基于FANUC 0i 數控系統的硬件模擬及實物連接訓練單元設計

任 重，言 帆

（長江工程職業技術學院，湖北 武漢，430212）

FANUC 0i 數控系統機床控制部分由CNC 系統、I/O 模塊、電源模塊、伺服放大器、伺服電機等多個硬件組成。為使機床能夠正常工作，各硬件接口之間必須保證連接正確。因此，硬件連接訓練是數控機床裝配調試與維修專業方向實訓的第一個重要環節[1]。

1 問題的提出

FANUC 0i 數控系統機床的伺服放大器有αi和βi 伺服放大器兩個系列，主軸控制方式也分模擬主軸和串行主軸兩種方式，將其綜合起來共有5種硬件連接形式，包括CNC 系統在內共14 種硬件。如果僅是進行硬件連接訓練而將這14 種硬件全部購置齊全，且要滿足單個班級學生同時訓練就需要多套，則設備購置成本太高，造成極大的設備閑置與浪費。而且，從實訓教學的角度，如果學生在不了解數控機床硬件連接各接口情況下，貿然去進行實物硬件連接訓練，實訓教學效果將大打折扣。

另外，在進行硬件實物連接過程中需要經常插拔硬件接口連接器以實現不同的硬件組合形式，長此以往會引起接口器件老化、接觸不良等問題，引發設備故障和安全隱患。

2 解決問題的方法

采取模塊化的設計理念，將硬件連接訓練劃分為單個工位硬件模擬連接訓練單元和公共實物硬件延長線對接驗證兩個部分。即整個實訓中心僅購置一套完整的公共實物硬件，學生首先在單個工位進行硬件模擬連接訓練，最后再通過接口延長線的方式將各公共硬件之間及與電氣柜之間連接到位，即硬件實物連接，達到驗證訓練結果的目的。

2.1 單個工位硬件模擬連接的設計

根據FANUC 0i 數控系統硬件選型和連接原理圖，分別在每個硬件需要連接的接口位置設置模擬連接插口。學生可以用連接線在各模擬連接插口之間模擬硬件連接的過程，熟悉各硬件接口的位置和連接關系。圖1 為FANUC 0i 數控系統硬件連接示意圖[2]，圖2 為Fanuc 0i-TF 數控車床βi系列雙體型伺服放大器模擬主軸連接形式的原理圖[3]。

2.1.1 Fanuc 0i 數控系統硬件的連接形式

2.1.1.1 Fanuc 0i-TF 數控車床αi 系列伺服放大器（兩種連接形式）

（1）串行主軸（一體型伺服放大器）

硬件組成：操作面板—CNC 系統—I/O 模塊—電源模塊PSM—主軸放大器SPM—伺服放大器SVM（一體型伺服放大器）—主軸伺服電機—進給伺服電機（X 軸）—進給伺服電機（Z 軸）

（2）模擬主軸（變頻器）

硬件組成：操作面板—CNC 系統—I/O 模塊—電源模塊PSM—變頻器—伺服放大器SVM（一體型伺服放大器）—主軸電機（普通三相電機）—脈沖編碼器—進給伺服電機（X 軸）—進給伺服電機（Z 軸）

2.1.1.2 Fanuc 0i-TF 數控系統βi 伺服放大器（三種連接形式）

（1）串行主軸（一體型伺服放大器）

硬件組成：操作面板—CNC 系統—I/O 模塊—伺服放大器SVPM（一體型伺服放大器）—主軸伺服電機—進給伺服電機（X 軸）—進給伺服電機（Z軸）

（2）模擬主軸（單體型伺服放大器，變頻器）

硬件組成：操作面板—CNC 系統—I/O 模塊—變頻器—伺服放大器SVM（X 軸單軸控制）—伺服放大器SVM（Z 軸單軸控制）—主軸電機（普通三相電機）—脈沖編碼器—進給伺服電機（X 軸）—進給伺服電機（Z 軸）

（3）模擬主軸（雙體型伺服放大器，變頻器）

硬件組成：操作面板—CNC 系統—I/O 模塊—變頻器—伺服放大器SVM（X、Z 軸雙體型伺服放大器）—伺服放大器SVM（Z 軸單軸控制）—主軸電機（普通三相電機）—主軸脈沖編碼器—進給伺服電機（X 軸）—進給伺服電機（Z 軸）。

圖1 FANUC 0i 數控系統硬件連接示意圖

圖2 βi 系列雙體型伺服放大器—模擬主軸連接形式原理圖

2.1.2 硬件模擬連接訓練模塊的制作

將上述5 種連接形式要用到的14 種硬件參照實物形式用塑料板制作成14 個訓練模塊，并在每個模塊的模擬連接接口位置安裝KT4ABD52 護套插座，如圖3、4 所示訓練模塊的模擬接口位置設計及訓練單元的整體布局。

2.1.2.1 模擬連接接口位置的設計

（1）操作面板

共安裝5 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、CF 卡接口；2、軟鍵；3、指示燈；4、MDI 鍵盤；5、手輪。

（2）CNC 系統

共安裝8 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、COP10A 接口；2、CA122 接口；3、JA2 接口；4、JA40 接口；5、JD51A 接口；6、JA41 接口；7、CP1 電源接口；8、CA88A 接口。

（3）I/O 模塊設置

共安裝6 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、CP1 接 口；2、CB104 接 口；3、JA3 接 口；4、JD1A 接口；5、JD1B 接口；6、CB106 接口。

（4）電源模塊PSM

共安裝10 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、TB1 接 口；2、CX1A 接 口（220v 輸 入）；3、CX1B 接口（220v 輸出）；4、CX2A 接口（DC 24v輸出）；5、CX2B 接口（DC 24v 輸入）；6、JX1B 主軸放大器接口；7、CX3 主軸控制信號接口；8、CX4 急停接口；9、S1 開關接口；10、三項交流電輸入接口。

（5）主軸放大器SPM

共安裝12 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、TB1 接口；2、CX2A 接口（DC 24v 輸出）；3、CX1B 接口（220v 輸出）；4、CX2B 接口（DC 24v 輸入）；5、JX1A 接口；6、JX1B 接口；7、JA7B 接口；8、JB7A 接口；9、JY2 接口；10、JY3 接口；11、JY4 接口；12、主軸伺服電機接口。

（6）αi 系列一體型伺服放大器

共安裝9 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、CX1A 接口（DC 24v 輸出）；2、CX1B 接口（DC 24v 輸入）；3、JX14 接口；4、JX1B 接口；5、JF1 接口；6、JF2 接口；7、COP10B 接口；8、COP10A 接口；9、三項交流電輸出接口。

（7）βi 系列一體型伺服放大器SVPM

共安裝16 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、CX3 接口；2、CX4 接口（DC 24v 輸出）；3、CX36 接 口；4、CXA2C 接 口；5、CXC2A 接 口；6、COP10B 接口；7、COP10A 接口；8、JF1 接口；9、JF2接口；10、JF3 接口；11、JA7B 接口；12、JYA2 接口；13、JYA3 接口；14、TB1 接 口；15、C22 接 口；16、TB2 接口。

（8）βi 系列伺服放大器SVM（X、Z 軸雙體型伺服放大器）

共安裝11 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、CXA19B 接口；2、CXA19A 接口；3、COP10B接口；4、COP10A 接口；5、JF1 接口；6、JF2 接口；7、CX29 接口；8、CX30 接口；9、三項交流電輸入接口；10、X 軸伺服電機接口；11、Z 軸伺服接口。

（9）βi 系列伺服放大器SVM（X 或Z 軸單軸控制）

共安裝9 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、CXA19B 接口；2、CXA19A 接口；3、COP10B 接口；4、COP10A 接口；5、JX5 接口；6、JF1 接口；7、三項交流電輸入接口；8、CX29 接口；9、CX30 接口。（10）頻器（6 個KT4ABD52 護套插座）

共安裝6 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、三項交流電輸入接口；2、主軸正轉接口；3、主軸反轉接口；4、主軸停止接口；5、JA40 接口；6、三項交流電輸出接口。

（11）主軸伺服電機

共安裝2 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、動力接口；2、反饋接口。

（12）進給伺服電機

共安裝2 個KT4ABD52 護套插座，位置分別在1、動力接口；2、反饋接口。

（13）主軸電機（普通）

共安裝1 個KT4ABD52 護套插座，位置在1、動力接口。

（14）主軸脈沖編碼器

共安裝1 個KT4ABD52 護套插座，位置在1、反饋接口。

圖3 訓練模塊接口位置設計圖

a—KT4ABD52 迭插線及護套操作b—操作面板c—CNC 系統d—I/O 模塊e—電源模塊PSM f—主軸放大器SPM

g—αi 一體型伺服放大器h—βi 一體型伺服放大器SVPM i—βi 伺服放大器SVM（X、Z 軸雙體型伺服放大器）

j—βi 伺服放大器SVM（X 或Z 軸單軸控制）k—變頻器l—主軸伺服電機m—進給伺服電機n—主軸電機（普通）O—主軸脈沖編碼器

2.1.2.2 訓練單元的整體布局

將上述14 個訓練模塊安裝到單個工位硬件模擬與實物連接訓練單元上，讓學生根據硬件連接形式，用KT4ABD52 迭插線模擬硬件連接的過程，實現在硬件實物連接訓練之前預熱的目的。

圖4 訓練模塊的整體布局

圖5 接口延長類型

2.2 公共實物硬件延長線的規劃與設計

學生在硬件模擬連接訓練后，可以在公共實物硬件上進行真實連接。但長期直接在硬件設備上進行插拔連接器等操作會引起接口老化、松動、接觸不良等問題，形成設備安全隱患。針對這個問題，可以通過設計接口延長線的方法來解決。

2.2.1 接口延長線的概念和類型

硬件接口延長線有YC-A、YC-B、YC-C 和YC-D 四種型號,其中YC-A 和YC-B 型延長線用于將硬件接口引入到硬件連接板或端子排上；YC-C 和YC-D 型延長線用于硬件連接板之間及端子排之間進行連接。

YC-A 型延長線是雙絞線一端為與硬件接口相同型號的母接頭，一端為相配套的公插頭，公插頭和母接頭可以配套插接的引出線，主要用于將硬件上的母接頭引出至硬件連接板上；YC-B 型延長線是只有一端為母接頭的雙絞線，用于將硬件上的接線端子引出至硬件連接板上；YC-C 型延長線是雙絞線兩端均為可與硬件母接口配套插接的公插頭，可以作為兩個硬件連接板上對應母接頭之間的連接線；YC-D 型延長線就是一根雙絞線，用于將硬件上接線端子引出至端子排及作為兩個端子排之間的連接線，如圖5 所示的YC-A、YC-B、YC-C 和YC-D 四種型號接口延長線示意圖。

2.2.2 接口延長線的規劃與設計

接口延長線的規劃與設計分7 個步驟，分別為：

第一步，根據硬件連接形式遴選出需要連接的硬件；

第二步，羅列出各硬件間要連接的接口；

第三步，將所有的需要連接的硬件接口用YC-A 型延長線引出至連接板A 和B 上；

第四步，將連接板A 和B 上的其他母接口用YC-B 型延長線引出至端子排XT1A、XT2A 和XT3A 上；

第五步，將電氣柜電源等與端子排XT1B、XT2B、XT3B 的相應端子連接到位；

第六步，將連接板A 和B 對應的母接口用YC-C 型延長線進行連接；

第七步，端子排XT1A、XT2A、XT3A 與端子排XT1B、XT2B、XT3B 相應端子之間用YC-D 型延長線進行連接，如圖6 所示的βi 雙體型伺服放大器—模擬主軸連接形式的接口延長線規劃設計圖。

圖6 硬件接口延長線規劃設計圖

由圖6 可知：各硬件間所有要連接的硬件插口都是通過YC-A 型接口延長線引出至硬件連接板A 或B 上, 其他與電氣柜連接的接口均通過YC-B 直接引出至端子排XT1A、XT2A 和XT3A上，電氣柜與硬件相連接的部分引出至端子排XT1B、XT2B 和XT3B 上。學生在訓練時無須再去硬件接口上插拔連接器，只需用YC-C 型接口延長線在A、B 硬件連接板之間，用YC-D 在A、B 端子排之間進行連接訓練即可，減少了硬件接口元器件的損耗，防止設備出現安全隱患。

2.2.3 接口延長線器件配置

為保證采用接口延長線進行硬件連接后，數控機床能夠正常工作，需要對所需硬件接口連接器、連接線等進行梳理，購置達到設計要求的器件[4]，如接口延長線所需器件一覽表如表1 所示。

表1 接口延長線所需器件一覽表

3 結語

本文以提高實訓教學效果，減少器件損耗、杜絕安全隱患為目的設計了一套硬件模擬及實物連接訓練單元。并詳細以Fanuc 0i-TF 數控系統βi系列雙體型伺服放大器—模擬主軸連接形式為例介紹了硬件接口的規劃和設計方法，具有實訓內容安排靈活、設備投入少、器件損耗少、安全性高等特點，為其他數控裝調實訓設備的研究與開發提供了一種新的思路。