配置FANUC 0i Mate TD数控系统CKA6150型数控车床的全闭环升级

【摘 要】以大连机床厂生产的CKA6150型数控车床为载体，对该CKA6150型数控车床电气控制系统进行简单的介绍，然后详细介绍了配置FANUC 0i Mate TD数控系统的全闭环条件下的电气线路的连接、半闭环改为全闭环系统参数的计算与设定等，为各大中专院校及中小企业半闭环式的FANUC系统的数控车床升级为全闭环提供参考。

【关键词】数控车床 全闭环 参数设定

【中图分类号】 G 【文献标识码】 A

【文章编号】0450-9889（2015）04C-0185-02

全国职业技能大赛数控机床装配调试与维修赛项近年来全部以数控机床的升级改造为主。以2013年为例，采用的是大连机床厂生产的CKA6150数控车床，参赛学校可选择FANUC 0i Mate TD数控系统或华中HNC-808数控系统，鉴于FANUC数控系统在全国用户的占有比例较大，本校选用了FANUC 0i Mate TD数控系统。本次大赛的主要任务是把常规的性价比较高的半闭环数控系统升级改造为全闭环数控系统（仅升级X轴），在不大幅增加成本的前提下达到提高加工精度的目的。本文以配置FANUC 0i Mate TD数控系统的大连机床厂生产的CKA6150数控车床为例，详细介绍了CKA6150型数控车床电气控制系统、半闭环数控车床升级改造为全闭环数控车床的电气线路的构成与连接、数控系统的参数计算与设定等。

一、CKA6150型数控车床电气控制系统简介

CKA6150型卧式车床的电气控制系统是由CNC控制部分、交流伺服驱动部分及中、强电控制部分等构成，如图1所示。CNC采用日本FANUC公司生产的FANUC 0i Mate TD数控系统，该数控系统与彩色液晶显示器是一体的，主板及其元器件安装在显示器背面，是一种紧凑式数控系统，该系统是2008年新推出的高性价比的产品。PLC内置于CNC内部，采用新版本的FLADDER梯形图处理软件，可实现在线或数据传输到电脑上修改梯形图程序。该车床的运动主要有X和Z轴工作台的移动，主轴的旋转，刀架的换刀等。工作台的移动又叫伺服运动，由CNC控制单元、伺服驱动单元、伺服电机构成半闭环控制，使机床的加工精度与定位精度较高；主轴的旋转运动是由主轴电机带动的，图示为模拟主轴，其运动受PLC控制，用同轴的主脉检测电机的转动情况，并把该信号反馈给CNC数控系统；换刀是由刀架的正反转完成的，其正反转由刀台电机带动，换刀情况受PLC控制；另外机床在切削加工的过程中会产生大量的热量，为避免工件烧蚀，保证加工精度一般机床还配有水泵电机（又叫冷却泵电机）。

二、半闭环改为全闭环电气线路的连接

（一）半闭环与全闭环

随着数控技术的深度应用，企业对零件加工能达到的速度和精度的要求日益提高，这就对数控机床本身提出了新的挑战。数控机床的伺服控制目前以半闭环控制为主，所谓半闭环控制是指 CNC指令给伺服放大器，反馈信号由与电机同轴的编码器发出。半闭环控制由于读取电机同轴信号，所以可以实时监控电机转角位移情况，电机轴端精度控制非常精确，但是由于电机轴后传动链没有监控到位，所以后面传动链的精度有损失，如丝杠误差、间隙、热变形等无法控制，因此对于加工精度要求较高的零件无法满足要求。而全闭环控制是指CNC指令发送给伺服放大器，反馈信号由安装在终端移动部件上的检测装置——光栅尺发出，可以监控到工作台与刀具的最终相对精度，所以精密加工机床、大型龙门铣床、数控镗铣床等均采用全闭环结构。

本次全国职业技能大赛数控机床装配调试与维修赛项就是结合企业的需要，先使配备FANUC 0i Mate TD数控系统的CKA6150型数控车床在半闭环状态能正常运行，然后在X轴工作台上加装光栅尺升级为全闭环。由于FANUC 0i Mate TD本身就是经济型的数控系统，加工精度就相对稍差，想升级为全闭环的加工精度很高的数控车床困难很大，加上日本进口的数控系统本身存在很多保密的技术，和国产的光栅尺不能协调匹配，最终组委会选择了同样是进口的海德汉光栅尺，型号为LC193F，是一种绝对式的光栅尺。还加装了一个分离型检测器接口使光栅尺和本身的数控车床的接口相匹配。

（二）全闭环状态下的电气连接

图2是全闭环控制状态下CKA6150型数控车床各主要部件的整体电气连接图，主要反映的是和全闭环伺服控制有关的连接。

图2中①为CNC，本校参加大赛时选择的CNC是FANUC 0i Mate TD数控系统，信号通过FSSB高速串行总线从CNC上的COP10A接口到②上的COP10B接口，该总线可双向传输信号。②为X轴的伺服放大器，型号为βiSVM-20，从而控制X轴的电机SMx，通过编码器PGX读取电机的同轴信号反馈到X轴伺服放大器上的JF1接口。信号还可以通过第二条FSSB高速串行总线从X轴伺服放大器上的COP10A接口传输到Z轴伺服放大器上的COP10B接口，同样的Z轴伺服放大器可控制Z轴电机SMz以及接收编码器PGZ的反馈信号，此时的连接为半闭环。要想成为全闭环还要加装④和⑤，其中⑤为海德汉光栅尺，安装在X轴工作台上精确检测终端的移动量，检测反馈信号接到分离型检测器接口⑤的JF101接口上，分离型检测器接口上共有JF101-JF104四个反馈接口，可接收不同轴的反馈信号，若为Z轴工作台上加装光栅尺，可接到JF103接口。第三条FSSB总线从Z轴伺服放大器上的COP10A接口到分离型检测器接口上的COP10B接口，这样就把光栅尺和原有的伺服系统连接起来组成了全闭环控制。

三、半闭环改为全闭环系统参数的计算与设定

全闭环电气线路连接好之后，在FANUC 0i Mate TD数控系统中进行与全闭环有关的参数设定，在全闭环参数设定之前保证半闭环参数已设定正确、完毕。

（一）设定准备

结合设备的使用说明书，CKA6150型数控车床X轴丝杠螺距为4 mm，数控系统的最小指令单位为1?m，海德汉LC193F型光栅尺分辨率为0.05?m。

（二）具体设定步骤

1.设定FSSB。把参数写保护打开后，按三次SYSEM按键调出参数支援画面→移动光标到FSSB→轴设定画面下将X轴对应的M1设定为1，并按“设定”软键进行系统自动设定。分离型检测器接口 M1可接四个轴的位置反馈，分别为 JF101-JF104， 硬件连接X轴反馈接 JF101，故将M1设定为1。

2.设定光栅尺有效。在参数搜索界面搜索参数1815，光标移动到第1位，把该位设为1，即1815#1=1，意思为使用光栅尺。

3.更改反馈方向。在参数搜索界面搜索参数2018，光标移动到第0位，把该位设为1，即2018#0 =1，意思为更改反馈方向。

4.设定柔性齿轮比N/M。根据数控系统的最小指令单位、光栅尺的分辨率及柔性齿轮比公式N/M=指令单位/输出脉冲，计算出N/M=1?m/（1/0.05?m）=1：20。设定方法为，按三次SYSEM按键调出参数支援画面→光标移动到伺服设定画面进入，设定柔性齿轮比 N为1，M为20，即N/M=1/20。

5.设定位置反馈脉冲。根据X轴的丝杠螺距、光栅尺的分辨率及位置反馈脉冲公式Ns=丝杠螺距/光栅分辨率，计算出Ns=4000/0.05=80000（结合FANUC数控系统的规定，位置反馈脉冲数如果大于 32767 时，则设定值=A*B，A：参数2024，B：参数2185）。若参数2024=2000，则参数2185=40。可用参数号搜索的方法进行设定。

6.建立位置对应关系。用参数号搜索的方法将1815#4设为1，300号报警消失，位置对应关系建立，然后关闭写保护开关，机床断电后再上电重启即可完成全闭环的参数设定。

本次全国职业技能大赛尝试性地对配置FANUC 0i Mate TD数控系统CKA6150型数控车床进行了全闭环升级，本校参赛选手最终取得了国赛三等奖，这是历年来广西参赛队在全国职业技能大赛上取得的最好成绩。结合指导选手的经历，本文对全闭环升级进行了详尽的说明，可为各大专中院校及中小企业机床的全闭环升级改造提供帮助，改造后机床的定位精度和重复定位精度是否能达到预期的效果，还需要进一步的测量验证。

【参考文献】

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[8]汤彩萍.数控系统安装与调试[M].北京：电子工业出版社，2009

【作者简介】张丽丽（1979- ），女，河南省淮阳县人，硕士，柳州铁道职业技术学院讲师。

（责编 吴 筱）