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摘 要：阐述了基于华中HNC-21系统的数控综合实验台的设计思想，对电源配置、CNC装置、伺服驱动系统、机构演示工作台、电动刀架、I/O端子板等部分进行了详细设计，并在此基础上设计了基于该实验台的实验项目。
关键词：HNC-21系统 数控维修 实验装置
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-020-02
1 引言
数控机床在汽车工业、航空航天工业、模具等行业已广泛应用。当机床出现问题后，需要尽快排除故障，这就需要大量掌握数控机床故障诊断与维修的人才。然而数控机床故障诊断与维修具有工种的复合性，人员素质的综合性，技术含量的高科技性等特点。企业用于生产的数控机床不可能作为维修培训、实验装置。同时，用于生产的数控机床缺乏实验、培训设备的开放性、灵活性，因此开发数控维修培训及实验设备对于培养数控维修人才具有重要意义。
2 数控综合实验平台设计
实验平台的设计思路是建立在普通数控车床的基础之上，控制系统选用华中HNC-21T数控系统，配以变频器和三相异步电机构成主轴驱动系统，交流伺服和交流伺服电机构成进给伺服驱动系统，步进电机驱动器和步进电机构成进给步进驱动系统。如图1所示，该实验平台包括电源、CNC装置、机构演示工作台、各实验模块等主要部分。可以实现数控车床的功能，可用于数控编程、操作、加工实习，更重要的是，它采用了模块化设计，具有良好的开放性，可以用于数控机床调试、维修实验、实训及考核等。
2.1 电源配置
如图2所示是本实验平台的电源配置，图中各元器件安装在试验台的电气控制柜内部，控制柜外部留有接线端子，便于外部使用接线，适合进行数控机床电气安装调试的实验和实训。
2.2 CNC装置
本实验平台的控制系统采用华中世纪星HNC-21系列数控系统，具体型号为 HNC-21TF-08-F08，该系统采用先进的开放式体系结构。内置嵌入式工业PC，配置彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成全功能进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体。采用电子盘程序存储方式并配有软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。
2.3伺服驱动系统
伺服驱动系统分主轴伺服驱动和进给伺服驱动，分别用来控制主轴运动和进给运动。由于数控车床为二轴（X、Z轴）联动数控机床，为满足数控维修实训的需要，本实验平台采用步进驱动系统和交流伺服驱动系统分别控制X轴和Z轴的运动，采用变频主轴单元控制主轴的运动。
(1)步进驱动单元
步进驱动器采用深圳雷塞M535细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。配套的步进电机选用雷塞57HS13步进电机与之搭配构成X轴方向的进给控制系统。
(2)交流伺服驱动单元
交流伺服采用SANYO Q系列的QS1A01AA0M601P00，提供位置控制、速度控制、转矩控制三种控制方式。QS1A01AA0M601P00为三相220V输入，输入电流为2.5A，输出电流为2.2A。伺服电机采用SANYO P50B05020DXS00伺服电机构成Z方向的进给控制系统。
(3)变频主轴单元
变频主轴采用日立SJ100-007HFE变频器。该变频器采用正弦波脉宽调制控制，额定容量1.9KVA，额定输入电压三相交流380V，额定输出电流2.5A，输出频率范围1~360Hz，适应电机容量0.75KW。主轴电机采用Y系列三相异步电机Y801-4B5，0.55KW。
2.4 机构演示工作台
机构演示工作台集成了雷塞57HS13四相混合式步进电机，SANYO P50B05020DXS00交流伺服电机，光栅尺，笔架。机械部分采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。X轴执行装置采用四相混合式步进电机，步进电机没有传感器，不需要反馈，用于实现开环控制。Z轴执行装置采用交流伺服电机，交流伺服和交流伺服电机组成一个速度闭环控制系统。安装在交流伺服电机轴上的增量式码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，可构成一个位置半闭环控制系统，也可以用安装在十字工作台上的光栅尺直接测量机械部分移动距离，构成一个位置全闭环控制系统。
2.5 电动刀架
实验平台的电动刀架采用常州亚兴LDB4-0625四工位电动刀架，其电气控制分强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反向旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作，本实验台刀架电机的功率为90W，转速为1300r/min。弱电部分主要由位置传感器—发讯盘构成，发讯盘采用霍尔传感器发讯。
2.6 I/O端子板
在数控机床的常见故障中，机床侧的故障率较高，为了便于检测机床侧的故障，在本实验平台上设计了I/O端子板， I/O端子板分为输入端子板和输出端子板两种，通常作为HNC-21数控装置XS10、XS11、S20、XS21接口的转接单元使用。其中输入端子板含20位开关量输入端子，输出端子板含16位开关量输出端子及急停与超程端子。端子板方便了接线及测量信号状态，便于查找机床故障原因。
3实验项目设计
数控综合实验台建立了基于华中HNC-21数控系统的平台，可用于数控原理和数控维修实验教学使用，它可以开设如下实验项目：
(1)数控机床结构认识实验；
(2)数控编程、数控机床操作、数控加工演示实验；
(3)数控系统硬件连接与调试实验；
(4)数控系统参数设置与调整实验；
(5)步进电机调试及故障设置实验；
(6)交流伺服系统调整及使用实验；
(7)变频调速系统调整及使用实验；
(8)标准（PLC）的修改与调试实验；
(9)PLC编程与调试实验；
(10)数控机床位置精度测试与补偿实验；
(11)全闭环实现实验。
4 结论
基于华中HNC-21系统的数控综合实验台具有模块化、开放性结构，功能多、实践性强，扩展性好，安全性高等特点，该实验平台极大地丰富了数控实验教学条件，为学生学习数控结构及原理、数控机床操作、数控机床故障诊断与维修等课程提供了较好的实验设备，对提高学生学习的积极性，以及实践动手能力有重要的意义，同时也为教师和技术人员进一步研究华中数控系统提供了良好的科研平台。
参考文献：
[1] 刘树青,周明虎.基于FANUC 0i Mate-C系统的数控综合实验平台开发[J].实验科学与技术,2009,7(5):14-16.
[2] 孙海亮.数控电气控制基础及实训[M].武汉:华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,2007.
[3] 罗晓明,章力,张超凡.数控机床故障诊断及维护[M].南京:南京大学出版社,2011.
关键词：HNC-21系统 数控维修 实验装置
中图分类号：TG5 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）001-020-02
1 引言
数控机床在汽车工业、航空航天工业、模具等行业已广泛应用。当机床出现问题后，需要尽快排除故障，这就需要大量掌握数控机床故障诊断与维修的人才。然而数控机床故障诊断与维修具有工种的复合性，人员素质的综合性，技术含量的高科技性等特点。企业用于生产的数控机床不可能作为维修培训、实验装置。同时，用于生产的数控机床缺乏实验、培训设备的开放性、灵活性，因此开发数控维修培训及实验设备对于培养数控维修人才具有重要意义。
2 数控综合实验平台设计
实验平台的设计思路是建立在普通数控车床的基础之上，控制系统选用华中HNC-21T数控系统，配以变频器和三相异步电机构成主轴驱动系统，交流伺服和交流伺服电机构成进给伺服驱动系统，步进电机驱动器和步进电机构成进给步进驱动系统。如图1所示，该实验平台包括电源、CNC装置、机构演示工作台、各实验模块等主要部分。可以实现数控车床的功能，可用于数控编程、操作、加工实习，更重要的是，它采用了模块化设计，具有良好的开放性，可以用于数控机床调试、维修实验、实训及考核等。
2.1 电源配置
如图2所示是本实验平台的电源配置，图中各元器件安装在试验台的电气控制柜内部，控制柜外部留有接线端子，便于外部使用接线，适合进行数控机床电气安装调试的实验和实训。
2.2 CNC装置
本实验平台的控制系统采用华中世纪星HNC-21系列数控系统，具体型号为 HNC-21TF-08-F08，该系统采用先进的开放式体系结构。内置嵌入式工业PC，配置彩色液晶显示屏和通用工程面板，集成全功能进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口于一体。采用电子盘程序存储方式并配有软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有低价格、高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高等特点。
2.3伺服驱动系统
伺服驱动系统分主轴伺服驱动和进给伺服驱动，分别用来控制主轴运动和进给运动。由于数控车床为二轴（X、Z轴）联动数控机床，为满足数控维修实训的需要，本实验平台采用步进驱动系统和交流伺服驱动系统分别控制X轴和Z轴的运动，采用变频主轴单元控制主轴的运动。
(1)步进驱动单元
步进驱动器采用深圳雷塞M535细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。配套的步进电机选用雷塞57HS13步进电机与之搭配构成X轴方向的进给控制系统。
(2)交流伺服驱动单元
交流伺服采用SANYO Q系列的QS1A01AA0M601P00，提供位置控制、速度控制、转矩控制三种控制方式。QS1A01AA0M601P00为三相220V输入，输入电流为2.5A，输出电流为2.2A。伺服电机采用SANYO P50B05020DXS00伺服电机构成Z方向的进给控制系统。
(3)变频主轴单元
变频主轴采用日立SJ100-007HFE变频器。该变频器采用正弦波脉宽调制控制，额定容量1.9KVA，额定输入电压三相交流380V，额定输出电流2.5A，输出频率范围1~360Hz，适应电机容量0.75KW。主轴电机采用Y系列三相异步电机Y801-4B5，0.55KW。
2.4 机构演示工作台
机构演示工作台集成了雷塞57HS13四相混合式步进电机，SANYO P50B05020DXS00交流伺服电机，光栅尺，笔架。机械部分采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。X轴执行装置采用四相混合式步进电机，步进电机没有传感器，不需要反馈，用于实现开环控制。Z轴执行装置采用交流伺服电机，交流伺服和交流伺服电机组成一个速度闭环控制系统。安装在交流伺服电机轴上的增量式码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，可构成一个位置半闭环控制系统，也可以用安装在十字工作台上的光栅尺直接测量机械部分移动距离，构成一个位置全闭环控制系统。
2.5 电动刀架
实验平台的电动刀架采用常州亚兴LDB4-0625四工位电动刀架，其电气控制分强电和弱电两部分，强电部分由三相电源驱动三相交流异步电动机正、反向旋转，从而实现电动刀架的松开、转位、锁紧等动作，本实验台刀架电机的功率为90W，转速为1300r/min。弱电部分主要由位置传感器—发讯盘构成，发讯盘采用霍尔传感器发讯。
2.6 I/O端子板
在数控机床的常见故障中，机床侧的故障率较高，为了便于检测机床侧的故障，在本实验平台上设计了I/O端子板， I/O端子板分为输入端子板和输出端子板两种，通常作为HNC-21数控装置XS10、XS11、S20、XS21接口的转接单元使用。其中输入端子板含20位开关量输入端子，输出端子板含16位开关量输出端子及急停与超程端子。端子板方便了接线及测量信号状态，便于查找机床故障原因。
3实验项目设计
数控综合实验台建立了基于华中HNC-21数控系统的平台，可用于数控原理和数控维修实验教学使用，它可以开设如下实验项目：
(1)数控机床结构认识实验；
(2)数控编程、数控机床操作、数控加工演示实验；
(3)数控系统硬件连接与调试实验；
(4)数控系统参数设置与调整实验；
(5)步进电机调试及故障设置实验；
(6)交流伺服系统调整及使用实验；
(7)变频调速系统调整及使用实验；
(8)标准（PLC）的修改与调试实验；
(9)PLC编程与调试实验；
(10)数控机床位置精度测试与补偿实验；
(11)全闭环实现实验。
4 结论
基于华中HNC-21系统的数控综合实验台具有模块化、开放性结构，功能多、实践性强，扩展性好，安全性高等特点，该实验平台极大地丰富了数控实验教学条件，为学生学习数控结构及原理、数控机床操作、数控机床故障诊断与维修等课程提供了较好的实验设备，对提高学生学习的积极性，以及实践动手能力有重要的意义，同时也为教师和技术人员进一步研究华中数控系统提供了良好的科研平台。
参考文献：
[1] 刘树青,周明虎.基于FANUC 0i Mate-C系统的数控综合实验平台开发[J].实验科学与技术,2009,7(5):14-16.
[2] 孙海亮.数控电气控制基础及实训[M].武汉:华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,2007.
[3] 罗晓明,章力,张超凡.数控机床故障诊断及维护[M].南京:南京大学出版社,2011.