基于HNC18iM的数控铣床电气控制系统本科毕业设计论文.docx
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基于HNC18iM的数控铣床电气控制系统本科毕业设计论文
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
GraduationDesign（Thesis）
DesignofTheElectricalControlSystemforTheCNCMillingMachineBasedOnHNC-18iM
By
Supervisedby
Prof.XIAxxx
SeniorExperimentalist.xxx
SchoolofAutomation
xxxxJune,2011
毕业论文（设计）原创性声明
本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。
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保密的论文（设计）在解密后适用本规定。
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1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
3）其它
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
ABSTRACT
ThisthesiscompletetheelectricalcontrolsystemdesignoftheCNCmillingmachinebasedonHNC-18iM.ThemainuseofelectricalcomponentsinthedesignincludeHuazhongHNC-18imillingsystem,HVS-16all-digitalACservodriveunit,SchneiderATV31seriesofthespindleconverterandGK6seriesofpermanent-magnetsynchronousmotors.Themaincontactorandair-switchselectthequalityproductsofSchneiderandChint,andensurethesafetyandstabilityofthesystemtoreducethefailurerateoftheproduct
ThethesiscompletetheelectricalcontrolsystemdesignoftheCNCmillingmachinebasedontheproductstandards,electricalcomponentsandcompanyinformationindependent.Withtheproblemsinprojects,thatovercomesthelackofhands-practiceabuses.Notonlyparticipatedtoproducttheelectricalcounteranddistributionofelectricalcomponentsandwiring,butalsoparticipatedincommissioning.Throughtheactualtestanddebug,it’sprovedthecorrectnessandfeasibilityoftheelectricalschematics.
Keywords：
HuazhongNC;CNC;millingmachine;liftingtable
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
2.1CNC-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
2.3.1HNC-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
2.3.4HNC-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
3.3.2HVS-16系列全数字交流伺服驱动单元产品简介22
3.3.3GK6系列交流永磁同步伺服电机简介27
3.3.4HNC-18i连接伺服驱动装置原理图28
3.4数控装置与手持单元的连接30
3.4.1HNC-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
4.2HVS-16伺服驱动器参数设置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
第一章绪论
1.1概述
1.1.1国内外数控系统发展现状
２０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１９５２年美国第１台数控铣床问世至今已经历了５０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ＣＰＵ之于ＩＴ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。
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，1998～2004年国产数控机床产量和消费量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，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
2.1CNC-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2.1CNC-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：
1370×330
T型槽（宽×槽数×槽距）：
16×3×65
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：
70—4200变频
马力：
5HP
2.2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
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