制主回路和控制回路线路。

※ 绘制与坐标轴控制有关的接线原理图，表达数控系统、驱动器（步进驱动器或伺服驱动器）、坐标轴限位开关、参考点开关之间的信号连接。

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2、实验过程任务

（1）分析、检查数控机床实验台的电气线路

在系统断电的情况下，通过观察和用万用表检查数控机床实验台的电气线路连接情况，并画出系统各部分的电路简图。具体包括：

※ 检查系统电源线路，分析数控系统、变频器、伺服驱动器、数控系统PLC的I/O接口等的电源线路，以及系统上电、断电控制原理，绘制数控机床电源线路原理简图。

※ 根据演示面板上的信号接口，用连接线完成主轴控制信号的连接，绘制主轴控制线路简图。注：通过手动操作主轴启停，确定主轴正反转信号输出端子，并标注在线路图上。

※ 根据演示面板上的信号接口，分析进给电机驱动器（步进电机驱动器或伺服驱动器）、坐标轴限位开关与数控系统的连接关系，绘制线路简图。注：通过坐标轴点动操作，确定各坐标轴限位及参考点开关的输入端子，并标注在线路图上。

※ （NNC车床实验台）根据演示面板上提供的信号接口，分析电动刀架控制信号，用连接线完成有关信号的连接，绘制电动刀架控制线路原理简图。注：NNC车床实验台上，刀位检测信号由I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5输入，刀架电机正、反转控制信号由Q0.4、Q0.5输出。

（2）系统上电及基本操作

注：首次系统上电，必须在实验老师的指导下完成系统上电操作!

※ 检查系统电源线路，闭合电源线路上额各空气开关，解除急停，完成上电操作，观察系统上电过程。将演示面板切换到“面板”，闭合I0.7，观察系统反应及屏幕提示并记录。

注：执行以下操作时，确认演示面板必须切换到“机床”！

※ 完成各坐标轴返回参考点操作。观察返回过程中，演示面板PLC输入端子信号灯状态，根据信号灯变化，记录各坐标轴的限位开关、参考点开关的输入端子。

※ JOG模式下，完成主轴正转、反转操作，观察演示面板PLC的输出端子信号灯状态，记录主轴正反转控制信号的输出端子。用万用表检测主轴模拟量（电压）并记录。

※ MDA模式下，输入一行控制坐标轴运动、主轴控制的指令并执行。

3、实验报告要求

报告的主要内容：

（1）根据实验绘制数控机床电气原理简图

※ 系统电源及主回路电路简图；

※ 主轴控制的电气线路简图；

※ 电动刀架或斗笠式刀库的电气线路简图；

※ 坐标轴的电气线路简图，包括驱动器、限位开关等与数控系统的连接电路。

并对电路图设计进行说明。

（2）数控机床上电及基本操作步骤

结合实验情况及具体过程，说明数控机床的基本操作过程。 5

四、实验指导

数控机床的电气线路，可分为强电线路和弱电线路两部分。其中，强电线路一般指三相AC380V或单相AC220V的电路部分。这部分电路主要涉及系统电源进线线路及有关执行装置的主回路部分。弱电线路一般指各种控制线路，涉及的控制信号有开关量、模拟量、数字量信号。

1、数控机床弱电线路分析与设计

分析数控机床电气系统的弱电线路，要以数控系统为核心，以接口为线索，以“数控系统”和“系统周边电气装置”（如伺服驱动装置、辅助电气装置等）为两头，分析系统各个控制功能相关的接口及线路。首先，通过查阅技术资料，熟悉数控系统的各个接口，同时，结合有关专业知识，分析各个接口与系统外围有关执行装置、检测元件之间的信号连接原理。

资料导读：

※ 阅读“802S/C系统安装调试手册”（P5、P7-10），了解NNC实验台所配置的802S系统的所有接口，重点掌握专用接口X2、X3、X4、X20的引脚功能；了解内置PLC的DI/O接口X2003、X2004、X2005、X2006，掌握DI/O接口的接线原理。

※ 阅读“802S/C base line系统安装调试手册”（P26、P30-35），了解RTMC实验台所配置的802C系统的所有接口，重点掌握专用接口X3、X4、X5、X6、X7、X20的引脚功能；了解内置PLC的DI/O接口X100、X101……X105和X200、X201。

※ 阅读“西门子MICROMASTER变频器手册”（P26），了解NNC实验台所配置的变频器的接口。阅读“三菱D700使用手册”（P23、24），了解RTMC实验台所配置的变频器的接口，分析变频器与数控系统之间的信号连接要求。

※ 阅读“东元伺服JSDA使用手册”（P29-40、P45、P46），了解RTMC实验台所配置的伺服驱动器在位置控制、速度控制模式下的接线原理，了解驱动器接口各引脚信号的作用及其接线要求。

※ 阅读“SH-30806技术手册”，了解NNC实验台配置的步进电机驱动器的控制信号连接方式。

实例分析：

根据数控技术的有关知识，位置闭环控制接口的输入信号是机床工作台的实际位置反馈信号，输出信号是伺服电机的速度给定信号。在SINUMERIK 802C base line系统的接口中，与上述控制信号有关的接口有X3、X4、X5、X6和X7。其中X3-X6接口是以编码器为检测元件的位置反馈信号输入接口，X7接口是伺服电机的速度给定信号（模拟量）输出接口。

表1是X3口的引脚。其中，n.c.表示未用的引脚，A、A_N、B、B_N、Z、Z_N分别是以差分方式传输的编码器A、B和Z相脉冲信号引脚，这些引脚与编码器对应的输出端子连接。P5EXT、M是由X3口提供的直流电源，可为编码器供电。

表2是驱动器接口X7的引脚分配。其中，AO1、AGND1等是X/Y/Z/A轴的速度模拟量输出端子，SE1.1、SE1.2等是伺服使能开关量信号。模拟量信号与伺服驱动器接口上的速度模拟量输入端子直接连接，而伺服使能引脚与伺服驱动器侧的伺服使能开关量输入端子连接。