HNC-21数控实验设备调试技术
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摘 要：数控设备是机电一体化的工作系统，文章介绍HNC-21数控实验设备电气及机械的综合知识，最终达到熟练掌握数控机床调试技术的目的。
关键词：数控系统;电气控制;调试技术;误差补偿
中图分类号：TH-39 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）34-0015-03
Abstract： Numerical control equipment is the work system of electromechanical integration. This paper introducesthe electrical and mechanical knowledge of the HNC-21 numerical control experimental equipment， for the purpose of ultimately achieving the purpose of grasping the debugging technology of CNC machine tools.
Keywords： CNC system; electrical control; debugging technology; error compensation
引言
HNC-21數控实验设备由硬件和软件组成，可实现G代码编程，电气装调和机械精度检测等。通过调试实验设备的学习，能够掌握数控机床电气控制原理，NC系统参数设定，变频器，步进驱动器和伺服驱动器的调试方法等，同时能够对机床出现的常见故障进行快速准确的诊断与维修。
1 电气控制原理
HNC-21实验设备采用交流三相380V供电，主轴采用变频驱动控制，进给轴X采用步进驱动实现开环控制，进给轴Z采用伺服驱动实现半闭环控制，电气控制原理如图1所示。
伺服变压器TC2将AC380V转换为AC220V，供电给伺服驱动器。控制变压器TC1将2相AC380V转换成AC24V和AC220V，AC24V经过整流桥AP1变换为DC36V供电给步进驱动器，AC220V用于刀架正反转控制电路、伺服驱动器内部控制电路和开关电源VC1。开关电源输出DC24V用于系统电源、急停控制回路、刀架信号电源和PLC输入转接板指示灯电源等。继电器KA9吸合产生的24V1用于伺服使能控制和PLC输出继电器控制。继电器KA4和KA5用于刀架正反转控制电路，接触器KM1和KM2用于刀架电机主电路。RC1和RC2用于接触器线圈灭弧，RC3用于接触器主触点灭弧。
2 配置硬件与PMC系统参数
配置硬件参数是列出设备的部件清单，HNC-21系统能够配置32个部件。HNC-21板卡型号5301，板卡地址0，步进电机标识46，伺服电机标识45，输入/输出开关量标识13，手摇脉冲发生器标识31，主轴模拟电压输出标识15，配置0用于区别接口类型，调整设备功能。
PMC系统参数用于定义I/O模块接口，开关量输入总组数为46，X0-X4字节用于基本输入信号，由系统XS10、XS11端口输入，X5-X29字节用于扩展输入信号，X30-X45字节用于MCP面板和MDI键盘输入信号。开关量输出总组数为38，Y0-Y3字节用于基本输出信号，由系统XS20、XS21端口输出，Y4-Y27字节用于扩展输出信号，Y28-Y29字节用于主轴D/A数字量输出信号，Y30-Y37字节用于MCP面板和MDI键盘输出信号。
3 外部运行允许控制
外部运行允许控制即数控机床的急停控制，它是数控设备的保护电路，如图2所示。急停控制继电器KA9采用DC24V供电，它与行程限位开关闭点、急停按钮串联，超程解除按钮与行程开关闭点并联。数控系统正常启动后，旋开急停按钮，KA9线圈得电，外部运行允许信号X2.3由PLC信号转接板输入，系统由急停变成复位，机床可正常工作。手动运行十字滑台X、Z轴至超程位置，进给轴停止运行，系统显示急停与超程报警，按住超程解除，将行程限位短路，可移动进给轴向相反方向运行，报警消除。
4 设置步进X轴
实验设备进给轴X采用开环控制，应用雷塞步进驱动器及步进电机实现。进入数控系统轴0参数界面，外部脉冲当量分子为25，分母为256，伺服驱动器型号为46，伺服驱动器部件号为0，电机每转脉冲数为200，步进电机拍数为4，快移加减速时间常数为100，快移加速度时间常数为64，加工加减速时间常数为100，加工加速度时间常数为64。
机床行程软限位的设定，软限位对机床起到双重保护的作用。车床X轴为直径编程，系统显示值为实际机床移动距离的2倍，在设定机床软限位时，应输入机床实际所走的位移值。
5 调试伺服Z轴
实验设备进给轴Z采用半闭环控制，应用三洋伺服驱动器及伺服电机实现。进入数控系统轴2参数界面，外部脉冲当量分子为5，分母为2，伺服驱动器型号为45，伺服驱动器部件号为2，最大定位误差为20，最大跟踪误差为12000，电机每转脉冲数为2000，反馈电子齿轮比为1：1。
改变驱动器相关参数能够提高其运动性能，位置比例增益PA000设30，值越大，增益越高，刚度越大。速度比例增益PA002设50，值越大，增益越高，刚度越大。在系统不振荡条件下，PA000和PA002尽量设较大值。速度积分时间常数PA003设20，值越小，积分速度越快，在系统不振荡条件下，PA003尽量设较小值。依次修改参数，观察Z轴电机状态，查看系统跟踪误差，将其调到比较理想状态。
6 系统与伺服脉冲匹配
数控系统可输出单脉冲、双脉冲与AB相脉冲三种信号，伺服驱动器也可接收以上指令脉冲。通过调节系统与伺服参数，可实现指令类型的匹配。 硬件配置0确定系统控制指令类型，大小是一个字节，D3-D0指定伺服轴为2号轴，数值为0010;D5-D4指定系统脉冲指令形式，缺省单脉冲输出为00，单脉冲输出为01，双脉冲输出为10，AB相输出为11;D7-D6指定系统接收反馈脉冲的形式，缺省AB相反馈为00，单脉冲反馈为01，双脉冲反馈为10，AB相反馈为11。如果系统输出指令与反馈脉冲均为AB相脉冲，通过计算配置0应设50/242。伺服驱动指令脉冲接收形式由PA400定义，双脉冲为00H，AB相脉冲为10H，单脉冲为20H。
如果系统输出单脉冲，反馈AB脉冲，通过计算配置0可设2/18/194/210，伺服PA400应采用单脉冲设20H才合适。如果系统输出双脉冲，反馈AB脉冲，通过计算配置0可设34/192，伺服PA400采用单脉冲设20H，这时运行Z轴，我们会发现Z轴可动，但无法判断方向，所以机床要正常运行必须匹配好系统与伺服的指令脉冲。
7 变频主轴控制
实验设备主轴采用变频控制，应用日立变频器及三相异步电动机实现。线路连接完成后，首先初始化变频器，初始化模式B85设01，初始化有效B84设01，同时按下FANC、▲和▼键，再按STOP/RESET键3秒以上，先松开STOP/RESET直至显示D01并闪烁，再松开FANC、▲和▼键，闪烁完成，出现游动的浮标，最后停止显示D01，表示初始化完成。
电机运行前先确认变频器相关参数是否与电机参数相匹配，额定电压A82设380V，额定功率H03设0.55kW，磁极数H04设4极，额定频率A03设50Hz，最小频率A15设01（0Hz），最大频率A04设50Hz，斜坡上升时间F02设10s，斜坡下降时间F03设10s。
变频器接收数控系统给定频率，需设置变频器相关参数。参数A01设01，参数A02设01。智能端子1和2用于主轴正反转的控制，相应参数设C01设00，C02设01。
8 刀架控制分析
实验设备采用四工位刀架完成刀具的自动更换，由动作控制中心PMC实现。数控系统给定换刀指令T0101→（如果当前位置不是1号刀具）刀架电机正向寻刀（PLC控制Y0.3信号输出→中间继电器KA4吸合→接触器KM1动作）→检测到刀位信号X1.1→正转延时0.1S→刀架电机反向锁紧（PLC控制Y0.4信号输出→中间继电器KA5吸合→接触器KM2动作）→反向锁紧1s后刀架电机断电。如果在换刀允许最大时间10s内没有找到刀位信号，系统提示换到超时报警。
9 机械精度检测与补偿
螺距误差和反向间隙影响机床的定位精度和重复定位精度。实验设备采用光栅尺进行精度检测，光栅尺与系统通过XS31接口连接，系统参数轴1设为旋转轴，单元型号设45，部件号设1，定位误差和跟踪误差设0。螺距补偿类型设2，补偿点数设5，参考点偏差号设4，补偿间隔设50000。
被测点位置0定义在Z轴负向最远端，向坐标轴正向排列依次为0、1、2、3、4，运行螺补测量程序如表1，将Z轴正向移动误差输入轴补偿参数中的偏差值[0]、[1]、[2]、[3]、[4]中，将Z轴负向移动误差输入到轴补偿参数中的偏差值[5]、[6]、[7]、[8]、[9]中，均按照被测点位置0、1、2、3、4输入。双向螺补已将反向间隙补偿到螺距误差中，不需单独测量，重启系统再次测量，观察补偿后的变化。
10 结束语
数控实验设备调试注重实际机床的电气控制原理分析、设计与安装，机械部件精度的检测与调整。通过调试过程的学习，能够达到数控机床调试人员的基本技能要求。
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