基于FANUC-0i数控系统的故障诊断培训装置

於红梅

(湖北科技职业学院机电工程学院， 湖北 武汉 430074)

鉴于目前FANUC数控系统在市场上占有一定的比例，掌握FANUC数控技术有利于维护企业的正常生产，因此，有必要研究建立一个基于现有FANUC数控系统的向用户开放的集培训、二次开发于一体的系统，以解决企业实际生产中遇到的问题和数控技术人员技术培训问题．

1 故障诊断培训装置设计时应考虑的问题

1.1 满足相关培训要求

能进行数控系统的硬件连接，以熟练掌握FANUC数控系统的硬件接口及通讯方式；能进行数控系统的功能参数设置和备份，以了解FANUC数控系统参数的含义、系统数据备份的方法；通过该装置可以进行机械部分的安装调试和电气部分的安装调试，进一步理解数控系统控制功能的实现；能进行典型故障分析与诊断．

1.2 采取开放式结构设计

有良好的人机交互性能，通过该装置能直观地了解数控系统的结构、各模块连接关系等，且方便装拆，所使用的各电气元件及数控系统均与工业生产现场情景一致．

1.3 考虑安全性的设计原则

既要保证培训人员操作时的安全性，又要能保护到装置中元器件的安全．

2 培训装置总体设计方案

为满足培训功能的要求，本装置总体结构考虑由数控控制台、数控系统、PMC单元、伺服进给单元、机床控制电路、PMC练习模块等组成．各进给轴由伺服电机控制；主轴由变频器控制；刀架采用4工位或6工位电动刀架，可实现数控机床安装调试、参数设置、伺服性能优化、数据备份、PMC编程、故障诊断与维修等多项技能的学习；可配置十字滑台满足数控机床机电联调等技能训练．

根据控制类型的不同，FANUC 系统可以分为两部分：控制伺服电动机与主轴电动机动作的系统部分，以及控制辅助电气部分的PMC部分[1]．

本装置设计包括以下部分：数控系统部分的建立，包括系统选型、主轴控制系统的构建、伺服系统的构建等；PMC控制系统设计，包括PMC选型、系统外围设备的选用、I/O link连接及地址规划．设计思路如下．

1)CNC系统选型：选择FS 0i mate -TD CNC 系统．

2)主轴控制系统构建：选择主轴控制方式，以及相应的其他硬件配置．

3)进给伺服系统构建：选择进给伺服电机和伺服放大器及其他硬件配置．

4)I/O地址规划：根据培训辅助装置及PMC控制要求规划I/O 接口信号地址．

5)PMC程序设计及参数设置．

总体设计流程如图1所示．

图 1 总体设计流程

3 FANUC 0i -D数控系统培训装置的硬件构成及功能实现

0i系统是普及型车床最常用的数控系统，0i-D是其最新版本，0i mate-TD是FANUC公司已经将系统的功能进行优化组合的系统，功能较0i-D系统少，其用于两轴联动的数控培训装置非常适合．FANUC 0i-D 数控系统培训装置的硬件构成及功能实现如下．

3.1 CNC 控制器

它由CPU卡、数字伺服轴控制卡、存储器、LCD 单元、MDI 单元、主板单元等组成．主板包括CPU外围电路、数字主轴电路、模拟主轴电路、I/OLink、闪存卡接口电路、MDI接口电路、RS232C数据输入输出电路、高速输入信号等．数字伺服轴控制卡是支撑伺服软件运行的硬件环境，其主要作用是对速度和位置的控制[2]．

3.2 主轴驱动单元和主轴电动机

这部分主要是建立主轴控制系统．FANUC的主轴控制单元有两种控制信号，一是数字信号，二是模拟信号．在主板单元上对应有两种通讯接口——串行主轴接口和模拟主轴接口．主轴控制系统的构建可以采用两种方式，一是通过模拟信号控制主轴，称为模拟主轴，另一是通过数字信号控制主轴，称为串行主轴．如果采用数字信号控制主轴运动，则需选择配套的FANUC主轴放大器；如果采用模拟信号控制主轴运动，则可以自行选择变频器．即主轴控制如果采用机床厂家选择的变频器作为主轴控制，而不使用FANUC的主轴放大器，可以选择模拟主轴接口．系统向外部提供0～10 V模拟电压．无论采用何种控制方法，主轴的位置控制都需接编码器．

本培训装置采用变频控制方式实现主轴控制．模拟主轴的控制对象是系统JA40 口输出-10～ 10 V 的电压给变频器，从而控制主轴电机的转速．从满足培训要求和从性价比角度考虑，主轴电动机采用βiI伺服电动机．通过本部分的设计，可实现主轴变频调速控制、主轴故障诊断与维修、主轴参数设置等培训功能．

3.3 伺服驱动单元和进给伺服电动机

这部分主要是建立伺服控制系统．进给伺服系统控制机床各轴的运动，各进给轴的伺服控制要求相互独立，且传动链最短，以减少机械传动误差．FANUC伺服驱动部分从硬件结构上分，主要有下面四个组成部分：数字伺服轴控制卡、伺服放大器、伺服电机和反馈装置．伺服系统控制信号的传递路线为：由轴卡的接口COP10A输出脉宽调制指令，通过FSSB (Fanuc Serial Servo Bus)串行伺服总线光缆与伺服放大器的接口COP10B相连，伺服放大器将信号整形放大后，通过动力线输出驱动电流到伺服电机，电机转动后，同轴的编码器将速度和位置反馈到FSSB总线上，最终回到轴卡上进行处理，从而完成速度控制与位置控制．

FANUC 0i-D系统的伺服驱动器和伺服电机都是配套使用，伺服驱动单元通过FSSB与系统进行通讯，可配βi 系列伺服放大器，或者是αi系列伺服放大器，电机采用的是交流伺服电机．

本培训装置采用半闭环控制系统，既能了解数控伺服控制系统的工作原理，形成由检测元件和反馈装置构成的控制回路，又能够进行各项技术的学习．伺服控制系统的建立，主要考虑能够方便地开展诸如伺服系统的控制原理、元器件的选择、伺服系统连接与调试、相关参数设置与调整、伺服系统故障诊断与分析的培训项目等．

3.4 PMC控制器和I/O模块

这部分主要是实现培训装置模拟数控机床的辅助控制功能，如机床操作面板控制、换刀控制等[3]．FANUC PMC采用内置方式，其工作原理与其他自动化设备的PLC工作原理相同，通过高速串行电缆(I/O link)连接系统与从属I/O接口设备，也可连接βi 伺服放大器和伺服电动机用于外部机械的驱动与控制以实现输入输出信号的控制[4]．本装置可配置机床操作面板、普通的0i D系列I/O单元等I/O模块．PMC控制系统建立后可开展I/O模块连接与信号地址分配练习、PLC编程与调试、机床故障诊断分析等培训项目．

3.5 信息的输入/输出设备

本装置根据需要配置电脑、键盘、存储卡、专用信息设备等信息输入/输出设备．

3.6 网络

通过RS-232C或者是以太网，可以将培训装置与计算机连接，以实现对PMC接口状态进行在

线诊断、编辑和修改梯形图．

基于以上系统组成，在本装置上能够进行数控系统的连接与调试、故障诊断与分析等培训项目的开展，进给伺服系统采用模拟数控车床对X、Z轴运动的十字滑台，需独立分别构建伺服驱动系统以实现对两轴运动的控制．培训装置硬件配置如图2所示．

图 2 培训装置硬件配置

[1] 何宏欣.浅谈FANUC系统的使用心得[J].制造技术与机床，2003(4)：68-69．

[2] 朱仕学.伺服系统HRV控制对数控机床加工精度影响的研究[J].机床与液压，2010(2)：19-22

[3] 夏燕兰. PLC 在数控机床故障诊断中的应用[J]. 电加工与模具,2008(5)：77-79

[4] 宁朝阳，刘瑞已.FANUC系统i系列中HRV控制的作用与调整方法[J].制造技术与机床，2011(3)：162-164