李 丹
(四川建筑職業技術學院,四川 德陽 618000)
數控機床主軸功能中,最重要的是對主軸的速度進行控制。數控機床通過增加機械變速機構(齒輪傳動或帶傳動),來提高主軸低速轉矩和擴大恒功率調速范圍。這就要求CNC能夠根據機械變速機構實際傳動比,自動改變主軸速度指令的輸出,并保證加工程序中的S代碼指令和主軸轉速一致。這種功能,我們稱作傳動級交換。
本文主要針對FANUC-0iC/D主軸速度控制的實現方法和相關參數設定,作分析討論。
在FANUC-0iC/D,傳動級交換功能實現有不同的實現形式,總體上分為T換擋和M換擋[1]。
T換擋指令由 M41~M44(用正體)控制,PMC根據換擋指令直接控制機械變速裝置更換變速檔,動作完成后用PMC→CNC的內部信號GR1/GR2,將目前的傳動級告知CNC。CNC將按照參數PRM3741~PRM3744設定,輸出與實際傳動比對應的S模擬電壓。
T型換擋的輸出特性如圖1[2]。不同傳動級、模擬量輸出為10 V時,最高主軸轉速S可通過參數PRM3741~PRM3744進行設定,小于最高轉速的S指令,輸出在0~10 V范圍內線性變化;大于最高轉速的S指令,輸出保持10 V不變。

圖1 T型換擋的輸出特性
在FANUC-0iC/D,參數PRM3741~PRM3744的意義為1~4檔主軸的最高轉速。
當數控機床變速機構的傳動比確定后,PRM3741~PRM3744設定值為:電動機的最高轉速×不同檔位的傳動比,即不同檔位時,10 V所對應的主軸速度。
T換擋傳動級GR1/GR2信號與主軸的轉速有關系,如表1,參數PRM3741~PRM3744的設定應依次增加[3]。

表1 GR1/GR2信號與主軸的轉速關系
例:某數控車床有主軸伺服電機(27 kW,4000 r/min),經過3級變速裝置,傳動比分別1:1.03,1:2.177,1:7.617,CNC的最大S模擬量輸出為10 V,試計算不同檔位時指令S400所對應S模擬量輸出的電壓值。
參數設定:
1檔(M41)主軸的最高轉速PRM3741
=4 000×(1:7.617)=525.14 r/min
2檔(M42)主軸的最高轉速PRM3742
=4 000 r/min
3檔(M43)主軸的最高轉速PRM3743
=4 000×(1:1.03)=3 883.49 r/min
PRM3744(M44):由于檔位不足 4 檔,該參數可設定為最大輸入值99 999
由于各檔位最高轉速所對應的模擬電壓均為10 V,故1~3檔執行S400指令的S模擬量輸出電壓值計算為:

說明:采用T換擋時,上例中數控機床的三檔變速范圍分別為 0~525.14 r/min、0~1837.39 r/min 、0~3883.49 r/min;S400指令在三個檔位范圍內都可實現,具體選擇的檔位由編程者M41~M44控制決定,并輸出相應的電壓值。
M換擋控制是CNC根據S指令自動切換傳動級的強制換擋方式,檔位選擇信號可通過CNC→PMC的內部信號GR10~GR30輸出,兩檔時為GR10、GR20,三檔時為 GR10、GR20、GR30。CNC 輸出選檔信號時,同時輸出”SF”(F150.2)信號。PMC根據要求控制主軸換擋。M換擋動作完成后,PMC程序利用實際傳動級信號GR1/GR2,將當前的傳動級告訴CNC,如果實際傳動級和CNC要求一致,CNC便輸出于實際傳動級對應的S模擬電壓。任意一個S編程轉速只能有一個傳動級,或者說一個檔位只能在指定S指令區間有效。
如果不同檔位的切換在主軸轉速達到某一值時(一般為最大轉速)進行,這樣換擋稱為A型換擋,如果不同檔位的切換可在不同的轉速下進行,這樣的換擋稱為B換擋。
3.1.1 A型換擋的設定
A型換擋的輸出特性如圖2[2].

圖2 A型換擋的輸出特性
主軸換檔時的主軸電機上限速度由PRM3736參數決定,主軸換檔時的主軸電機下限速度由PRM3735參數決定,設定值可按下式計算:

式中:4095是CNC的12位D/A轉換器的最大數字量輸入。
如果額定轉速6 000 r/min的電動機,在60 r/min以上、5 000 r/min以下運轉時,有:

A型換擋參數PRM3741~PRM3744定義方法與T換擋相同。
由此可以確定:

實例:某加工中心控制系統采用FANUC-0IMC,機床主軸為交流伺服電動機FANUCα22/7000i,功率22 kW;主軸變速箱有三檔齒輪,高檔傳動比1:1.002,中檔傳動比 1:3.012,低檔傳動比為 1:7.043,主軸電機最低箝制轉速0 r/min,最高箝制轉速5000 r/min,試確定主軸速度配置參數,并計算S400所對應S模擬量輸出的電壓值。
確定參數如下:


該數控機床 0~710 r/min 為低檔(GR10),711r/min~1 660 r/min 為中檔(GR20),1 661 r/min~4 990 r/min(GR30)為高檔。
由編程人員給定的 S400,400 r/min在 0~710 r/min范圍內為低檔。CNC根據設定的參數進行自動變檔。

3.1.2 B型換擋的設定
B型換擋的輸出特性如圖3[2].

圖3 B型換擋的輸出特性
B型換擋與A型換擋基本相同,只是不同檔位的切換可在不同的轉速下進行,并由參數PRM3751、PRM3752確定。

在FANUC-0iC/D主軸速度控制分為T換擋和M換擋。兩者都是通過參數PRM3741~PRM3744把機床側變速機構的傳動比通知CNC。在T換擋中,不同檔位的變速范圍有重疊,因此同一S指令可對應不同檔位。M換擋則通過參數PRM3735、PRM3736、PRM3751、PRM3752使各檔位的變速范圍無重疊,任意一個S編程轉速只能有一個傳動級。
[1]羅 敏.典型數控系統用用技術(FANUC篇)[M].北京:機械工業出版社,2009:226-234.
[2]北京發那科機電有限公司.FANUC Series 0-MODEL D/FANUC Series 0 Mate-MODEL D參數說明書[BE/OL].北京:北京發那科機電有限公司,2004.http://www.bj-fanuc.com.cn/tech/81.html.
[3]宋 松.FANUC 0i數控系統連接調試與維修診斷 [M].北京:化學工業出版社,2010:52-58.