基于 FANUC數控系統模擬主軸功能的改進設計

摘要：主要研究了 FANUC0I-F 系統數控機床采用模擬主軸的硬件連接和模擬主軸 PLC控制程序的編制，改進和實現了數控設備使用不同的操作方式對模擬主軸進行調速的控制方法。針對使用模擬主軸數控機床的優點，確定了使用模擬主軸數控機床的硬件構成。從使用模擬主軸數控機床信號的定義、手動與自動工作方式下主軸正轉、反轉方向和停止進行控制程序設計。根據主軸加速和減速信號的組合原理，講解了使用倍率開關調整主軸加減速度的 PLC程序的編制和改進設計后使用按鍵開關調整主軸加減速度的 PLC程序的編制。經過對模擬主軸 PLC程序的編制與設計，實現了倍率開關和按鍵開關對模擬主軸進行調速的功能。

關鍵詞：PLC程序;模擬主軸;倍率開關;按鍵開關

中圖分類號：TG659文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0282-04

Improved Design and Realization of the Simulation Spindle Function Based on FANUC CNC System

Shen Zuanke

（Changzhou Liuguojun Higher Vocational and Technical School， Changzhou， Jiangsu 213000， China）

Abstract： The FANUC0I-F system numerical control machine tool adopting the simulation spindle hardware connection and the simulationspindle PLC control program compilation were studied. The control method of the numerical control equipment using different operation modesto adjust the simulation spindle speed was improved and realized. According to the advantages of using analog spindle CNC machine tools， thehardware structure of using analog spindle CNC machine tools was determined. The control program was designed from the definition of analogspindle NC machine tool signal， spindle forward rotation， reverse direction and stop under manual and automatic working mode. According tothe combination principle of spindle acceleration and deceleration signals， the preparation and improvement of PLC program for adjustingspindle acceleration and deceleration by using multiple switch were explained. After the design， the preparation of PLC program for adjustingspindle acceleration and deceleration by using key switch was explained. Through the programming and design of PLC program of analogspindle， the speed regulation function of analog spindle is realized by multiple switch and key switch.

Key words： PLC program; analog spindle; magnification switch; switcher

0 引言

FANUCI-F 數控系統因具有高可靠性、高性價比、高集成度等優點被廣泛應用于各種類型數控機床的控制系統。CNC 控制單元是 FANUC0i-F 數控系統的核心部件[1]，其將 CNC控制器部件（主板）和 LCD人機交互顯示器集成于一體，建立了 CNC、PMC和機床外部 I/O信號的通訊和連接，主軸控制可實現串行主軸和模擬主軸兩種控制方式。采用串行主軸控制方式需要選配 FANUC 主軸電源和驅動模塊、主軸電機，而使用模擬主軸控制方式可以選配交流變頻器和交流三項異步電動機和數控系統進行連接。對于經濟型數控機床，使用模擬主軸控制的方式比采用串行主軸控制的方式性價比更高，因此對模擬主軸的設計與研究具有重要的意義。使用主軸速度倍率開關控制加減速的調速方式在數控設備上使用非常廣泛，但是由于調速倍率開關硬件本身的原因，在頻繁使用過程中會出現調速開關接觸不良、損壞等現象。為解決因為調速開關出現故障造成主軸無法調速問題，利用數控設備操作面板上的空白按鍵或不重要的功能按鍵進行開發和改進，將 PLC程序設計成按鍵開關控制主軸加減速的方法能較好地解決以上的問題。本文以 FANUC0I-F 系統為研究載體，主要介紹模擬主軸控制系統的硬件連接、PLC程序的編制與改進設計以及數控系統模擬主軸參數的設置等內容。

1 模擬主軸硬件連接圖

在數控車床上使用 FANUC0I-F 系統用于機床控制時，通常配置1個模擬量主軸[2]、1個模擬量主軸控制變頻器、2個伺服進給軸、2個單軸伺服驅動單元以及1個輸入輸出單元，硬件連接如圖1所示。

2 模擬主軸 PLC程序的編制

2. 1 模擬主軸信號定義

模擬主軸 PLC 控制信號地址如表1所示，X 信號是數控機床向 PLC發送的輸入信號，Y 信號是 PLC向數控機床發送的輸出信號，G 信號[3]是 PLC向數控系統發送的輸出信號，F 信號是數控系統向 PLC發送的輸入信號。R 信號是 PLC內部進行處理的輸入和輸出信號。這5種信號中，FANUC數控系統將G 和 F[4]信號的地址和功能進行了定義，所以編程人員在 PLC編制過程中不能對其進行任何更改，只能在功能定義表中查詢使用。

2. 2 模擬主軸正反轉和停止 PLC程序編制

主軸主軸正反轉和停止 PLC程序如圖2所示。

手動方式主軸正轉：切換到手動方式導通 F3. 1常開觸點或切換到手輪方式導通 F3. 2常開觸點，按下主軸正轉按鍵 X0. 2常開觸點閉合，X0. 3常閉觸點為主軸停止按鍵，未按下保持常閉，X8. 4常開觸點為急停按鍵信號，開機解開急停后 X8. 4常開觸點閉合，機床主軸初始狀態無動作，主軸反轉指示燈 Y0. 4常閉觸點保持常閉，因此主軸正轉指示燈 Y0. 2線圈和主軸正轉輸出信號 Y2. 0線圈導通，Y0. 2常開觸點得電常開變為常閉，R4. 4與 R4. 5為主軸反轉指令和主軸停止的 M 代碼譯碼信號，手動方式沒有譯碼輸出依然為常閉，所以 Y0. 2線圈自鎖持續得電，Y2. 0線圈也持續得電，主軸保持正轉。手動方式主軸反轉原理和正轉相同。

自動方式主軸正轉：輸入主軸正轉指令 M3，F7. 0為 M 代碼譯碼信號，執行 M 指令時得電，F7. 0常開觸點變為常閉，導通 SUB25[5]指令模塊，SUB25開始工作，根據譯碼結果，使其譯碼結果輸出到指定的地址 R4. 3，相應的輸出位 R4. 3置1，R4. 3常開觸點閉合，X8. 4常開觸點開機解開急停后變為常閉，主軸停止按鍵 X0. 3常閉觸點保持常閉，主軸反轉指示燈 Y0. 4常閉觸點保持常閉，因此主軸正轉指示燈 Y0. 2線圈和主軸正轉輸出信號 Y2. 0線圈導通，Y0. 2常開觸點得電常開變為常閉，主軸反轉信號 R4. 4和主軸停止信號 R4. 5沒有譯碼輸出依然為常閉，所以 Y0. 2線圈自鎖持續得電，Y2. 0線圈也持續得電，主軸保持正轉。自動方式主軸反轉原理和正轉相同。

手動方式主軸停止：主軸正在正轉，Y0. 2線圈自鎖持續得電，主軸正轉輸出信號 Y2. 0線圈持續得電。按下主軸停止按鍵 X0. 3，常閉觸點 X0. 3變為常開，Y0. 2觸點自鎖斷開，Y0. 2線圈失電，主軸正轉輸出信號 Y2. 0線圈失電，正轉輸出信號結束，主軸停止正轉，手動方式主軸反轉停止工作原理相同。

自動方式主軸停止：主軸正在正轉，Y0. 2線圈自鎖持續得電，主軸正轉輸出信號 Y2. 0線圈持續得電。輸入主軸停止指令 M5，F7. 0為 M 代碼譯碼，執行 M 指令時得電， F7. 0常開觸點變為常閉，導通 SUB25指令模塊， SUB25開始工作，根據譯碼結果，使其譯碼結果輸出到指定的地址 R4. 5，相應的輸出位 R4. 5置1，R4. 5常閉觸點斷開，Y0. 2觸點自鎖斷開，Y0. 2線圈失電，主軸正轉輸出信號 Y2. 0線圈失電，正轉輸出信號結束，主軸停止正轉，自動方式主軸反轉停止工作原理相同。

2. 3 模擬主軸倍率信號組合

數控機床主軸轉速的設計調速范圍是50%～120%。主軸速度的倍率信號組合和調速范圍如表2所示。 G30. 0～G30. 7輸出的二進制數值計算相加的結果即為當前主軸的倍率值。

2. 4 模擬主軸倍率開關調整加速和減速 PLC程序編制

主軸速度倍率開關控制加減速 PLC程序如圖3所示， R9091. 1為 FANUC系統的常1信號，R9091. 1常閉變成常開，SUB27功能模塊 RST=0不執行復位，R9091. 1常開變為常閉，ACT=1時 SUB27二進制代碼轉換功能模塊開始執行。當調整主軸速度倍率為100%時，主軸倍率開關觸點 X11. 1和 X11. 2閉合，R18. 0和 R18. 2線圈得電輸出信1， SUB27模塊中數據 R12=0000101，R12中二進制數經過計算得出數值5，SUB27模塊中數據表5對應的數值為100，所以 G30要輸出數值100（二進制），如表3所示 G30. 2、 G30. 5和 G30. 6中二進制值組合為100，因此 G30. 2、 G30. 5和G30. 6生效，即當前的主軸速度倍率為100%。

2. 5 模擬主軸按鍵調整加速和減速 PLC程序編制

按鍵開關控制主軸加減速 PLC 程序如圖4～6所示，機床初始狀態，主軸100%倍率，R9091. 1[6]為常1信號， R9091. 1常開觸點閉合，主軸100%倍率時，R130. 1線圈保持得電，R130. 1常開觸點閉合，主軸100%倍率R18. 2線圈與主軸100%倍率按鍵燈Y7. 2線圈得電，R18. 2敞開觸點閉合，形成自鎖，主軸100%倍率R18. 2線圈與主軸100%倍率按鍵燈Y7. 2線圈保持得電狀態。

按鍵開關控制主軸加速 PLC程序如圖6所示，按下主軸加速倍率按鍵 X10. 3， X10. 3常開觸點變為常閉， R130. 0常閉觸點保持常閉不變化， R18. 0常閉觸點保持常閉不變化，SUB33移位功能模塊 ACT=1，SUB33移位功能模塊[7]開始執行數據移位。SUB33移位功能模塊 DIR=1， SUB33移位功能模塊執行數據右移，右移幾位是由主軸加速倍率按鍵 X10. 3按的次數決定，假定加速到主軸速度110%，主軸加速倍率按鍵 X10. 3按一下，同時導通 Y7. 3線圈，使倍率加速燈亮，SUB33移位功能模塊中 R18=00000100右移變為 R18=00000010， R18. 1=1，R18. 1得電輸出： R18. 1常開觸點變為常閉，使 G30. 6、 G30. 5、G30. 3、G30. 2、G30. 1得電，如表2所示4個 G 信號中的數值相加計算結果為110（二進制）， R18. 1得電，R18. 1常閉觸點斷開，R130. 1線圈失電，R130. 1敞開觸電恢復常開，主軸100%倍率R18. 2線圈與主軸100%倍率按鍵燈 Y7. 2線圈失電，數控系統主軸顯示倍率110%。

按鍵開關控制主軸轉速恢復100%如圖6所示，按下主軸100%倍率按鍵X10. 2，SUN27指令模塊[8]將1B長的常數0賦給 R18。清除 R18信號內的數據，使 R18=00000000， R18信號失電， R18常閉觸點恢復常閉， R130. 1線圈保持得電， R130. 1常開觸點變為常閉， R9091. 1為常1信號，R9091. 1常開觸點閉合，主軸100%倍率 R18. 2線圈與主軸100%倍率按鍵燈Y7. 2線圈得電， R18. 2敞開觸點閉合，形成自鎖，主軸100%倍率 R18. 2線圈與主軸100%倍率按鍵燈 Y7. 2線圈保持得電狀態，主軸恢復100%倍率。

按鍵開關控制主軸減速 PLC程序如圖5所示，按下主軸減速倍率按鍵 X10. 1， X10. 1常開觸點變為常閉， R130. 0常閉觸點保持常閉不變化， R18. 7常閉觸點保持常閉不變化，SUB33移位功能模塊 ACT=1，SUB33移位功能模塊開始執行數據移位。SUB33移位功能模塊 DIR=0，SUB33移位功能模塊執行數據左移，左移幾位是由主軸減速倍率按鍵 X10. 1按的次數決定，假定加速到主軸速度90%，主軸減速倍率按鍵 X10. 1按一下，同時導通 Y7. 1線圈，使倍率減速燈亮， SUB33移位功能模塊中 R18=00000100左移變為 R18=00001000，R18. 3=1， R18. 3得電輸出： R18. 3常開觸點變為常閉，使 G30. 6、 G30. 4、G30. 3、G30. 1得電，如表2所示四個 G 信號中的數值相加計算結果為90（二進制）， R18. 3得電， R18. 3常閉觸點斷開，R130. 1線圈失電，R130. 1敞開觸電恢復常開，主軸100%倍率 R18. 2線圈與主軸100%倍率按鍵燈 Y7. 2線圈失電，數控系統主軸顯示倍率90%。

3 結束語

本文研究了 FANUC0I-F 系統數控機床模擬主軸的硬件連接，從數控機床信號的定義、主軸加速和減速信號的組合原理，改進編制了數控設備不同操作方式對模擬主軸進行調速的 PLC程序，實現了倍率開關和按鍵開關對模擬主軸進行調速的功能。隨著自動化設備應用越來越廣泛，改進設備的控制程序，提高設備的使用可靠性，正是符合綠色制造，可持續發展的基本方針。

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作者簡介：沈鉆科（1982-），男，大學本科，講師，高級技師，研究領域為數控設備智能化裝調與維修，已發表論文10篇。 （編輯：刁少華）