基于HNC-21数控系统的实训装置设计

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数控机床是制造业中的重要装备，我国作为制造业大国，数控机床的拥有量非常大。经过数年来全国各个高校和培训机构的努力，已经培训出大量的数控加工操作人员，基本满足了企业对数控机床操作人员的需求。但随着大量数控机床的老化、损坏，数控维修人员缺乏的问题日益凸显L1J。在大部分普通高校和职业技能培训机构中，学生往往能够比较熟练的使用数控机床，编写加工代码。但由于缺乏对数控机床机械和电气硬件结构的讲解，以及数控系统参数设置和 PLC编程的学习，学生对数控机床的硬件结构还不够了解，不懂得机床的机械构造和电路原理，不懂得数控系统深层设置；在机床出现故障时，不知如何处理。针对这种问题，需要设计-种数控实训装置，通过该装置加强数控机床电气控制、数控机床故障诊断与维修等课程的学习，以此提高学生解决数控机床故障问题的能力。

华中世纪星”HNC-21是我国自主研制的数控系统，该数控系统采用先进的开放式体系结构，内置 32位高性能处理器，外部集成有主轴接口、进给接口、内装式 PLC接口、网口、串口等功能接口，支持软驱、以太网和 DNC等方式加工程序和PLC程序，最大联动轴为 4轴，系统具有高性能、配置灵活等特点2。采用 HNC-21系统的数控机床在国内有着广泛的应用，故本项目研制的数控实训装也选用该系统。虽然现今市面上使用着众多性能更为先进的数控系统，但 HNC.21系统具有-定的典型性，通过学习 HNC-21的系统构成，有助于了解其他各种系统的结构原理。

1 实训装置整体构成实训装置以真实数控机床的电气控制系统为蓝本，采用拈化设计，以清晰展示真实数控机床的电气硬件结构，拈之间由学习者自行连接，由此学习者可很好地学习数控机床的电气硬件结构。实训装置分为系统拈、主轴拈、进给模块、开关量拈等几部分，整体结构如图 1所示。

整个实训装置的电气结构全部对外开放，分正反两面展示：反面排布着相对固定的线路连接，用于展示外围配电元件的安装和典型电路设计：正面安装数控系统操作界面和各拈的线路接口，用于连接导线，编写程序等。

圜匿 匿 匿 图1 实训装置整体结构实训装置选用 HNC-21M 铣数控系统，具备铣加工中心的结构和功能。HNC-21M系统安装在系统拈上，系统拈上还安装有软驱、机床面板和手持单元，它们与数控系统采用固定的连接。

数控系统上的主轴接口、开关量 I/O接口、进给接口分别引出在面板上的接线端子上，可以以多种方式，将这些接线端子与主轴拈、机床开关量设备拈和进给拈等区域的接口连接；连接完毕后，再在系统上进行与该种连接相-致的参数设置，编写与连接-致的PLC程序。系统中各拈都有独立稳定的外围供电线路，线路连接相对固定，并展示在背面便于观察。

·河南侍育厅科学技术研究重点项I1(13B460345)作者简介：张 莉(1982-)，女，助教，硕士研究生，主要从事机械电子工程方面的研究。

邬宝寅(1985-)，男，助教，主要从事机械电子工程方面的研究。

第 4期 张莉 等：基于 HNC.21数控系统的实训装置设计 92 主轴系统设计华中 HNC.21系统主轴采用模拟控制方式，可以连接变频器或模拟指令型伺服驱动器，以异步电机或伺服电机作主轴驱动，并具有主轴编码器接 口，可反馈主轴位置信号2。这里采用变频器方式作为主轴驱动元件 ，选用台达 VFD.S400W 型变频器，选用 300 W 小功率三相异步电机作为主轴电机。主轴拈如图2所示，变频器前端有上电控制接触器，其线圈需要由-路开关量信号控制，VFD.S型变频器输入-10 V N1o V模拟电压进行速度控制，并有 5个启停和速度控制开关量输入端口，共 7个接口分别在这里引出到面板上，可以与系统拈上的主轴端口和 PLC端口相连接，进行参数设置和 PLC编程。另外，该异步电机还可以选择开关量控制方式，以屏蔽变频器，由主轴上电接触器通过PLC开关量输出端直接控制。

抉档模拟装置图2 主轴拈结构及连接为了展示机床主轴的换档过程，学习档位设置的相关数控参数，实训装置上特设计有-个换档装置。换档装置内的电子装置可以显示输入和输出转速，并设有两个电磁离合器，在离合器不闭合、离合器 YA1闭合和离合器 YA2闭合三种情况下，分别输出 1：1、l：2、3：l三种传动比。两个离合器引出两个开关量输入端口，两个档位位置开关引出两个开关量输出端口，可以与PLC端口连接，并练习编写PLC程序控制换档过程。主轴上还连接有位置编码器(实际由内部电子装置模拟)，输出三路差分脉冲速度(位置)信号，可将之与主轴端口连接。

3 进给系统设计进给系统含有 3个进给拈，代表机床的 3个进给轴。HNC.21系统的进给系统有模拟指令和脉冲指令两种控制方式，可以使用步进电机驱动和伺服电机驱动两种驱动方式，并有开环、半闭环和全闭环三种反馈方式 。其中全闭环方式只能使用模拟指令控制方式，鉴于模拟指令驱动器并不多见和模拟信号本身的局限性，在此采用脉冲指令控制方式。步进电机控制简单且成本较低，但精度较差，在标准数控机床上使用的不多，故进给拈采用 57型三相交流伺服 电机、YZ.ACSD608型驱动器驱动。该驱动器采用半闭环反馈方式，电机上集成的速度传感器直接将信号反馈给驱动器，数控系统不参与反馈川。由于仅做演示使用，选择功率较低的电机和驱动器。

该驱动器有脉冲信号接口和方向信号接口，并有1个开关量输入口和 1个开关量输出口，用于使能输入和过载报警输出，如图 3所示，该 4个端口分别引出，用于与系统拈上的进给端 口和PLC端口相连接。连接在电机轴上的电子装置可以显示电机转速和位置，与数控系统显示界面相对照，验证系统参数设置。电子装置还可以输出三路差分脉冲速度(位置)信号，可以与进给端口连接，用于数控系统位置监视。

图3 进给拈结构及连接4 开关量拈设计华中HNC.21系统自带的PLC开关量I/O端口有 4个，分两个开关量输入端口和两个开关量输出端口，共计有 40个开关量输入点和 32个开关量输出点，另外还有急停输入和超程解除两个特殊输入点，超程解除输入端与代表三轴限位的行程开关常闭触点相连，急停输入与急停按钮常闭触点相连，其他 I/O 口全部引出到面板上，可以与其他拈连接，编写PLC程序。如图4所示，PLC输入点直接引出，不使用外部电源，装置将输入端口公共端直接与各拈上开关元件的公共端相连，故只需要将开关元件和 PLC输入点单端相连即可构成回路。系统上的两个PLC输出端口，其中-个直接引出，并将其公共端与外部 24V直流电源负极相连，该 24V直流电源正极与其他低压直流开关量输入设备(驱动器、变频器、指示灯等)的公共端相连，故将该端口的输出点直接与开l0 机电技术 2013年8月关量输入设备的输入点单端相连，即可构成输出控制回路；另-个 PLC输出端口被引入到继电器转接板上，驱动继电器线圈，再将继电器触点引出。转接板上的继电器触点公共端与其他拈上交流负载(如接触器线圈等)的公共端连接至外部ll0 V交流电源两端 ，故只需将继电器触点引出端与其他各拈的交流负载引出端单端相连，即可构成回路，驱动接触器线圈等交流负载。

I IIPLC输入端口l l 开关元件I IIPLC输出端口L I白白白低压直流负载I IIPLc输出端口 L I白白白交流负载I带继电器转接板I开关量设备 系统拈图4 PLC端口连接为了演示机床侧的各种开关量信号设备，实训装置上特设置机床侧开关量拈，其中开关量输出部分有：代表三轴轴端限位的6个行程开关、代表机械原点的3个行程开关、代表刀库刀位检测和拉刀装置松紧的3个行程开关、以及表示润滑油液位和泠却液液位的2个行程开关，共 14个开关量输出点，可将之与PLC输入点相连。拈上的开关量输入部分有：控制冷却电机和润滑电机的 2个接触器线圈、控制刀库电机正反转的 2个接触器线圈、控制拉到装置松刀的电磁线圈，共5个开关量输入点，可将之与PLC输出点相连，并根据连接编写PLC程序。

5 教学应用根据设计，实训装置的教学应用分四个步骤，分别是外围线路观察、系统连接、系统参数设置和 PLC编程。

外围线路主要包含电力开关、变压器等配电元件，实训装置中的各个拈由外围线路供电。

元件连接相对固定，不安排操作。在不同配置的数控机床上，这些元件的使用特点基本相同，只要具备机床电气基本知识，通过装置线路观察可基本通晓其原理。

进行系统连接操作的线路分为两类，-类是能够反映数控原理的系统各拈间的关键信号，如系统拈上主轴控制端口发给主轴拈(变频器)的(模拟)信号，系统拈上进给控制端口发给进给拈(伺服驱动器)的(脉冲)信号，都属数控系统的关键信号。这-类连接相对固定，且与系统参数设置有关。例如系统拈上主轴用于控制的模拟量信号只能与主轴拈上的变频器模拟量输入端口相连接，系统拈上的脉冲量输出端口只能与进给拈上的伺服驱动器脉冲输入端 口连接。另-类是能够反映不同机床硬件配置方案的信号，这类信号的链接比较灵活，且与PLC编程有关。例如在配有刀库的加工中心上，需先将用于刀库控制的开关量信号连接在系统的PLC端口上，再编写-套与端口分配对应的PLC程序，才能使刀库正常运行。系统拈上引出的 PLC I/0口是通用的，可以分配任意 I/O端口做连接。

系统参数设置和PLC编程可以在数控系统操作界面上或与数控系统连接的 PC机上进行。系统参数设置应与装置中关键器件的配置相-致，例如实训装置中，主轴电机采用变频器控制方式，伺服电机采用脉冲指令型半闭环伺服驱动器，这些配置情况需要在相关参数表中注明。再如主轴是否换挡，各档位传动比，进给传动的传动，丝杠导程等，都需填写在相关参数内。PLC编程如前文所述，需要与装置中的开关量信号设备的 I/O口分配和工作过程相-致。例如刀库拈与开关量输入点 I20、I21、122和开关量输出点 Q16、Q17相连接，编写刀库控制的PLC程序便需以这5个点为编程元素，并根据刀库的工作过程编写程序。

6 结论通过对华中 HNC.21数控系统和外围相关元器件工作原理、系统配置和器件连接的研究，设计了-种可以具有三轴铣加工中心功能的数控机床实训装置，完成了该装置的元器件选型、结构设计、系统连接设计和功能应用设计。通过该装置可以了解数控机床电气硬件结构与参数设置和PLC编程之间的关系，从本质上理解数控机床的工作原理，从而为具备数控机床维修技术乃至是数控机床装配技术创造基本条件。