FANUC 0i Mate TD系统在数控车床改造中的应用

尹昭辉，宋指宏

（1.淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003；2.江苏清拖农业装备有限公司，江苏 淮安223003）

传统的大型企业中早期的数控车床，功能少，系统不稳定，故障率高，影响生产。因此对其升级改造，是综合经济性考虑的一个重要的手段。

车间有一台CK6140 数控车床，2000年购买，配备某国产基于PC 机开放式数控系统，主轴采用变频调速，调速范围0～1 500 r/min，进给轴采用混合步进驱动，定位精度0.01mm，四工位电动刀架，附加装置有冷却系统和手动润滑系统。

从企业处了解，该机床2006年开始故障率升高，使用效率不高，基本处于半停产状态，但机床刚性及机械性能良好，电气元件未老化。综合使用、维修等各方面考虑，决定对该系统进行升级改造。

1 改造的思路

1.1 机械部分的改造

该机床丝杠、导轨、刀架、主轴等机械运动部件性能良好，冷却执行机构、润滑油路、尾架等辅助功能也正常，不需要进行改造，但要注意除锈和清洁保养。另外一个要重点考虑的，就是FANUC 标配伺服电机与丝杠的连接，可以采用联轴器或无键锥环同步带传动，还有就是数控系统的安装控制柜的制作。

1.2 数控系统的改造

我们对该机床的故障率升高现象进行分析后发现，主要是因为数控系统的不稳定性造成的，再一个就是车间的工作环境不佳，使得PC 机的硬件老化程度严重，接口信号不稳定。那么系统的稳定性就成为改造的首要考虑因素。结合市场上主流数控系统稳定性、控制功能、价位以及该企业员工比较熟悉的数控系统品牌，我们选择FANUC 0i Mate TD 系统，其属于紧凑型CNC，在市场上得到了广泛应用。该型号高可靠性、高性价比，适合于简单的数控车床，系统各硬件连接线缆为FANUC 公司标配，选用灵活，连接、维修更换简单。

1.3 外围电气控制部分的改造

由于该机床机械动作功能能够满足使用要求，故不增加其他附加机构，唯一的就是把原来的手动润滑改为自动润滑，因此在主轴变频控制、冷却控制、刀架控制等外围强电部分，基本上可以不做大的改动；对于自动润滑控制，则应添加液面反馈和润滑输出、执行部件，但是各个动作的控制信号部分，由于要和FANUC 数控系统进行匹配连接，与原来开放式系统有区别，此处电气原理图需要重新设计。

1.4 整机通电调试

进行完各部件安装连接之后，要对机床进行整机调试，主要完成PMC 地址的设定、参数的设定、调试试切削等项目，最后通过试件的切削情况进行综合的优化，最后完成设备的改造。

2 改造实施

2.1 机械部分的改造

由于原有机床结构性能良好，不需要做很大的改动，主要改造的就是把原有的步进电机改为FANUC 伺服电机，由于结构尺寸不同，把原有的联轴器连接改为同步齿形带传动，需要重新制作一个电机支撑座，考虑到调整方便，同步齿形带采用无键锥环连接。传动链为：伺服电机- 同步齿形带- 丝杠。

2.2 数控系统硬件的连接

由于FANUC 0i Mate TD 系统标配有主控制器、伺服驱动器、I/O LINK、手摇脉冲发生器以及相关连接线缆、接口等部件，我们在实施过程中，主要是根据硬件连接说明书进行。主控制器上的COP10A 通过FSSB 与驱动器COP10B 连接，进行伺服信号的发送；JD1A 端口口与I/O LINK JD1B 端口连接，负责外部信号与内部PMC 的输入输出控制；JA40 连接变频器，输出主轴转速指令模拟电压信号；JA7A 口接主轴原有的脉冲编码器，负责主轴转速的反馈；JD36A口接一RS2S2 串口电路，负责串行通信。伺服驱动器上CX19B 口接入24V 直流电源，CZ4 口连接来自伺服变压器三相电源，CZ5 口接伺服电机，CX30 口接急停信号，JF1 口接伺服电机位置反馈。手摇脉冲发生器接I/O LINK 上JA3 口。如图1 所示。

图1 系统硬件连接图

2.3 外围电气系统的改造

在保持原有控制功能的基础上，主要考虑机床控制信号和系统的连接问题，外围输入输出信号，主要是通过FANUC 数控系统配置的IO LINK 进行交换。本次改造中，外部输入输出信号，主要考虑机床操作面板输入输出，通过50 芯扁平线缆连接I/O LINK 的CB105、CB107 端口；机床侧输入输出主要有报警、限位、刀架信号、三色灯、主轴电机、刀架电机、冷却、照明等信号，通过继电器模块组、分线器模块连接I/O LINK 的CB104 端口。如图2 所示。

2.4 通电调试

2.4.1 PMC 地址的设定

考虑到该系统配套的I/O LINK 有4个连接器，分别为CB104、CB105、CB106、CB107，每个连接器有24个输入点和16个输出点，即总共有96个输入点和64个输出点。由于考虑到把CB105 和CB107 用于机床操作面板，CB104 用于机床侧辅助信号使用，又要考虑到X8.4、X9.1 和X9.2 这3个地址NC 系统内部已固定，并且工作时为高电平，故PMC 地址定义如表1 所列。

表1 PMC 地址分配及占用端子

根据设定的各个点的地址，下一步就是进行编制该机床的PMC 控制程序，主要考虑：

（1）需要快速响应、容易造成严重后果的信号编入一级程序，比如急停、各方向超程限位等；

（2）其他功能块程序编入二级程序，如工作方式、主轴控制、换刀控制、冷却、报警、三色灯等。

2.4.2 参数的设定

数控系统能够正常运行的重要条件，是必须保证各种参数的正确设定，不正确的参数设置与更改，都可能造成严重的后果。因此在机床运行前，必须对相应的参数进行正确的设定，具体必须参照参数说明书。

（1）进入系统参数设置画面。首先设置基础性参数，包含I/O 通道、各轴互锁、各轴方向互锁、超程检查、串行主轴、手轮有效等。分别找到对应相应的参数号，输入正确的参数值。

（2）进行“伺服参数”的设定。进行参数设定时，注意对于位型和位轴型参数，每个数据由8 位组成，每个位都有不同的意义，轴型参数允许对每个轴分别设定参数，各参数类型的数据范围为一般有效范围，具体参数范围根据实际情况确定。在伺服设定的画面中，需要设定电机代码、AMR、指令倍乘比、柔性齿轮比N、电机旋转方向，速度反馈脉冲数、位置反馈脉冲数、参考计数器容量，通过轴切换分别设置X 轴和Z 轴。

（3）进行“主轴参数”的设定。在该参数设定画面内需要设定电机代码、电机名称、主轴最高转速、电机最高转速、主轴传感器类别、电机回转方向、位置编码器旋转方向。

（4）进行“轴”参数的设定。进入参数设定画面，需要设定从1006 至1624 号参数，这些参数主要控制各个轴的名称、伺服增益、运行速度、加减速常数等。其中特别注意参考点的设置，由于我们选择的该系统配置β8/3000is 伺服电机，该电机内置绝对值编码器，根据改造需要我们进行无挡块参考点设置，步骤如下：

一是用手动方式，移动X 轴和Z 轴到达所需要设定的零点附近位置；

二是设定参数1815#4 和1815#5 为0；

三是系统断电后重新启动系统；

四是不移动X 轴和Z 轴的情况下，重新设定1815#4 为1，再重新启动系统；

五是系统报警，要求回原点，然后设置1815#5参数为1，再次断电启动。

在设定好以上参数后，需要先断电再上电，以使参数设置生效，参数设置的完整性，以画面有无报警为标准。

2.4.3 调试试切

（1）调试各种基本操作功能。包括各功能键的正常实现、手动操作方向和速度、手轮操作的实现、MDI方式的实现、主轴操作、刀架操作、自动运行、其他辅助动作等。

（2）试件切削。以该机床承担的加工任务中的典型零件，作为试切的载体，通过对刀、程序输入、加工、检测等环节，对该机床改造后的加工性能进行评估。

3 结束语

该机床经过改造后投入生产，经过一段时间的使用后，各操作正常，运行稳定，没有发生实质性故障，生产效率大大提高。能够证明本次改造是可行的、成功的，也让企业节省了大量的成本。同时本次数控车床的成功改造，也为该企业在其它传统设备的数控化改造方面，提供了理论和实践依据。

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