基于FANUC 0i TF的数控系统硬件连接

2019-08-21刘婷

镇江高专学报 2019年3期

刘婷

(江苏联合职业技术学院镇江分院机电工程系，江苏镇江 212016)

数控机床是数字化信息控制机床(Computer Numerical Control Machine Tools)的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床[1]12-13。数控机床基本组成结构一致，主要由机床主体、数控系统、辅助控制装置、主轴传动系统、进给轴传动系统组成。机床主体包括床身、进给轴机械结构、主轴机械结构、主轴箱等机械部件。辅助控制装置介于数控系统和机械部件之间，包括液压气动系统、冷却系统、润滑系统等。主轴传动系统、进给轴传动系统用于连接电动机与机床运动部件，拖动运动部件按照程序要求运动，完成转动、直线或曲面的加工。数控系统，即计算机数字化控制(Computerized Numerical Control，CNC)系统，是利用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统[2]。主流品牌，如日本的FANUC，三菱，德国的西门子，中国的华中数控等，具有可靠性高、通用性强、可与计算机通信等特点。

我国机械制造业发展迅速，数控机床的使用率越来越高。数控系统的安装、调试、维修是机床维修技术人员必须具备的基本技能。

1 模块功能、接口含义及故障维修

数控系统的硬件由数控装置、可编程机床控制器(Programmer Machine Control，PMC)、输入/输出装置、驱动装置、测量检测装置等组成，通过输入/输出接口连接并通信。数控机床基本组成结构如图1所示。

图1 数控机床的基本组成结构

1.1 数控装置

数控装置是数控系统的核心，根据加工程序规划运行轨迹，输出控制指令到执行元件，处理其他输入/输出信号，具有加工程序仿真、以太网、伺服多通道控制、参数设定误操作防止等功能[3]7-17。FANUC数控装置分为3类。16i/18i/21i-MODEL B系列是功能强大的高速高精度纳米级的CNC，适用于标准的加工中心和机床；30i/31i/32i-MODEL A是高速高精度复合型多轴多系统控制的纳米级CNC，适用于5轴加工机、复合加工机、多轴多路径的尖端机床；0i/0i Mate-MODEL D系列是高可靠性高性价比的紧凑型CNC，可以满足大部分5轴以内数控机床的控制要求，2016年推出的0i/0i Mate-MODEL F系列实现了系统与主轴的光缆连接。

CNC控制器由主CPU，内置PMC，伺服轴卡、存储器、外围电路组成。CNC操作区分为MDI(Multiple Document Interface)键盘、软键开关、LCD显示屏、外接存储器接口。数控装置对外接口及含义如表1所示。

表1 数控装置接口及含义

1.2 I/O单元

I/O单元连接内装PMC软件与外围设备(行程开关、电磁阀、压力开关)。FANUC 0i-F系列I/O单元采用4个50芯插座连接方式[3]7-17，有96位输入点Xm+0.0～Xm+11.7和64位输出点Yn+0.0～Yn+7.7。I/O单元接口及含义如表2所示。

表2 I/O单元接口及含义

1.3 驱动装置与执行装置

如果CNC装置为FANUC数控装置，那么进给驱动系统必须是FANUC配套的数字交流伺服系统，采用数字PID算法。FANUC公司的伺服驱动器分为αi和βi两个系列，αi系列的性能优于βi系列，但外围电路连接基本相同。配套的进给伺服电动机也分为αi和βi两个系列，自带光电编码器，可以实现系统的半闭环控制。本文伺服驱动系统选取βiSV20单轴独立型交流伺服驱动器、βiS4/4000伺服电动机。表3为βiSV20单轴独立型交流伺服驱动器接口及含义。

表3 βiSV20单轴独立型交流伺服驱动器接口及含义

βiSV20采用电源与驱动器一体化结构，全数字正弦波PWM控制、IPM智能功率模块，广泛应用于数控车床、数控铣床伺服轴的定位控制[4]。输入电源为交流三相220 V电。具有自检功能，机床上电后，CNC装置检测到驱动器没有报警信号，驱动器内部固态继电器吸合，通过CX29与外部电磁接触器线圈连接，使外部电磁接触器线圈得电，驱动器获得工作电源。带有急停接口CX30，碰到紧急情况时，按下急停按钮，立刻断开伺服电源，保证系统的安全性。CNC装置与伺服驱动器通过FSSB总线连接，接口为COP10A/B，传输速度快，不易受外界干扰。电动机的编码器为串行编码器信号，通过JF1接口与伺服驱动器连接，实现信号的反馈。

1.4 模拟主轴系统

模拟主轴，即由模拟电压信号控制的主轴驱动系统，又名变频主轴，由变频器和三相异步电动机组成。变频器接受数控装置的主轴控制模拟电压，根据控制要求处理电源的频率和电压，从而控制电机的转速。主轴驱动器选用三菱FR-D740-3.7K-CHT变频器，额定功率3.7 kW，额定电流8.0 A，1 Hz时150%转矩输出，带有安全停止功能。主轴电动机采用YS-5034型三相异步电动机，通过同步带轮与主轴编码器连接，用于检测主轴转速。三菱D740变频器接口及含义如表4所示。

表4 三菱D740变频器接口及含义

2 硬件连接

基于FANUC 0i TF系统的数控机床，数控系统各模块分别选用0i TF数控装置、0i TF专用I/O装置、2台βiSV20单轴独立型交流伺服驱动器、2台βiS4/4000伺服电动机。主轴驱动器选用三菱FR-D740-3.7K-CHT变频器，主轴电动机采用YS-5034型三相异步电动机。操作面板采用山森数控的CNC-OIMAH，实物如图2所示。

图2 CNC-OIMAH操作面板

1)FSSB总线。FANUC的伺服串行总线采用光纤通信[5]132-135。如图3所示，FSSB总线从数控系统的COP10A连接到伺服驱动器的COP10B，负责传递伺服轴卡与伺服放大器之间的通信数据。FANUC数控系统的接口连接遵循从A到B的规律，A为信号输出，B为信号输入。

图3 FSSB总线连接图

2)I/O模块的连接。机床操作面板的开关按钮、机床指示灯、操作面板LED灯、机床上的限位开关均通过I/O模块采集输入信息和传递输出信息。I/O Link总线是高速串行电缆，是FANUC的专用I/O总线，连接CNC控制器与从属I/O设备[3]7-17。如图4所示，I/O Link总线从数控装置的JD51A连接到I/O模块的JD1B，信号双向传递。机床接口插座根据按钮、指示灯选用的地址和个数选择与操作面板的连接，并与电气控制系统上的一组I/O分线器连接，控制机床的部分功能。JA3与操作面板的手摇脉冲发生器连接。

图4 I/O模块的连接示意图

3)伺服放大器与伺服电动机的连接。如图5所示，从伺服驱动器的U/V/W端连接到电动机的动力线接口，从伺服电动机的脉冲编码器信号接口连接到伺服驱动器的JF1，传递电动机的转角与转速信息，构成半闭环控制系统。

图5 伺服放大器与伺服电动机的连接图

4)模拟主轴系统的连接。如图6所示，变频器L1/L2/L3端口接收电气回路的3～380 V交流电作为原始电，变频后由U/V/W接口传递给电动机。变频器的2/5接口与数控装置JA40接口连接，传递模拟电压控制信号。三相异步电动机连接脉冲编码器，检测电动机转速，通过与数控装置的JA41连接，传递反馈信息[6]。

图6 模拟主轴系统的连接

综上所述，FANUC 0i-TF系统综合接线图如图7所示。其中，数控装置上CP1接入直流24 V电，CA122与软键按钮连接，JA2连接MDI键盘，JD36A/B通过RS232连接线、CD38A通过以太网与计算机通信。变频器的STF，STR分别与主轴正转中间继电器、反转中间继电器的常开触点相连，B/C直接连接变频器的报警信号。伺服驱动器上的CXA19A/B连接电气控制回路的直流24 V电，为驱动器的工作提供电源，DCC/DCP和CXA20接在同一个电阻模块上。