基于FANUC-0i系統(tǒng)的開(kāi)放式數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置研制

賴(lài)思琦，黃恒

(1.西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽(yáng) 621010;2.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621010)

近幾年，數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)機(jī)械制造業(yè)中的使用越來(lái)越廣泛，作為機(jī)電一體化的高技術(shù)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，其設(shè)計(jì)、調(diào)試、維修相當(dāng)復(fù)雜。為使機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的工作原理和系統(tǒng)組成，對(duì)機(jī)床的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、故障診斷及維修等實(shí)際技術(shù)有一個(gè)直觀、清楚的掌握，研制開(kāi)發(fā)多功能、開(kāi)放性、模塊化的數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)實(shí)踐教學(xué)具有重要的意義和作用。

機(jī)床廠家生產(chǎn)的數(shù)控設(shè)備都是根據(jù)加工需要而設(shè)計(jì)的，電氣系統(tǒng)完全裝在電氣柜中，并且機(jī)床廠家為保守技術(shù)秘密，通常會(huì)對(duì)PMC梯形圖加密，因而一般數(shù)控機(jī)床都不具備開(kāi)放性。教學(xué)設(shè)備廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)裝置，只有電氣部分的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，沒(méi)有實(shí)際的機(jī)床控制對(duì)象。而學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)的原理時(shí)，恰恰需要通過(guò)開(kāi)放的數(shù)控電氣系統(tǒng)對(duì)實(shí)際機(jī)床對(duì)象的控制，來(lái)掌握數(shù)控系統(tǒng)的配置、電氣線路連接、I/O端口設(shè)置、PMC程序設(shè)計(jì)、故障診斷等綜合性技能，使學(xué)生經(jīng)過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)，提高其設(shè)計(jì)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力［1］。

1 數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

數(shù)控實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路是結(jié)合機(jī)床設(shè)備和實(shí)驗(yàn)臺(tái)兩者，既有實(shí)際的機(jī)床控制對(duì)象，又有開(kāi)放的控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)。所有的電氣線路、I/O端口和PMC程序等全部對(duì)外開(kāi)放，使得在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以積極參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，自己動(dòng)手完成機(jī)床電氣設(shè)計(jì)、PMC程序設(shè)計(jì)、外部故障診斷分析、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、機(jī)床調(diào)試等，并可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，從而達(dá)到很好的實(shí)訓(xùn)效果［2］。

目前，國(guó)內(nèi)數(shù)控銑床、加工中心上使用最為廣泛的是日本FANUC系統(tǒng)。因此，選擇FANUC-0i Mate MD系統(tǒng)，最多可控制4個(gè)伺服軸和1個(gè)主軸，可同時(shí)控制伺服軸數(shù)為3個(gè)，配置βi系列伺服放大器和βiS系列伺服電機(jī)。

機(jī)床本體選擇臺(tái)灣合資臺(tái)正光機(jī)，床身為樹(shù)脂砂鑄件，x、y、z三向?qū)к壘鶠榇慊穑N塑滑動(dòng)導(dǎo)軌副，分別采用臺(tái)灣上銀滾珠絲桿和臺(tái)灣盈錫精密鎖緊螺母，各處軸承采用日本NSK，具有很高的加工精度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性、可靠性，其規(guī)格如表1所示。

表1 機(jī)床本體規(guī)格

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置的控制要求和開(kāi)放性、模塊化要求，以及電源短路、過(guò)載保護(hù)需要，其主電路及相關(guān)控制電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 主電路及控制電路圖

主電路中，QF1為電源總開(kāi)關(guān)，控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的電源通斷;在伺服驅(qū)動(dòng)電源中，經(jīng)過(guò)QF2、QF3斷路器、TC1隔離變壓器和浪涌吸收器的保護(hù)，為βi伺服放大器供電200 V;同時(shí)，TC1變壓器輸出220 V電源，經(jīng)VC1變壓為24 V DC，經(jīng)KM1接觸器，供βi伺服放大器和FANUC數(shù)控系統(tǒng)使用;另有變壓器輸出220 V和24 V電源接潤(rùn)滑油泵電機(jī)與照明燈。

伺服放大器采用βi SVSP一體化模塊;x、y軸電機(jī)選擇βi S8/3000伺服電機(jī)，z軸電機(jī)選擇βi S12/2000伺服電機(jī);主軸為模擬主軸，使用臺(tái)達(dá)VE變頻器，電機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速1 460 r/min，額定功率11 kW，其接線如圖2所示。

圖2 伺服單元接線圖

數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC-0i Mate MD系統(tǒng)，與伺服 端口接線以及與I/O LinK模塊接線如圖3所示［3－4］。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)接線圖

3 PMC設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，CNC內(nèi)部和機(jī)床各行程開(kāi)關(guān)、傳感器、按鈕、繼電器等開(kāi)關(guān)量信號(hào)的控制任務(wù)是由PLC來(lái)完成的。FANUC系統(tǒng)內(nèi)置PLC專(zhuān)用于控制數(shù)控機(jī)床，其中有多條專(zhuān)用指令，故而叫做PMC—可編程機(jī)床控制器，其程序采用梯形圖格式。

根據(jù)數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置的控制要求和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)，PMC常用輸入點(diǎn)36個(gè)，輸出點(diǎn)9個(gè)，其I/O分配情況如表2—3所示。

表2 PMC輸入信號(hào)I/O分配

表3 PMC輸出信號(hào)I/O分配

PMC梯形圖使用FANUC LADDER－Ⅲ軟件編寫(xiě)，分為第一級(jí)和第二級(jí)兩部分，其中第一級(jí)程序每8 ms執(zhí)行一次，用于處理短脈沖信號(hào)，如圖4所示［5－8］。

4 故障點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的故障現(xiàn)象，通過(guò)旋鈕開(kāi)關(guān)在實(shí)驗(yàn)裝置上設(shè)置了23個(gè)故障點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，由教師設(shè)置故障，學(xué)生根據(jù)故障現(xiàn)象、系統(tǒng)報(bào)警和外部報(bào)警，結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)、PMC梯形圖和電氣原理圖，來(lái)判斷并排除故障，進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的故障診斷訓(xùn)練。

圖4 PMC第一級(jí)梯形圖

例如，系統(tǒng)報(bào)警“SV0602逆變器過(guò)熱”，查看FANUC維修說(shuō)明書(shū)，該報(bào)警內(nèi)容為伺服放大器過(guò)熱。分析其原因，最大可能為伺服單元的風(fēng)扇故障。按照電氣原理圖檢查線路，果然發(fā)現(xiàn)伺服單元風(fēng)扇的電源線被斷開(kāi)。關(guān)機(jī)后，旋鈕開(kāi)關(guān)接上風(fēng)扇線路，等待幾分鐘，待伺服放大器冷卻后再開(kāi)機(jī)，報(bào)警消除，系統(tǒng)恢復(fù)正常［9］。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于FANUC-0i系統(tǒng)的開(kāi)放式數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置極大地改善了機(jī)電專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)硬件環(huán)境，為機(jī)床電氣控制、數(shù)控技術(shù)等課程和相關(guān)內(nèi)容的畢業(yè)設(shè)計(jì)、研究生學(xué)習(xí)提供了支撐條件?？梢允箤W(xué)生全面深入地學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)方法、安裝調(diào)試、常見(jiàn)故障診斷及處理，培養(yǎng)出既懂?dāng)?shù)控機(jī)床原理又熟悉現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試維修的工程技術(shù)人員。

【1】張旭輝，李強(qiáng)，姜俊英，等.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(10):193－195.

【2】杜學(xué)文，顧容，孔德彭.多功能一體化數(shù)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011(6):232－234，263.

【3】北京FANUC公司.FANUC Series 0i－D/0i Mate－D維修說(shuō)明書(shū)［M］.北京:北京FANUC機(jī)電有限公司，2009.

【4】李德榮，梁景松.基于FANUC 0i Mate-MC數(shù)控系統(tǒng)的普通銑床改造［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(4):93－95.

【5】北京FANUC公司.BEIJING－FANUC PMC梯形圖語(yǔ)言編程說(shuō)明書(shū)［M］.北京:北京FANUC機(jī)電有限公司，2001.

【6】唐霞，陳夏冰.巧用PLC的I/O狀態(tài)和梯形圖現(xiàn)場(chǎng)診斷數(shù)控機(jī)床故障［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(2):140－141.

【7】王哲，趙愛(ài)國(guó)，趙德云，等.PLC在FANUC系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(18):79－80.

【8】余金偉，廖友軍.利用PMC進(jìn)行數(shù)控機(jī)床故障診斷的方法［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(6):243－244.

【9】劉瑞己.FANUC數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)在維修中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(10):111－112，114.