机床系统的选型与实现

李英硕 李金石

摘 要： 数控机床即数字控制机床，是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床具有高加工精度、高效率的特点，随着智能化的发展数控机床成为制造业主要设备。本文详细介绍了数控系统的选型与实现，对数控机床设计具有积极地意义。

关键词： 数控机床;数控系统;选型

1.数控系统的选型

数控系统的配置和功能是数控机床的重要组成部分，配置什么样的数控系统及选择哪些数控功能，都是机床生产厂家和最终用户所关注的问题。市场数控系统主要有FANUC（发那科）、西门子、i5、三菱、广数等产商，其中发那科和西门子具有占市场份额较大，用户对其产品认可度较高，因此本文选用日本发那科公司的FANUC 0i Mate-TC数控系统。

1.1 数控系统面板与操作面板

FANUC 0i Mate-TC数控系统的操作面板通常由LCD显示区、MDI键盘区、软键开关区和存储卡接口组成。操作面板选择由操作方式选择键、功能选择键、辅助功能键、点动和轴选键、主轴键和其它按鈕开关组成并与FANUC0iMate-TC数控系统相匹配。

1.2 数控系统接口

FANUC 0i Mate-TC数控系统背面接口分布。

（1）FSSB光缆连接线接口[COP10A-1]和[COP10A-2]。

（2）系统出厂时均已连接好的风扇、电池、软键、MDI。

（3）伺服检测口（CA69）。

（4）电源线一般设有+24V输入和+24V输出有两个接口。

（5）RS232接口用于与电脑通讯，共设有两个互为备份。

（6）模拟主轴（JA40），使用变频模拟主轴，主轴信号指令由JA40模拟主轴接口引出，控制主轴转速。

（7）串行主轴/编码器接口，采用串行主轴时的控制接口，采用模拟主轴时，此处连接模拟主轴编码器，反馈主轴转速。

（8）I/O Link[JD1A]，通过该接口与系统内置PMC的I/O模块（I/O Link）相连接，实现与系统交换数据。

（9）存储卡插槽，用于读写存储卡，实现对储存卡内数据进行输入/输出操作，也实现进行DNC加工。

2 主轴控制系统的实现

本文中数控机床由变频器控制的主轴电机，实现无级调速。即变频器接收数控系统主轴控制接口发出的指令电压，经变频器处理放大后控制主轴电动机的运行，主轴电机控制的原理图。

3 进给控制系统的实现

采用发那科数控系统后，进给轴驱动系统需要与发那科系统相匹配的交流伺服系统。发那科全数字交流伺服系统，由位置环、速度环和电流环组成。内部应用数字PID算法，具有灵活，柔性好，快速响应和高控制精度的特点。

发那科交流伺服系统分为α、αi系列，β、βi系列，i表示提高增强，α性能优于β。

伺服单元（SVU）输入三相200V、50HZ的交流电，伺服单元需要串接制动电阻用来消耗掉伺服电机再生能量。伺服单元有α、β、βi系列其中βi系列将主轴模块，进给模块，电源模块做成一体。

伺服模块（SVM）由直流电源（DC300V）作为输出电源，可将伺服电机产生的再生能量直接回馈电网。αi系列伺服模块与与α系列伺服模块相比用光缆代替了电缆的连接，保证传输的速度和可靠性，降低了故障率;模块间的数据的传递上αi系列模块通过CX2A/CX2B串行数据传递信息，替代了原有信号电缆JX1A/JX1B代码传递。伺服模块及伺服电机的配置，αi在性能质量、跟随性都要高于βi系列。αi适合模具等多曲面加工，βi适合常规加工。

3.1 光电编码器

光电编码器是一种回转式数字测量元件，装设于电机转轴上，码盘随电机轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式传递至驱动器，以便驱动器控制电机运行。数控机床大多采用增量式光电编码器。

3.2 伺服系统电气控制原理

本文数控机床进给系统采用FANUC公司βis伺服驱动系统，其具有如下特点：

（1）采用三相AC 200V-240V宽电压供电。

（2）具有智能电源管理模块，若发生故障和紧急情况时，快速处罚急停链，断开电源，确保安全。

（3）通过FSSB光缆传输伺服系统的控制信号及位置、速度等信号，抗干扰能力强。

伺服驱动器与供电电源的连接，两伺服驱动器之间的连接、伺服电动机与其驱动器与连接，数控系统与伺服驱动器的连接。伺服驱动器的相关接口如下：

（1）CZ4接口为三相交流200-240V电源输入口。

（2）CZ5接口为伺服驱动器与伺服电机的电源口。

（3）CZ6与CX20为制动电阻的两个接口，若不装设制动电阻须将CZ6及CX20短接，否则，驱动器报警信号触发，不能正常工作，建议必须连接放电电阻。

（4） CX29接口为驱动器内部继电器一对常开端子，驱动器与CNC正常连接后，即CNC检测到驱动器且驱动器没有报警信号触发，CNC使能信号通知驱动器，驱动器内部信号使继电器吸合，从而使外部电磁接触器线圈得电，给放大器提供工作电源。

（5）CX30接口为急停信号接口，短接此接口1和3脚，急停信号由I/O给出。

（6）CX19B为驱动器24V电源接口，为驱动器提供直流工作电源，第二个驱动器与第一个驱动器由CX19A到CX19B具体接线详见电气原理图。

（7）COP10A接口，数控系统与第一级驱动器之间或第一级驱动器和第二级驱动器之间用光缆传输速度指令及位置信号，信号总是从上一级的COP10A接口到下一级的COP10B接口。

（8）JF1为伺服电机编码器反馈接口。

结论

本文介绍了数控机床系统的选型以及其面板功能和基本接口，描述了主轴控制基本原理以及进给系统的实现方式，为数控机床的设计有参考意义。

参考文献

[1]王同庆.浅谈数控机床电气故障的分析与诊断[J].科技信息.2011（11）.

[2]蔡厚道，杨家兴.数控机床构造[M].北京：北京理工大学出版社，2010.7.