機床系統的選型與實現

李英碩 李金石

摘 要： 數控機床即數字控制機床，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。數控機床具有高加工精度、高效率的特點，隨著智能化的發展數控機床成為制造業主要設備。本文詳細介紹了數控系統的選型與實現，對數控機床設計具有積極地意義。

關鍵詞： 數控機床;數控系統;選型

1.數控系統的選型

數控系統的配置和功能是數控機床的重要組成部分，配置什么樣的數控系統及選擇哪些數控功能，都是機床生產廠家和最終用戶所關注的問題。市場數控系統主要有FANUC（發那科）、西門子、i5、三菱、廣數等產商，其中發那科和西門子具有占市場份額較大，用戶對其產品認可度較高，因此本文選用日本發那科公司的FANUC 0i Mate-TC數控系統。

1.1 數控系統面板與操作面板

FANUC 0i Mate-TC數控系統的操作面板通常由LCD顯示區、MDI鍵盤區、軟鍵開關區和存儲卡接口組成。操作面板選擇由操作方式選擇鍵、功能選擇鍵、輔助功能鍵、點動和軸選鍵、主軸鍵和其它按鈕開關組成并與FANUC0iMate-TC數控系統相匹配。

1.2 數控系統接口

FANUC 0i Mate-TC數控系統背面接口分布。

（1）FSSB光纜連接線接口[COP10A-1]和[COP10A-2]。

（2）系統出廠時均已連接好的風扇、電池、軟鍵、MDI。

（3）伺服檢測口（CA69）。

（4）電源線一般設有+24V輸入和+24V輸出有兩個接口。

（5）RS232接口用于與電腦通訊，共設有兩個互為備份。

（6）模擬主軸（JA40），使用變頻模擬主軸，主軸信號指令由JA40模擬主軸接口引出，控制主軸轉速。

（7）串行主軸/編碼器接口，采用串行主軸時的控制接口，采用模擬主軸時，此處連接模擬主軸編碼器，反饋主軸轉速。

（8）I/O Link[JD1A]，通過該接口與系統內置PMC的I/O模塊（I/O Link）相連接，實現與系統交換數據。

（9）存儲卡插槽，用于讀寫存儲卡，實現對儲存卡內數據進行輸入/輸出操作，也實現進行DNC加工。

2 主軸控制系統的實現

本文中數控機床由變頻器控制的主軸電機，實現無級調速。即變頻器接收數控系統主軸控制接口發出的指令電壓，經變頻器處理放大后控制主軸電動機的運行，主軸電機控制的原理圖。

3 進給控制系統的實現

采用發那科數控系統后，進給軸驅動系統需要與發那科系統相匹配的交流伺服系統。發那科全數字交流伺服系統，由位置環、速度環和電流環組成。內部應用數字PID算法，具有靈活，柔性好，快速響應和高控制精度的特點。

發那科交流伺服系統分為α、αi系列，β、βi系列，i表示提高增強，α性能優于β。

伺服單元（SVU）輸入三相200V、50HZ的交流電，伺服單元需要串接制動電阻用來消耗掉伺服電機再生能量。伺服單元有α、β、βi系列其中βi系列將主軸模塊，進給模塊，電源模塊做成一體。

伺服模塊（SVM）由直流電源（DC300V）作為輸出電源，可將伺服電機產生的再生能量直接回饋電網。αi系列伺服模塊與與α系列伺服模塊相比用光纜代替了電纜的連接，保證傳輸的速度和可靠性，降低了故障率;模塊間的數據的傳遞上αi系列模塊通過CX2A/CX2B串行數據傳遞信息，替代了原有信號電纜JX1A/JX1B代碼傳遞。伺服模塊及伺服電機的配置，αi在性能質量、跟隨性都要高于βi系列。αi適合模具等多曲面加工，βi適合常規加工。

3.1 光電編碼器

光電編碼器是一種回轉式數字測量元件，裝設于電機轉軸上，碼盤隨電機軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式傳遞至驅動器，以便驅動器控制電機運行。數控機床大多采用增量式光電編碼器。

3.2 伺服系統電氣控制原理

本文數控機床進給系統采用FANUC公司βis伺服驅動系統，其具有如下特點：

（1）采用三相AC 200V-240V寬電壓供電。

（2）具有智能電源管理模塊，若發生故障和緊急情況時，快速處罰急停鏈，斷開電源，確保安全。

（3）通過FSSB光纜傳輸伺服系統的控制信號及位置、速度等信號，抗干擾能力強。

伺服驅動器與供電電源的連接，兩伺服驅動器之間的連接、伺服電動機與其驅動器與連接，數控系統與伺服驅動器的連接。伺服驅動器的相關接口如下：

（1）CZ4接口為三相交流200-240V電源輸入口。

（2）CZ5接口為伺服驅動器與伺服電機的電源口。

（3）CZ6與CX20為制動電阻的兩個接口，若不裝設制動電阻須將CZ6及CX20短接，否則，驅動器報警信號觸發，不能正常工作，建議必須連接放電電阻。

（4） CX29接口為驅動器內部繼電器一對常開端子，驅動器與CNC正常連接后，即CNC檢測到驅動器且驅動器沒有報警信號觸發，CNC使能信號通知驅動器，驅動器內部信號使繼電器吸合，從而使外部電磁接觸器線圈得電，給放大器提供工作電源。

（5）CX30接口為急停信號接口，短接此接口1和3腳，急停信號由I/O給出。

（6）CX19B為驅動器24V電源接口，為驅動器提供直流工作電源，第二個驅動器與第一個驅動器由CX19A到CX19B具體接線詳見電氣原理圖。

（7）COP10A接口，數控系統與第一級驅動器之間或第一級驅動器和第二級驅動器之間用光纜傳輸速度指令及位置信號，信號總是從上一級的COP10A接口到下一級的COP10B接口。

（8）JF1為伺服電機編碼器反饋接口。

結論

本文介紹了數控機床系統的選型以及其面板功能和基本接口，描述了主軸控制基本原理以及進給系統的實現方式，為數控機床的設計有參考意義。

參考文獻

[1]王同慶.淺談數控機床電氣故障的分析與診斷[J].科技信息.2011（11）.

[2]蔡厚道，楊家興.數控機床構造[M].北京：北京理工大學出版社，2010.7.