基于FANUC 0i TF的數控系統硬件連接

劉 婷

(江蘇聯合職業技術學院鎮江分院 機電工程系，江蘇 鎮江 212016)

數控機床是數字化信息控制機床(Computer Numerical Control Machine Tools)的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床[1]12-13。數控機床基本組成結構一致，主要由機床主體、數控系統、輔助控制裝置、主軸傳動系統、進給軸傳動系統組成。機床主體包括床身、進給軸機械結構、主軸機械結構、主軸箱等機械部件。輔助控制裝置介于數控系統和機械部件之間，包括液壓氣動系統、冷卻系統、潤滑系統等。主軸傳動系統、進給軸傳動系統用于連接電動機與機床運動部件，拖動運動部件按照程序要求運動，完成轉動、直線或曲面的加工。數控系統，即計算機數字化控制(Computerized Numerical Control，CNC)系統，是利用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統[2]。主流品牌，如日本的FANUC，三菱，德國的西門子，中國的華中數控等，具有可靠性高、通用性強、可與計算機通信等特點。

我國機械制造業發展迅速，數控機床的使用率越來越高。數控系統的安裝、調試、維修是機床維修技術人員必須具備的基本技能。

1 模塊功能、接口含義及故障維修

數控系統的硬件由數控裝置、可編程機床控制器(Programmer Machine Control，PMC)、輸入/輸出裝置、驅動裝置、測量檢測裝置等組成，通過輸入/輸出接口連接并通信。數控機床基本組成結構如圖1所示。

圖1 數控機床的基本組成結構

1.1 數控裝置

數控裝置是數控系統的核心，根據加工程序規劃運行軌跡，輸出控制指令到執行元件，處理其他輸入/輸出信號，具有加工程序仿真、以太網、伺服多通道控制、參數設定誤操作防止等功能[3]7-17。FANUC數控裝置分為3類。16i/18i/21i-MODEL B系列是功能強大的高速高精度納米級的CNC，適用于標準的加工中心和機床；30i/31i/32i-MODEL A是高速高精度復合型多軸多系統控制的納米級CNC，適用于5軸加工機、復合加工機、多軸多路徑的尖端機床；0i/0i Mate-MODEL D系列是高可靠性高性價比的緊湊型CNC，可以滿足大部分5軸以內數控機床的控制要求，2016年推出的0i/0i Mate-MODEL F系列實現了系統與主軸的光纜連接。

CNC控制器由主CPU，內置PMC，伺服軸卡、存儲器、外圍電路組成。CNC操作區分為MDI(Multiple Document Interface)鍵盤、軟鍵開關、LCD顯示屏、外接存儲器接口。數控裝置對外接口及含義如表1所示。

表1 數控裝置接口及含義

1.2 I/O單元

I/O單元連接內裝PMC軟件與外圍設備(行程開關、電磁閥、壓力開關)。FANUC 0i-F系列I/O單元采用4個50芯插座連接方式[3]7-17，有96位輸入點Xm+0.0～Xm+11.7和64位輸出點Yn+0.0～Yn+7.7。I/O單元接口及含義如表2所示。

表2 I/O單元接口及含義

1.3 驅動裝置與執行裝置

如果CNC裝置為FANUC數控裝置，那么進給驅動系統必須是FANUC配套的數字交流伺服系統，采用數字PID算法。FANUC公司的伺服驅動器分為αi和βi兩個系列，αi系列的性能優于βi系列，但外圍電路連接基本相同。配套的進給伺服電動機也分為αi和βi兩個系列，自帶光電編碼器，可以實現系統的半閉環控制。本文伺服驅動系統選取βiSV20單軸獨立型交流伺服驅動器、βiS4/4000伺服電動機。表3為βiSV20單軸獨立型交流伺服驅動器接口及含義。

表3 βiSV20單軸獨立型交流伺服驅動器接口及含義

βiSV20采用電源與驅動器一體化結構，全數字正弦波PWM控制、IPM智能功率模塊，廣泛應用于數控車床、數控銑床伺服軸的定位控制[4]。輸入電源為交流三相220 V電。具有自檢功能，機床上電后，CNC裝置檢測到驅動器沒有報警信號，驅動器內部固態繼電器吸合，通過CX29與外部電磁接觸器線圈連接，使外部電磁接觸器線圈得電，驅動器獲得工作電源。帶有急停接口CX30，碰到緊急情況時，按下急停按鈕，立刻斷開伺服電源，保證系統的安全性。CNC裝置與伺服驅動器通過FSSB總線連接，接口為COP10A/B，傳輸速度快，不易受外界干擾。電動機的編碼器為串行編碼器信號，通過JF1接口與伺服驅動器連接，實現信號的反饋。

1.4 模擬主軸系統

模擬主軸，即由模擬電壓信號控制的主軸驅動系統，又名變頻主軸，由變頻器和三相異步電動機組成。變頻器接受數控裝置的主軸控制模擬電壓，根據控制要求處理電源的頻率和電壓，從而控制電機的轉速。主軸驅動器選用三菱FR-D740-3.7K-CHT變頻器，額定功率3.7 kW，額定電流8.0 A，1 Hz時150%轉矩輸出，帶有安全停止功能。主軸電動機采用YS-5034型三相異步電動機，通過同步帶輪與主軸編碼器連接，用于檢測主軸轉速。三菱D740變頻器接口及含義如表4所示。

表4 三菱D740變頻器接口及含義

2 硬件連接

基于FANUC 0i TF系統的數控機床，數控系統各模塊分別選用0i TF數控裝置、0i TF專用I/O裝置、2臺βiSV20單軸獨立型交流伺服驅動器、2臺βiS4/4000伺服電動機。主軸驅動器選用三菱FR-D740-3.7K-CHT變頻器，主軸電動機采用YS-5034型三相異步電動機。操作面板采用山森數控的CNC-OIMAH，實物如圖2所示。

圖2 CNC-OIMAH操作面板

1)FSSB總線。FANUC的伺服串行總線采用光纖通信[5]132-135。如圖3所示，FSSB總線從數控系統的COP10A連接到伺服驅動器的COP10B，負責傳遞伺服軸卡與伺服放大器之間的通信數據。FANUC數控系統的接口連接遵循從A到B的規律，A為信號輸出，B為信號輸入。

圖3 FSSB總線連接圖

2)I/O模塊的連接。機床操作面板的開關按鈕、機床指示燈、操作面板LED燈、機床上的限位開關均通過I/O模塊采集輸入信息和傳遞輸出信息。I/O Link總線是高速串行電纜，是FANUC的專用I/O總線，連接CNC控制器與從屬I/O設備[3]7-17。如圖4所示，I/O Link總線從數控裝置的JD51A連接到I/O模塊的JD1B，信號雙向傳遞。機床接口插座根據按鈕、指示燈選用的地址和個數選擇與操作面板的連接，并與電氣控制系統上的一組I/O分線器連接，控制機床的部分功能。JA3與操作面板的手搖脈沖發生器連接。

圖4 I/O模塊的連接示意圖

3)伺服放大器與伺服電動機的連接。如圖5所示，從伺服驅動器的U/V/W端連接到電動機的動力線接口，從伺服電動機的脈沖編碼器信號接口連接到伺服驅動器的JF1，傳遞電動機的轉角與轉速信息，構成半閉環控制系統。

圖5 伺服放大器與伺服電動機的連接圖

4)模擬主軸系統的連接。如圖6所示，變頻器L1/L2/L3端口接收電氣回路的3～380 V交流電作為原始電，變頻后由U/V/W接口傳遞給電動機。變頻器的2/5接口與數控裝置JA40接口連接，傳遞模擬電壓控制信號。三相異步電動機連接脈沖編碼器，檢測電動機轉速，通過與數控裝置的JA41連接，傳遞反饋信息[6]。

圖6 模擬主軸系統的連接

綜上所述，FANUC 0i-TF系統綜合接線圖如圖7所示。其中，數控裝置上CP1接入直流24 V電，CA122與軟鍵按鈕連接，JA2連接MDI鍵盤，JD36A/B通過RS232連接線、CD38A通過以太網與計算機通信。變頻器的STF，STR分別與主軸正轉中間繼電器、反轉中間繼電器的常開觸點相連，B/C直接連接變頻器的報警信號。伺服驅動器上的CXA19A/B連接電氣控制回路的直流24 V電，為驅動器的工作提供電源，DCC/DCP和CXA20接在同一個電阻模塊上。

圖7 FANUC 0i-TF系統綜合接線圖

4 結束語

數控機床是機電一體化設備，數控系統的裝調與維修是技術人員必備的技能。數控系統的硬件連接必須根據該機床的具體技術要求進行設計，選用適合的主軸伺服系統和進給軸伺服系統裝置。硬件連接導致的故障，根據報警信息和故障現象便可判斷故障位置。硬件連接要多試驗，積累經驗。