於紅梅

(湖北科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

鑒于目前FANUC數(shù)控系統(tǒng)在市場上占有一定的比例，掌握FANUC數(shù)控技術(shù)有利于維護(hù)企業(yè)的正常生產(chǎn)，因此，有必要研究建立一個基于現(xiàn)有FANUC數(shù)控系統(tǒng)的向用戶開放的集培訓(xùn)、二次開發(fā)于一體的系統(tǒng)，以解決企業(yè)實際生產(chǎn)中遇到的問題和數(shù)控技術(shù)人員技術(shù)培訓(xùn)問題．

1 故障診斷培訓(xùn)裝置設(shè)計時應(yīng)考慮的問題

1.1 滿足相關(guān)培訓(xùn)要求

能進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的硬件連接，以熟練掌握FANUC數(shù)控系統(tǒng)的硬件接口及通訊方式；能進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的功能參數(shù)設(shè)置和備份，以了解FANUC數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)的含義、系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份的方法；通過該裝置可以進(jìn)行機(jī)械部分的安裝調(diào)試和電氣部分的安裝調(diào)試，進(jìn)一步理解數(shù)控系統(tǒng)控制功能的實現(xiàn)；能進(jìn)行典型故障分析與診斷．

1.2 采取開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計

有良好的人機(jī)交互性能，通過該裝置能直觀地了解數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各模塊連接關(guān)系等，且方便裝拆，所使用的各電氣元件及數(shù)控系統(tǒng)均與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場情景一致．

1.3 考慮安全性的設(shè)計原則

既要保證培訓(xùn)人員操作時的安全性，又要能保護(hù)到裝置中元器件的安全．

2 培訓(xùn)裝置總體設(shè)計方案

為滿足培訓(xùn)功能的要求，本裝置總體結(jié)構(gòu)考慮由數(shù)控控制臺、數(shù)控系統(tǒng)、PMC單元、伺服進(jìn)給單元、機(jī)床控制電路、PMC練習(xí)模塊等組成．各進(jìn)給軸由伺服電機(jī)控制；主軸由變頻器控制；刀架采用4工位或6工位電動刀架，可實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試、參數(shù)設(shè)置、伺服性能優(yōu)化、數(shù)據(jù)備份、PMC編程、故障診斷與維修等多項技能的學(xué)習(xí)；可配置十字滑臺滿足數(shù)控機(jī)床機(jī)電聯(lián)調(diào)等技能訓(xùn)練．

根據(jù)控制類型的不同，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)可以分為兩部分：控制伺服電動機(jī)與主軸電動機(jī)動作的系統(tǒng)部分，以及控制輔助電氣部分的PMC部分[1]．

本裝置設(shè)計包括以下部分：數(shù)控系統(tǒng)部分的建立，包括系統(tǒng)選型、主軸控制系統(tǒng)的構(gòu)建、伺服系統(tǒng)的構(gòu)建等；PMC控制系統(tǒng)設(shè)計，包括PMC選型、系統(tǒng)外圍設(shè)備的選用、I/O link連接及地址規(guī)劃．設(shè)計思路如下．

1)CNC系統(tǒng)選型：選擇FS 0i mate -TD CNC 系統(tǒng)．

2)主軸控制系統(tǒng)構(gòu)建：選擇主軸控制方式，以及相應(yīng)的其他硬件配置．

3)進(jìn)給伺服系統(tǒng)構(gòu)建：選擇進(jìn)給伺服電機(jī)和伺服放大器及其他硬件配置．

4)I/O地址規(guī)劃：根據(jù)培訓(xùn)輔助裝置及PMC控制要求規(guī)劃I/O 接口信號地址．

5)PMC程序設(shè)計及參數(shù)設(shè)置．

總體設(shè)計流程如圖1所示．

圖 1 總體設(shè)計流程

3 FANUC 0i -D數(shù)控系統(tǒng)培訓(xùn)裝置的硬件構(gòu)成及功能實現(xiàn)

0i系統(tǒng)是普及型車床最常用的數(shù)控系統(tǒng)，0i-D是其最新版本，0i mate-TD是FANUC公司已經(jīng)將系統(tǒng)的功能進(jìn)行優(yōu)化組合的系統(tǒng)，功能較0i-D系統(tǒng)少，其用于兩軸聯(lián)動的數(shù)控培訓(xùn)裝置非常適合．FANUC 0i-D 數(shù)控系統(tǒng)培訓(xùn)裝置的硬件構(gòu)成及功能實現(xiàn)如下．

3.1 CNC 控制器

它由CPU卡、數(shù)字伺服軸控制卡、存儲器、LCD 單元、MDI 單元、主板單元等組成．主板包括CPU外圍電路、數(shù)字主軸電路、模擬主軸電路、I/OLink、閃存卡接口電路、MDI接口電路、RS232C數(shù)據(jù)輸入輸出電路、高速輸入信號等．?dāng)?shù)字伺服軸控制卡是支撐伺服軟件運行的硬件環(huán)境，其主要作用是對速度和位置的控制[2]．

3.2 主軸驅(qū)動單元和主軸電動機(jī)

這部分主要是建立主軸控制系統(tǒng)．FANUC的主軸控制單元有兩種控制信號，一是數(shù)字信號，二是模擬信號．在主板單元上對應(yīng)有兩種通訊接口——串行主軸接口和模擬主軸接口．主軸控制系統(tǒng)的構(gòu)建可以采用兩種方式，一是通過模擬信號控制主軸，稱為模擬主軸，另一是通過數(shù)字信號控制主軸，稱為串行主軸．如果采用數(shù)字信號控制主軸運動，則需選擇配套的FANUC主軸放大器；如果采用模擬信號控制主軸運動，則可以自行選擇變頻器．即主軸控制如果采用機(jī)床廠家選擇的變頻器作為主軸控制，而不使用FANUC的主軸放大器，可以選擇模擬主軸接口．系統(tǒng)向外部提供0～10 V模擬電壓．無論采用何種控制方法，主軸的位置控制都需接編碼器．

本培訓(xùn)裝置采用變頻控制方式實現(xiàn)主軸控制．模擬主軸的控制對象是系統(tǒng)JA40 口輸出-10～ 10 V 的電壓給變頻器，從而控制主軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速．從滿足培訓(xùn)要求和從性價比角度考慮，主軸電動機(jī)采用βiI伺服電動機(jī)．通過本部分的設(shè)計，可實現(xiàn)主軸變頻調(diào)速控制、主軸故障診斷與維修、主軸參數(shù)設(shè)置等培訓(xùn)功能．

3.3 伺服驅(qū)動單元和進(jìn)給伺服電動機(jī)

這部分主要是建立伺服控制系統(tǒng)．進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制機(jī)床各軸的運動，各進(jìn)給軸的伺服控制要求相互獨立，且傳動鏈最短，以減少機(jī)械傳動誤差．FANUC伺服驅(qū)動部分從硬件結(jié)構(gòu)上分，主要有下面四個組成部分：數(shù)字伺服軸控制卡、伺服放大器、伺服電機(jī)和反饋裝置．伺服系統(tǒng)控制信號的傳遞路線為：由軸卡的接口COP10A輸出脈寬調(diào)制指令，通過FSSB (Fanuc Serial Servo Bus)串行伺服總線光纜與伺服放大器的接口COP10B相連，伺服放大器將信號整形放大后，通過動力線輸出驅(qū)動電流到伺服電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動后，同軸的編碼器將速度和位置反饋到FSSB總線上，最終回到軸卡上進(jìn)行處理，從而完成速度控制與位置控制．

FANUC 0i-D系統(tǒng)的伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)都是配套使用，伺服驅(qū)動單元通過FSSB與系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可配βi 系列伺服放大器，或者是αi系列伺服放大器，電機(jī)采用的是交流伺服電機(jī)．

本培訓(xùn)裝置采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，既能了解數(shù)控伺服控制系統(tǒng)的工作原理，形成由檢測元件和反饋裝置構(gòu)成的控制回路，又能夠進(jìn)行各項技術(shù)的學(xué)習(xí)．伺服控制系統(tǒng)的建立，主要考慮能夠方便地開展諸如伺服系統(tǒng)的控制原理、元器件的選擇、伺服系統(tǒng)連接與調(diào)試、相關(guān)參數(shù)設(shè)置與調(diào)整、伺服系統(tǒng)故障診斷與分析的培訓(xùn)項目等．

3.4 PMC控制器和I/O模塊

這部分主要是實現(xiàn)培訓(xùn)裝置模擬數(shù)控機(jī)床的輔助控制功能，如機(jī)床操作面板控制、換刀控制等[3]．FANUC PMC采用內(nèi)置方式，其工作原理與其他自動化設(shè)備的PLC工作原理相同，通過高速串行電纜(I/O link)連接系統(tǒng)與從屬I/O接口設(shè)備，也可連接βi 伺服放大器和伺服電動機(jī)用于外部機(jī)械的驅(qū)動與控制以實現(xiàn)輸入輸出信號的控制[4]．本裝置可配置機(jī)床操作面板、普通的0i D系列I/O單元等I/O模塊．PMC控制系統(tǒng)建立后可開展I/O模塊連接與信號地址分配練習(xí)、PLC編程與調(diào)試、機(jī)床故障診斷分析等培訓(xùn)項目．

3.5 信息的輸入/輸出設(shè)備

本裝置根據(jù)需要配置電腦、鍵盤、存儲卡、專用信息設(shè)備等信息輸入/輸出設(shè)備．

3.6 網(wǎng)絡(luò)

通過RS-232C或者是以太網(wǎng)，可以將培訓(xùn)裝置與計算機(jī)連接，以實現(xiàn)對PMC接口狀態(tài)進(jìn)行在

線診斷、編輯和修改梯形圖．

基于以上系統(tǒng)組成，在本裝置上能夠進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的連接與調(diào)試、故障診斷與分析等培訓(xùn)項目的開展，進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用模擬數(shù)控車床對X、Z軸運動的十字滑臺，需獨立分別構(gòu)建伺服驅(qū)動系統(tǒng)以實現(xiàn)對兩軸運動的控制．培訓(xùn)裝置硬件配置如圖2所示．

圖 2 培訓(xùn)裝置硬件配置

[1] 何宏欣.淺談FANUC系統(tǒng)的使用心得[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2003(4)：68-69．

[2] 朱仕學(xué).伺服系統(tǒng)HRV控制對數(shù)控機(jī)床加工精度影響的研究[J].機(jī)床與液壓，2010(2)：19-22

[3] 夏燕蘭. PLC 在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的應(yīng)用[J]. 電加工與模具,2008(5)：77-79

[4] 寧朝陽，劉瑞已.FANUC系統(tǒng)i系列中HRV控制的作用與調(diào)整方法[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2011(3)：162-164