機床系統(tǒng)的選型與實現(xiàn)

李英碩 李金石

摘 要： 數(shù)控機床即數(shù)字控制機床，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。數(shù)控機床具有高加工精度、高效率的特點，隨著智能化的發(fā)展數(shù)控機床成為制造業(yè)主要設(shè)備。本文詳細介紹了數(shù)控系統(tǒng)的選型與實現(xiàn)，對數(shù)控機床設(shè)計具有積極地意義。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機床;數(shù)控系統(tǒng);選型

1.數(shù)控系統(tǒng)的選型

數(shù)控系統(tǒng)的配置和功能是數(shù)控機床的重要組成部分，配置什么樣的數(shù)控系統(tǒng)及選擇哪些數(shù)控功能，都是機床生產(chǎn)廠家和最終用戶所關(guān)注的問題。市場數(shù)控系統(tǒng)主要有FANUC（發(fā)那科）、西門子、i5、三菱、廣數(shù)等產(chǎn)商，其中發(fā)那科和西門子具有占市場份額較大，用戶對其產(chǎn)品認可度較高，因此本文選用日本發(fā)那科公司的FANUC 0i Mate-TC數(shù)控系統(tǒng)。

1.1 數(shù)控系統(tǒng)面板與操作面板

FANUC 0i Mate-TC數(shù)控系統(tǒng)的操作面板通常由LCD顯示區(qū)、MDI鍵盤區(qū)、軟鍵開關(guān)區(qū)和存儲卡接口組成。操作面板選擇由操作方式選擇鍵、功能選擇鍵、輔助功能鍵、點動和軸選鍵、主軸鍵和其它按鈕開關(guān)組成并與FANUC0iMate-TC數(shù)控系統(tǒng)相匹配。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)接口

FANUC 0i Mate-TC數(shù)控系統(tǒng)背面接口分布。

（1）FSSB光纜連接線接口[COP10A-1]和[COP10A-2]。

（2）系統(tǒng)出廠時均已連接好的風(fēng)扇、電池、軟鍵、MDI。

（3）伺服檢測口（CA69）。

（4）電源線一般設(shè)有+24V輸入和+24V輸出有兩個接口。

（5）RS232接口用于與電腦通訊，共設(shè)有兩個互為備份。

（6）模擬主軸（JA40），使用變頻模擬主軸，主軸信號指令由JA40模擬主軸接口引出，控制主軸轉(zhuǎn)速。

（7）串行主軸/編碼器接口，采用串行主軸時的控制接口，采用模擬主軸時，此處連接模擬主軸編碼器，反饋主軸轉(zhuǎn)速。

（8）I/O Link[JD1A]，通過該接口與系統(tǒng)內(nèi)置PMC的I/O模塊（I/O Link）相連接，實現(xiàn)與系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

（9）存儲卡插槽，用于讀寫存儲卡，實現(xiàn)對儲存卡內(nèi)數(shù)據(jù)進行輸入/輸出操作，也實現(xiàn)進行DNC加工。

2 主軸控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

本文中數(shù)控機床由變頻器控制的主軸電機，實現(xiàn)無級調(diào)速。即變頻器接收數(shù)控系統(tǒng)主軸控制接口發(fā)出的指令電壓，經(jīng)變頻器處理放大后控制主軸電動機的運行，主軸電機控制的原理圖。

3 進給控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

采用發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)后，進給軸驅(qū)動系統(tǒng)需要與發(fā)那科系統(tǒng)相匹配的交流伺服系統(tǒng)。發(fā)那科全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，由位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成。內(nèi)部應(yīng)用數(shù)字PID算法，具有靈活，柔性好，快速響應(yīng)和高控制精度的特點。

發(fā)那科交流伺服系統(tǒng)分為α、αi系列，β、βi系列，i表示提高增強，α性能優(yōu)于β。

伺服單元（SVU）輸入三相200V、50HZ的交流電，伺服單元需要串接制動電阻用來消耗掉伺服電機再生能量。伺服單元有α、β、βi系列其中βi系列將主軸模塊，進給模塊，電源模塊做成一體。

伺服模塊（SVM）由直流電源（DC300V）作為輸出電源，可將伺服電機產(chǎn)生的再生能量直接回饋電網(wǎng)。αi系列伺服模塊與與α系列伺服模塊相比用光纜代替了電纜的連接，保證傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?，降低了故障?模塊間的數(shù)據(jù)的傳遞上αi系列模塊通過CX2A/CX2B串行數(shù)據(jù)傳遞信息，替代了原有信號電纜JX1A/JX1B代碼傳遞。伺服模塊及伺服電機的配置，αi在性能質(zhì)量、跟隨性都要高于βi系列。αi適合模具等多曲面加工，βi適合常規(guī)加工。

3.1 光電編碼器

光電編碼器是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，裝設(shè)于電機轉(zhuǎn)軸上，碼盤隨電機軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式傳遞至驅(qū)動器，以便驅(qū)動器控制電機運行。數(shù)控機床大多采用增量式光電編碼器。

3.2 伺服系統(tǒng)電氣控制原理

本文數(shù)控機床進給系統(tǒng)采用FANUC公司βis伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其具有如下特點：

（1）采用三相AC 200V-240V寬電壓供電。

（2）具有智能電源管理模塊，若發(fā)生故障和緊急情況時，快速處罰急停鏈，斷開電源，確保安全。

（3）通過FSSB光纜傳輸伺服系統(tǒng)的控制信號及位置、速度等信號，抗干擾能力強。

伺服驅(qū)動器與供電電源的連接，兩伺服驅(qū)動器之間的連接、伺服電動機與其驅(qū)動器與連接，數(shù)控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動器的連接。伺服驅(qū)動器的相關(guān)接口如下：

（1）CZ4接口為三相交流200-240V電源輸入口。

（2）CZ5接口為伺服驅(qū)動器與伺服電機的電源口。

（3）CZ6與CX20為制動電阻的兩個接口，若不裝設(shè)制動電阻須將CZ6及CX20短接，否則，驅(qū)動器報警信號觸發(fā)，不能正常工作，建議必須連接放電電阻。

（4） CX29接口為驅(qū)動器內(nèi)部繼電器一對常開端子，驅(qū)動器與CNC正常連接后，即CNC檢測到驅(qū)動器且驅(qū)動器沒有報警信號觸發(fā)，CNC使能信號通知驅(qū)動器，驅(qū)動器內(nèi)部信號使繼電器吸合，從而使外部電磁接觸器線圈得電，給放大器提供工作電源。

（5）CX30接口為急停信號接口，短接此接口1和3腳，急停信號由I/O給出。

（6）CX19B為驅(qū)動器24V電源接口，為驅(qū)動器提供直流工作電源，第二個驅(qū)動器與第一個驅(qū)動器由CX19A到CX19B具體接線詳見電氣原理圖。

（7）COP10A接口，數(shù)控系統(tǒng)與第一級驅(qū)動器之間或第一級驅(qū)動器和第二級驅(qū)動器之間用光纜傳輸速度指令及位置信號，信號總是從上一級的COP10A接口到下一級的COP10B接口。

（8）JF1為伺服電機編碼器反饋接口。

結(jié)論

本文介紹了數(shù)控機床系統(tǒng)的選型以及其面板功能和基本接口，描述了主軸控制基本原理以及進給系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，為數(shù)控機床的設(shè)計有參考意義。

參考文獻

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