双系统数控机床C:电气系统设计

对于一般数控系统来说，其电气连线主要包括动力线（强电）和控制线（弱电）的连接，对于动力线来说，一般是有具体的规定的，可在元器件的说明书上查询具体的连接方式；而对于控制线，则需要根据自己的实际控制需求进行连接。本章将具体阐述数控系统控制线的接线原理，并简述动力线的接线。在实际电气连线中要注意强电对弱电的干扰，注意屏蔽措施。

1 数控部分系统组成

双系统数控铣床的专业数控部分主要有数控面板、进给驱动装置、主轴驱动装置、机床本体等组成。在实际电气设计对其硬件部分设计如下：

(1) 机床本体：四坐标铣床，X/Y/Z(直线坐标轴)+A主轴（旋转坐标轴）；

(2) 电气控制柜：双系统强/弱电一体控制柜；

(3) 数控操作台：放置HNC-21数控面板；

(4) 主轴：变频器控制。

总体框图如图所示。在本次调试中需要用到的接口如：XS1（源接口），X2（C键盘口），XS11和XS10（输入开关量口），XS9（主轴单元接口），XS21和XS20（输出开关口），XS30、XS31和XS32为进给轴控制接口。

其中X/Y/Z三轴的伺服驱动器和伺服电机与CNC的相应进给驱动单元连接构成进给驱动系统；数控系统的主轴单元和变频器以及主轴电机构成主轴驱动系统。

2 数控系统控制信号

数控系统I／0通道是其与外界交换信息的必要手段 ，也是数控系统的基本组成部分。CNC系统在工作过程中，需要采集机床、控制面板和辅助加工设备的状态信息(如行程开关信号、按钮开关信号等)；需要通过感知机构测量运动位置、运动速度和工件尺寸等信号；需要向各种驱动装置(伺服驱动器、电磁阀等)发送控制信号。CNC系统所涉及的各种输入／输出信号可以归结为脉冲量输入输出、模拟量输入输出、开关量输入输出三种信号。如图3-1所示，由于位置模式下上位机须向驱动器发送脉冲信号，XS30/XS31/XS32主要为脉冲信号输入输出，而XS9接口接主轴（速度控制），所以其主要为模拟量输入输出，而XS10/XS11、XS20/XS21主要为数控机床接收外部设备以及驱动外部设备的开关量输入/输出接口。

数控系统的电气设计主要是针对以上三种信号展开的。对此详述如下。

铣床数控系统设计总体框图

3 数控系统开关量电气设计

数控系统有许多如控制检测装置通断、继电器吸合与通断、主轴正反转等信号称为开关量。其在数控指令中一般对应M，T等指令。

数控机床的开关量要注意强弱电隔离，为此一般数控系统在设计时都使用光电隔离。光电隔离使外部信号与计算机系统之间没有电气联系，提高了信号的响应速度以及抗干扰能力。且开关量的输入/输出信号接口特性具体如文献[1]中“数控装置开关量输入输出”章节

输入输出开关量通常分为两类：连接在电柜内部的开关量和连接到机床的开关量。在调试时，电柜调试和机电联调一般分别进行。所以定义时将这两类信号安排在不同的接口，以便于安装和调试。如图3.1所示， 其中XS11和XS20作为电柜内部开关量输入输出接口；XS10和XS21作为机床开关量输入输出接口。

下图为数控机床的开关量信号输入输出入连接原理。数控车床的接线与其相似，在此不赘述

铣床PMC输入输出接线原理图

输入输出开关量的定义，具体的开关量定义见《世纪星数控装置连接说明书》P5-4。下表列举本实验台需要的一些开关量

双系统数控铣床CNC的输入输出

对于数控车床，为了建立利用刀具偏置建立工件坐标系，还需要接入X3.2（1号刀到位）输入信号。

以上机床的开关量的连接信号全是常开点闭合有效，在数控系统中还有些为常闭点断开有效。前者为在有信号时向数控系统发送24VG信号，后者则是通过常闭开关将信号线和24VG连接，在有信号时则通过断开常闭开关接通信号。如数控实验室后期采用的数控系统HNC-21T3中，所需要接入的开关量大都为常闭触点断开有效，所以将需要的信号接入，不需要的信号和24VG短接。

对于机床的电气连接，由于数控实验台的搭建只是为学生学习数控机床提供一个实验平台，并未设计回零开关、冷却系统、润滑系统和自动刀架等，且这里所说的开关量主要是指限位开关信号的输入、外部运行允许输入以及运行允许和复位的输出等。由于所需的I/O口相对于成熟的数控系统较少，所以可将外部的输入/输出信号直接连接到世纪星HNC-21装置上的XS10、XS11、XS20和XS21上，考虑到节省成本未购置XS11和XS21接口电缆线，所以在实际接线时，需要更改PLC参数，即将XS11的开关量输入信号更改到XS10口上，这在下面将具体介绍。

上述介绍的连接方法成本低，不需要继电器以及额外的电源等，缺点是不方便拆装。电器柜设计时需要考虑到此方面的因素，所以对于数控和驱动器的连接线设计成可拆线的，并用线号机做好相应标记，以便日后查找。

4 伺服装置硬件接线（CNC系统）

MINAS-A5驱动器接口

松下MINAS-A5驱动器接口示意图，其有XA（主电源输入端子、控制电源输入端子），XB（电机三相电连接端子），XC（再生放电电阻器），以及X1~X7（其中X4为并行I/O连接口、X6为编码器连接口）。

其中主电源是最终经过交流-直流-交流最终转化为三相电机控制电（U/V/W）。 而控制电源则是最终转化为直流电供给驱动器内部的控制回路、门驱动器电源以及编码器电源。编码器反馈则接受20位增量式编码器的位置反馈信号（+5V/0V/PS/非PS/屏蔽）。如下。除X4口外，其余各接口厂家会给予现成的接线或者电缆，相对来说比较容易，在此不赘述。

对于X4口，针对驱动器位置/速度/转矩/全闭环/JOG试运行等不同控制模式其X4并行I/O连接是不一样的，在实际焊线接线时首先确定数控进给驱动装置的工作模式，再根据其该模式的功能和实际所需接入相关引脚。

对于本实验台进给轴伺服系统，驱动器是处于位置控制模式下，位置控制模式则是利用上位机的脉冲控制电机运动，其中脉冲数决定电机转动的角度（位移）而脉冲频率决定电机转速。数控机床的进给轴选择该模式，从而实现确定位移量的进给。针对该模式，驱动器的X4口主要信号见下

MINAS-A5驱动器位置模式下主要信号

下面重点介绍位置控制模式（以松下驱动器为例），其控制原理和功能示意图如下

松下MINAS-A5驱动器位置模式功能示意图

由此可看出，其具有指令脉冲输入处理、电子齿轮比、位置指令滤波、脉冲再生、偏差计数器清除（CL）、定位结束输出（INP输出）和指令脉冲禁止功能（INH输入）。根据所需要的功能确定相应引脚进行接线。则驱动器的控制信号接线情况如下：

(1) 位置脉冲模式指令接口

脉冲接线原理说明

(2) 编码器分频输出接口

反馈信号接线原理说明

(3) 驱动器开关量控制信号

驱动器的开关量控制信号分为输入输出部分，可通过外部直流电源或上位机相应外部电源端口供电。

输入信号主要有伺服使能、报警清除、正转禁止、反转禁止、控制模式选择等。输出信号主要包括伺服准备、伺服报警、定位结束等。且不同类型的驱动器其控制信号会有所不同，但是其接线原理是相通的

对于CNC系统来说，驱动器的开关量控制信号由数控系统的PMC开关量控制，即驱动器的输出信号接CNC的输入信号X，CNC经过处理之后由输出信号Y去控制驱动器的输入信号口。

(4) 驱动器位置模式下控制口接线

A5系列控制信号接线 /MS-A系列控制信号接线

对于多进给轴，伺服准备信号应串联接入，如下图3.8所示，当给系统上强电后，上位机会在所有驱动器均“准备好”之后才给驱动器发送使能信号。

伺服准备信号串联

需要注意的是，松下为50针控制口，输入输出信号没有共用端口的现象，信号线可以直接连接。而森创驱动器由于只有25针脚，所以在实际连接时需要通过参数F38（数字输入口定义）和F3a（数字输出口定义）来定义需要接入的输入输出控制信号，具体设置方法可见《森创MS-A系列驱动器说明书》。