双系统数控机床A：总体方案设计

1 概述

我国是机械制造大国，但是我国的机床数控化率偏低。为了提高现有普通机床的精度以及性能，数控改造是很好的途径，这要比购买由数控厂家提供的专用型强的数控机床性价比高,也是提高数控化率的重要方式。

我们对现有二维伺服平台的基础上进行机构以及双系统改造，使其具有车床的部分功能；并且对现有雕铣机的基本本体上进行双系统数控化改造，旨在解决双系统数控铣床和车床数控化过程中，遇到了一些关于数控改造的实际问题。

在数控机床伺服驱动装置方面，由于各个数控厂家以及电机厂商的生产的产品型号不同、接口定义不同、接线方式不尽相同，这就增加当我们选择不同品牌的CNC与电机产品的接线以及调试困难。因此，旨在完成华中数控系统与松下伺服驱动器(MADHT1507E)、森创伺服驱动器等多种伺服驱动器的连接问题，总结出控制器（华中数控系统）与各种不同伺服驱动器电气连接的使用方法，同时完成强电部分的电气柜设计和整体系统的联调实验，并在此基础上完成数控雕铣机的切削加工实验，并对实验结果进行分析、评估和优化。

2 国内外研究现状

目前在我国，进口数控系统中以日本的FANUC公司和德国的SIMENS公司的产品占据主导地位；而国产数控系统以华中数控系统、广州数控系统和凯恩帝数控系统等比较著名。华中数控在高性能数控系统的基础上，为满足市场要求推出“世纪星”系列数控系统（HNC-21T，HNC-21M），这是一款紧凑型数控系统，采用先进的开放式体系结构（内置工业PC机，且包含多种选件），主要适用于数控车、铣床的加工中心的控制。目前在小型数控车床和铣床改造中，该款数控系统较经济适用。

由于在数控系统电气设计部分，不同厂家不同型号的数控系统、伺服系统选型以及产品型号不同等，带来很多实际的问题，且目前没有关于这方面的很好的指导资料，相关资料大多比较分散。目前已有的资料多是仅针对一种数控系统以及伺服系统进行相关介绍，比如合肥工业大学关于教学型综合试验台的研究与开发用的是FANUC-Oi-MATE-C数控系统，而吉林大学基于HNC-21数控实验平台的故障诊断技术研究，在伺服装置方面和本次实验室建设方面均有差异。

目前，交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基于同步电动机的交流伺服系统。目前机床主要采用的是永磁同步交流伺服系统，在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在20世纪80年代中期研制成功了世界上第一台交流伺服驱动器。随后FANUC、三菱、松下等公司先后推出了各自的交流伺服系统，国外的这些产品大都基于异步电动机的。国内在基于异步电机交流伺服系统的研究比较晚。

作为数控机床的重要组成部分的伺服系统，经历了从步进伺服系统到直流伺服系统，再到交流伺服系统的发展过程。其中交流伺服的信号和数控系统接口有三种模式，分别是位置控制模式、速度控制模式和扭矩控制模式。对应不同的工作模式上位机与驱动器之间的信号线的连接方法各不相同。

3 总体方案设计

双系统数控机床中双系统是指CNC以及工控机（加上运动控制卡），现在需要在这基础上加上数控系统，则需要在原有基础上对总体方案进行设计。

在现有机械本体确定的情况下，首先需要确定控制系统类型，再结合实际情况进行硬件选择。且对于本机床，进给轴驱动系统是控制系统的主要部分，因此，在确定硬件配置前需要应该先对其进行分析。

双系统铣床和车床的都是采用在机械本体上进行双系统改造，其中一个是用华中“世纪星”系列数控系统将其改造成普通的教学型数控机床，另一个则是用工控机+运动控制器构成开放式数控系统。其硬件结构如图

数控机床组成（CNC）

数控机床组成（PC+运动控制卡）

双系统数控机床实物

由于是一个机械的电气柜中完成系统切换的过程。考虑到本系统采用半闭环模式，伺服系统相对来说是独立的，所以在实际切换本体上接入的两种不同的控制系统，由于两个控制系统公用一个控制柜，所以只需切换控制柜中进给轴和主轴控制单元以及传感器信号。这种设计方法可以充分利用该机械本体，在一台数控机床左右两侧放置两种控制系统，在后面放置电气柜，其实物图如上。