FANUC 0i Mate TD系統(tǒng)在數(shù)控車床改造中的應(yīng)用

尹昭輝，宋指宏

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.江蘇清拖農(nóng)業(yè)裝備有限公司，江蘇 淮安223003）

傳統(tǒng)的大型企業(yè)中早期的數(shù)控車床，功能少，系統(tǒng)不穩(wěn)定，故障率高，影響生產(chǎn)。因此對(duì)其升級(jí)改造，是綜合經(jīng)濟(jì)性考慮的一個(gè)重要的手段。

車間有一臺(tái)CK6140 數(shù)控車床，2000年購買，配備某國產(chǎn)基于PC 機(jī)開放式數(shù)控系統(tǒng)，主軸采用變頻調(diào)速，調(diào)速范圍0～1 500 r/min，進(jìn)給軸采用混合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，定位精度0.01mm，四工位電動(dòng)刀架，附加裝置有冷卻系統(tǒng)和手動(dòng)潤滑系統(tǒng)。

從企業(yè)處了解，該機(jī)床2006年開始故障率升高，使用效率不高，基本處于半停產(chǎn)狀態(tài)，但機(jī)床剛性及機(jī)械性能良好，電氣元件未老化。綜合使用、維修等各方面考慮，決定對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

1 改造的思路

1.1 機(jī)械部分的改造

該機(jī)床絲杠、導(dǎo)軌、刀架、主軸等機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件性能良好，冷卻執(zhí)行機(jī)構(gòu)、潤滑油路、尾架等輔助功能也正常，不需要進(jìn)行改造，但要注意除銹和清潔保養(yǎng)。另外一個(gè)要重點(diǎn)考慮的，就是FANUC 標(biāo)配伺服電機(jī)與絲杠的連接，可以采用聯(lián)軸器或無鍵錐環(huán)同步帶傳動(dòng)，還有就是數(shù)控系統(tǒng)的安裝控制柜的制作。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的改造

我們對(duì)該機(jī)床的故障率升高現(xiàn)象進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成的，再一個(gè)就是車間的工作環(huán)境不佳，使得PC 機(jī)的硬件老化程度嚴(yán)重，接口信號(hào)不穩(wěn)定。那么系統(tǒng)的穩(wěn)定性就成為改造的首要考慮因素。結(jié)合市場上主流數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制功能、價(jià)位以及該企業(yè)員工比較熟悉的數(shù)控系統(tǒng)品牌，我們選擇FANUC 0i Mate TD 系統(tǒng)，其屬于緊湊型CNC，在市場上得到了廣泛應(yīng)用。該型號(hào)高可靠性、高性價(jià)比，適合于簡單的數(shù)控車床，系統(tǒng)各硬件連接線纜為FANUC 公司標(biāo)配，選用靈活，連接、維修更換簡單。

1.3 外圍電氣控制部分的改造

由于該機(jī)床機(jī)械動(dòng)作功能能夠滿足使用要求，故不增加其他附加機(jī)構(gòu)，唯一的就是把原來的手動(dòng)潤滑改為自動(dòng)潤滑，因此在主軸變頻控制、冷卻控制、刀架控制等外圍強(qiáng)電部分，基本上可以不做大的改動(dòng)；對(duì)于自動(dòng)潤滑控制，則應(yīng)添加液面反饋和潤滑輸出、執(zhí)行部件，但是各個(gè)動(dòng)作的控制信號(hào)部分，由于要和FANUC 數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行匹配連接，與原來開放式系統(tǒng)有區(qū)別，此處電氣原理圖需要重新設(shè)計(jì)。

1.4 整機(jī)通電調(diào)試

進(jìn)行完各部件安裝連接之后，要對(duì)機(jī)床進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，主要完成PMC 地址的設(shè)定、參數(shù)的設(shè)定、調(diào)試試切削等項(xiàng)目，最后通過試件的切削情況進(jìn)行綜合的優(yōu)化，最后完成設(shè)備的改造。

2 改造實(shí)施

2.1 機(jī)械部分的改造

由于原有機(jī)床結(jié)構(gòu)性能良好，不需要做很大的改動(dòng)，主要改造的就是把原有的步進(jìn)電機(jī)改為FANUC 伺服電機(jī)，由于結(jié)構(gòu)尺寸不同，把原有的聯(lián)軸器連接改為同步齒形帶傳動(dòng)，需要重新制作一個(gè)電機(jī)支撐座，考慮到調(diào)整方便，同步齒形帶采用無鍵錐環(huán)連接。傳動(dòng)鏈為：伺服電機(jī)- 同步齒形帶- 絲杠。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件的連接

由于FANUC 0i Mate TD 系統(tǒng)標(biāo)配有主控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、I/O LINK、手搖脈沖發(fā)生器以及相關(guān)連接線纜、接口等部件，我們在實(shí)施過程中，主要是根據(jù)硬件連接說明書進(jìn)行。主控制器上的COP10A 通過FSSB 與驅(qū)動(dòng)器COP10B 連接，進(jìn)行伺服信號(hào)的發(fā)送；JD1A 端口口與I/O LINK JD1B 端口連接，負(fù)責(zé)外部信號(hào)與內(nèi)部PMC 的輸入輸出控制；JA40 連接變頻器，輸出主軸轉(zhuǎn)速指令模擬電壓信號(hào)；JA7A 口接主軸原有的脈沖編碼器，負(fù)責(zé)主軸轉(zhuǎn)速的反饋；JD36A口接一RS2S2 串口電路，負(fù)責(zé)串行通信。伺服驅(qū)動(dòng)器上CX19B 口接入24V 直流電源，CZ4 口連接來自伺服變壓器三相電源，CZ5 口接伺服電機(jī)，CX30 口接急停信號(hào)，JF1 口接伺服電機(jī)位置反饋。手搖脈沖發(fā)生器接I/O LINK 上JA3 口。如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

2.3 外圍電氣系統(tǒng)的改造

在保持原有控制功能的基礎(chǔ)上，主要考慮機(jī)床控制信號(hào)和系統(tǒng)的連接問題，外圍輸入輸出信號(hào)，主要是通過FANUC 數(shù)控系統(tǒng)配置的IO LINK 進(jìn)行交換。本次改造中，外部輸入輸出信號(hào)，主要考慮機(jī)床操作面板輸入輸出，通過50 芯扁平線纜連接I/O LINK 的CB105、CB107 端口；機(jī)床側(cè)輸入輸出主要有報(bào)警、限位、刀架信號(hào)、三色燈、主軸電機(jī)、刀架電機(jī)、冷卻、照明等信號(hào)，通過繼電器模塊組、分線器模塊連接I/O LINK 的CB104 端口。如圖2 所示。

2.4 通電調(diào)試

2.4.1 PMC 地址的設(shè)定

考慮到該系統(tǒng)配套的I/O LINK 有4個(gè)連接器，分別為CB104、CB105、CB106、CB107，每個(gè)連接器有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，即總共有96個(gè)輸入點(diǎn)和64個(gè)輸出點(diǎn)。由于考慮到把CB105 和CB107 用于機(jī)床操作面板，CB104 用于機(jī)床側(cè)輔助信號(hào)使用，又要考慮到X8.4、X9.1 和X9.2 這3個(gè)地址NC 系統(tǒng)內(nèi)部已固定，并且工作時(shí)為高電平，故PMC 地址定義如表1 所列。

表1 PMC 地址分配及占用端子

根據(jù)設(shè)定的各個(gè)點(diǎn)的地址，下一步就是進(jìn)行編制該機(jī)床的PMC 控制程序，主要考慮：

（1）需要快速響應(yīng)、容易造成嚴(yán)重后果的信號(hào)編入一級(jí)程序，比如急停、各方向超程限位等；

（2）其他功能塊程序編入二級(jí)程序，如工作方式、主軸控制、換刀控制、冷卻、報(bào)警、三色燈等。

2.4.2 參數(shù)的設(shè)定

數(shù)控系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的重要條件，是必須保證各種參數(shù)的正確設(shè)定，不正確的參數(shù)設(shè)置與更改，都可能造成嚴(yán)重的后果。因此在機(jī)床運(yùn)行前，必須對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行正確的設(shè)定，具體必須參照參數(shù)說明書。

（1）進(jìn)入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置畫面。首先設(shè)置基礎(chǔ)性參數(shù)，包含I/O 通道、各軸互鎖、各軸方向互鎖、超程檢查、串行主軸、手輪有效等。分別找到對(duì)應(yīng)相應(yīng)的參數(shù)號(hào)，輸入正確的參數(shù)值。

（2）進(jìn)行“伺服參數(shù)”的設(shè)定。進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)，注意對(duì)于位型和位軸型參數(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)由8 位組成，每個(gè)位都有不同的意義，軸型參數(shù)允許對(duì)每個(gè)軸分別設(shè)定參數(shù)，各參數(shù)類型的數(shù)據(jù)范圍為一般有效范圍，具體參數(shù)范圍根據(jù)實(shí)際情況確定。在伺服設(shè)定的畫面中，需要設(shè)定電機(jī)代碼、AMR、指令倍乘比、柔性齒輪比N、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，速度反饋脈沖數(shù)、位置反饋脈沖數(shù)、參考計(jì)數(shù)器容量，通過軸切換分別設(shè)置X 軸和Z 軸。

（3）進(jìn)行“主軸參數(shù)”的設(shè)定。在該參數(shù)設(shè)定畫面內(nèi)需要設(shè)定電機(jī)代碼、電機(jī)名稱、主軸最高轉(zhuǎn)速、電機(jī)最高轉(zhuǎn)速、主軸傳感器類別、電機(jī)回轉(zhuǎn)方向、位置編碼器旋轉(zhuǎn)方向。

（4）進(jìn)行“軸”參數(shù)的設(shè)定。進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定畫面，需要設(shè)定從1006 至1624 號(hào)參數(shù)，這些參數(shù)主要控制各個(gè)軸的名稱、伺服增益、運(yùn)行速度、加減速常數(shù)等。其中特別注意參考點(diǎn)的設(shè)置，由于我們選擇的該系統(tǒng)配置β8/3000is 伺服電機(jī)，該電機(jī)內(nèi)置絕對(duì)值編碼器，根據(jù)改造需要我們進(jìn)行無擋塊參考點(diǎn)設(shè)置，步驟如下：

一是用手動(dòng)方式，移動(dòng)X 軸和Z 軸到達(dá)所需要設(shè)定的零點(diǎn)附近位置；

二是設(shè)定參數(shù)1815#4 和1815#5 為0；

三是系統(tǒng)斷電后重新啟動(dòng)系統(tǒng)；

四是不移動(dòng)X 軸和Z 軸的情況下，重新設(shè)定1815#4 為1，再重新啟動(dòng)系統(tǒng)；

五是系統(tǒng)報(bào)警，要求回原點(diǎn)，然后設(shè)置1815#5參數(shù)為1，再次斷電啟動(dòng)。

在設(shè)定好以上參數(shù)后，需要先斷電再上電，以使參數(shù)設(shè)置生效，參數(shù)設(shè)置的完整性，以畫面有無報(bào)警為標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.3 調(diào)試試切

（1）調(diào)試各種基本操作功能。包括各功能鍵的正常實(shí)現(xiàn)、手動(dòng)操作方向和速度、手輪操作的實(shí)現(xiàn)、MDI方式的實(shí)現(xiàn)、主軸操作、刀架操作、自動(dòng)運(yùn)行、其他輔助動(dòng)作等。

（2）試件切削。以該機(jī)床承擔(dān)的加工任務(wù)中的典型零件，作為試切的載體，通過對(duì)刀、程序輸入、加工、檢測等環(huán)節(jié)，對(duì)該機(jī)床改造后的加工性能進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)束語

該機(jī)床經(jīng)過改造后投入生產(chǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，各操作正常，運(yùn)行穩(wěn)定，沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性故障，生產(chǎn)效率大大提高。能夠證明本次改造是可行的、成功的，也讓企業(yè)節(jié)省了大量的成本。同時(shí)本次數(shù)控車床的成功改造，也為該企業(yè)在其它傳統(tǒng)設(shè)備的數(shù)控化改造方面，提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

[1]黃敏高，萬 勤.西門子840Di 數(shù)控系統(tǒng)在CW630 臥室加工中心改造中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008，（4）：149-150.

[2]王印力，周新民，葉選林.普通車床機(jī)械部分的數(shù)控改造[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36(11)：56-57.