配置FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)CKA6150型數(shù)控車床的全閉環(huán)升級(jí)

【摘 要】以大連機(jī)床廠生產(chǎn)的CKA6150型數(shù)控車床為載體，對(duì)該CKA6150型數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，然后詳細(xì)介紹了配置FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)的全閉環(huán)條件下的電氣線路的連接、半閉環(huán)改為全閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算與設(shè)定等，為各大中專院校及中小企業(yè)半閉環(huán)式的FANUC系統(tǒng)的數(shù)控車床升級(jí)為全閉環(huán)提供參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控車床 全閉環(huán) 參數(shù)設(shè)定

【中圖分類號(hào)】 G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】0450-9889（2015）04C-0185-02

全國職業(yè)技能大賽數(shù)控機(jī)床裝配調(diào)試與維修賽項(xiàng)近年來全部以數(shù)控機(jī)床的升級(jí)改造為主。以2013年為例，采用的是大連機(jī)床廠生產(chǎn)的CKA6150數(shù)控車床，參賽學(xué)?？蛇x擇FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)或華中HNC-808數(shù)控系統(tǒng)，鑒于FANUC數(shù)控系統(tǒng)在全國用戶的占有比例較大，本校選用了FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)。本次大賽的主要任務(wù)是把常規(guī)的性價(jià)比較高的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)（僅升級(jí)X軸），在不大幅增加成本的前提下達(dá)到提高加工精度的目的。本文以配置FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)的大連機(jī)床廠生產(chǎn)的CKA6150數(shù)控車床為例，詳細(xì)介紹了CKA6150型數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)、半閉環(huán)數(shù)控車床升級(jí)改造為全閉環(huán)數(shù)控車床的電氣線路的構(gòu)成與連接、數(shù)控系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算與設(shè)定等。

一、CKA6150型數(shù)控車床電氣控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

CKA6150型臥式車床的電氣控制系統(tǒng)是由CNC控制部分、交流伺服驅(qū)動(dòng)部分及中、強(qiáng)電控制部分等構(gòu)成，如圖1所示。CNC采用日本FANUC公司生產(chǎn)的FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)與彩色液晶顯示器是一體的，主板及其元器件安裝在顯示器背面，是一種緊湊式數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是2008年新推出的高性價(jià)比的產(chǎn)品。PLC內(nèi)置于CNC內(nèi)部，采用新版本的FLADDER梯形圖處理軟件，可實(shí)現(xiàn)在線或數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上修改梯形圖程序。該車床的運(yùn)動(dòng)主要有X和Z軸工作臺(tái)的移動(dòng)，主軸的旋轉(zhuǎn)，刀架的換刀等。工作臺(tái)的移動(dòng)又叫伺服運(yùn)動(dòng)，由CNC控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)單元、伺服電機(jī)構(gòu)成半閉環(huán)控制，使機(jī)床的加工精度與定位精度較高；主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由主軸電機(jī)帶動(dòng)的，圖示為模擬主軸，其運(yùn)動(dòng)受PLC控制，用同軸的主脈檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，并把該信號(hào)反饋給CNC數(shù)控系統(tǒng)；換刀是由刀架的正反轉(zhuǎn)完成的，其正反轉(zhuǎn)由刀臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)，換刀情況受PLC控制；另外機(jī)床在切削加工的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為避免工件燒蝕，保證加工精度一般機(jī)床還配有水泵電機(jī)（又叫冷卻泵電機(jī)）。

二、半閉環(huán)改為全閉環(huán)電氣線路的連接

（一）半閉環(huán)與全閉環(huán)

隨著數(shù)控技術(shù)的深度應(yīng)用，企業(yè)對(duì)零件加工能達(dá)到的速度和精度的要求日益提高，這就對(duì)數(shù)控機(jī)床本身提出了新的挑戰(zhàn)。數(shù)控機(jī)床的伺服控制目前以半閉環(huán)控制為主，所謂半閉環(huán)控制是指 CNC指令給伺服放大器，反饋信號(hào)由與電機(jī)同軸的編碼器發(fā)出。半閉環(huán)控制由于讀取電機(jī)同軸信號(hào)，所以可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)角位移情況，電機(jī)軸端精度控制非常精確，但是由于電機(jī)軸后傳動(dòng)鏈沒有監(jiān)控到位，所以后面?zhèn)鲃?dòng)鏈的精度有損失，如絲杠誤差、間隙、熱變形等無法控制，因此對(duì)于加工精度要求較高的零件無法滿足要求。而全閉環(huán)控制是指CNC指令發(fā)送給伺服放大器，反饋信號(hào)由安裝在終端移動(dòng)部件上的檢測(cè)裝置——光柵尺發(fā)出，可以監(jiān)控到工作臺(tái)與刀具的最終相對(duì)精度，所以精密加工機(jī)床、大型龍門銑床、數(shù)控鏜銑床等均采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

本次全國職業(yè)技能大賽數(shù)控機(jī)床裝配調(diào)試與維修賽項(xiàng)就是結(jié)合企業(yè)的需要，先使配備FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)的CKA6150型數(shù)控車床在半閉環(huán)狀態(tài)能正常運(yùn)行，然后在X軸工作臺(tái)上加裝光柵尺升級(jí)為全閉環(huán)。由于FANUC 0i Mate TD本身就是經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控系統(tǒng)，加工精度就相對(duì)稍差，想升級(jí)為全閉環(huán)的加工精度很高的數(shù)控車床困難很大，加上日本進(jìn)口的數(shù)控系統(tǒng)本身存在很多保密的技術(shù)，和國產(chǎn)的光柵尺不能協(xié)調(diào)匹配，最終組委會(huì)選擇了同樣是進(jìn)口的海德漢光柵尺，型號(hào)為LC193F，是一種絕對(duì)式的光柵尺。還加裝了一個(gè)分離型檢測(cè)器接口使光柵尺和本身的數(shù)控車床的接口相匹配。

（二）全閉環(huán)狀態(tài)下的電氣連接

圖2是全閉環(huán)控制狀態(tài)下CKA6150型數(shù)控車床各主要部件的整體電氣連接圖，主要反映的是和全閉環(huán)伺服控制有關(guān)的連接。

圖2中①為CNC，本校參加大賽時(shí)選擇的CNC是FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)，信號(hào)通過FSSB高速串行總線從CNC上的COP10A接口到②上的COP10B接口，該總線可雙向傳輸信號(hào)。②為X軸的伺服放大器，型號(hào)為βiSVM-20，從而控制X軸的電機(jī)SMx，通過編碼器PGX讀取電機(jī)的同軸信號(hào)反饋到X軸伺服放大器上的JF1接口。信號(hào)還可以通過第二條FSSB高速串行總線從X軸伺服放大器上的COP10A接口傳輸?shù)絑軸伺服放大器上的COP10B接口，同樣的Z軸伺服放大器可控制Z軸電機(jī)SMz以及接收編碼器PGZ的反饋信號(hào)，此時(shí)的連接為半閉環(huán)。要想成為全閉環(huán)還要加裝④和⑤，其中⑤為海德漢光柵尺，安裝在X軸工作臺(tái)上精確檢測(cè)終端的移動(dòng)量，檢測(cè)反饋信號(hào)接到分離型檢測(cè)器接口⑤的JF101接口上，分離型檢測(cè)器接口上共有JF101-JF104四個(gè)反饋接口，可接收不同軸的反饋信號(hào)，若為Z軸工作臺(tái)上加裝光柵尺，可接到JF103接口。第三條FSSB總線從Z軸伺服放大器上的COP10A接口到分離型檢測(cè)器接口上的COP10B接口，這樣就把光柵尺和原有的伺服系統(tǒng)連接起來組成了全閉環(huán)控制。

三、半閉環(huán)改為全閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算與設(shè)定

全閉環(huán)電氣線路連接好之后，在FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行與全閉環(huán)有關(guān)的參數(shù)設(shè)定，在全閉環(huán)參數(shù)設(shè)定之前保證半閉環(huán)參數(shù)已設(shè)定正確、完畢。

（一）設(shè)定準(zhǔn)備

結(jié)合設(shè)備的使用說明書，CKA6150型數(shù)控車床X軸絲杠螺距為4 mm，數(shù)控系統(tǒng)的最小指令單位為1?m，海德漢LC193F型光柵尺分辨率為0.05?m。

（二）具體設(shè)定步驟

1.設(shè)定FSSB。把參數(shù)寫保護(hù)打開后，按三次SYSEM按鍵調(diào)出參數(shù)支援畫面→移動(dòng)光標(biāo)到FSSB→軸設(shè)定畫面下將X軸對(duì)應(yīng)的M1設(shè)定為1，并按“設(shè)定”軟鍵進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定。分離型檢測(cè)器接口 M1可接四個(gè)軸的位置反饋，分別為 JF101-JF104， 硬件連接X軸反饋接 JF101，故將M1設(shè)定為1。

2.設(shè)定光柵尺有效。在參數(shù)搜索界面搜索參數(shù)1815，光標(biāo)移動(dòng)到第1位，把該位設(shè)為1，即1815#1=1，意思為使用光柵尺。

3.更改反饋方向。在參數(shù)搜索界面搜索參數(shù)2018，光標(biāo)移動(dòng)到第0位，把該位設(shè)為1，即2018#0 =1，意思為更改反饋方向。

4.設(shè)定柔性齒輪比N/M。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的最小指令單位、光柵尺的分辨率及柔性齒輪比公式N/M=指令單位/輸出脈沖，計(jì)算出N/M=1?m/（1/0.05?m）=1：20。設(shè)定方法為，按三次SYSEM按鍵調(diào)出參數(shù)支援畫面→光標(biāo)移動(dòng)到伺服設(shè)定畫面進(jìn)入，設(shè)定柔性齒輪比 N為1，M為20，即N/M=1/20。

5.設(shè)定位置反饋脈沖。根據(jù)X軸的絲杠螺距、光柵尺的分辨率及位置反饋脈沖公式Ns=絲杠螺距/光柵分辨率，計(jì)算出Ns=4000/0.05=80000（結(jié)合FANUC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)定，位置反饋脈沖數(shù)如果大于 32767 時(shí)，則設(shè)定值=A*B，A：參數(shù)2024，B：參數(shù)2185）。若參數(shù)2024=2000，則參數(shù)2185=40。可用參數(shù)號(hào)搜索的方法進(jìn)行設(shè)定。

6.建立位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。用參數(shù)號(hào)搜索的方法將1815#4設(shè)為1，300號(hào)報(bào)警消失，位置對(duì)應(yīng)關(guān)系建立，然后關(guān)閉寫保護(hù)開關(guān)，機(jī)床斷電后再上電重啟即可完成全閉環(huán)的參數(shù)設(shè)定。

本次全國職業(yè)技能大賽嘗試性地對(duì)配置FANUC 0i Mate TD數(shù)控系統(tǒng)CKA6150型數(shù)控車床進(jìn)行了全閉環(huán)升級(jí)，本校參賽選手最終取得了國賽三等獎(jiǎng)，這是歷年來廣西參賽隊(duì)在全國職業(yè)技能大賽上取得的最好成績。結(jié)合指導(dǎo)選手的經(jīng)歷，本文對(duì)全閉環(huán)升級(jí)進(jìn)行了詳盡的說明，可為各大專中院校及中小企業(yè)機(jī)床的全閉環(huán)升級(jí)改造提供幫助，改造后機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度是否能達(dá)到預(yù)期的效果，還需要進(jìn)一步的測(cè)量驗(yàn)證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張?chǎng)?HNC-808系統(tǒng)車床半閉環(huán)升級(jí)全閉環(huán)的研究與實(shí)踐[J].機(jī)床與液壓，2014（10）

[2]黃敏高.基于FANUC系統(tǒng)的全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床減振控制應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008（10）

[3]劉江.配置不同類型位置檢測(cè)裝置FANUC-0i C 數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008（3）

[4]龔仲華.論絕對(duì)光柵尺[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2011（8）

[5]趙傳彬.華中8型數(shù)控車床的半閉環(huán)改全閉環(huán)的研究[J].中國機(jī)械，2013（7）

[6]閆恩剛.數(shù)控車床位置檢測(cè)全閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床電器，2012（5）

[7]唐滿賓.數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)伺服系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].機(jī)電產(chǎn)品導(dǎo)報(bào)，2003（7）

[8]湯彩萍.數(shù)控系統(tǒng)安裝與調(diào)試[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009

【作者簡(jiǎn)介】張麗麗（1979- ），女，河南省淮陽縣人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師。

（責(zé)編 吳 筱）