摘要：主要研究了 FANUC0I-F 系統(tǒng)數(shù)控機(jī)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(jìn)和實現(xiàn)了數(shù)控設(shè)備使用不同的操作方式對模擬主軸進(jìn)行調(diào)速的控制方法。針對使用模擬主軸數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點，確定了使用模擬主軸數(shù)控機(jī)床的硬件構(gòu)成。從使用模擬主軸數(shù)控機(jī)床信號的定義、手動與自動工作方式下主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)方向和停止進(jìn)行控制程序設(shè)計。根據(jù)主軸加速和減速信號的組合原理，講解了使用倍率開關(guān)調(diào)整主軸加減速度的 PLC程序的編制和改進(jìn)設(shè)計后使用按鍵開關(guān)調(diào)整主軸加減速度的 PLC程序的編制。經(jīng)過對模擬主軸 PLC程序的編制與設(shè)計，實現(xiàn)了倍率開關(guān)和按鍵開關(guān)對模擬主軸進(jìn)行調(diào)速的功能。

關(guān)鍵詞：PLC程序;模擬主軸;倍率開關(guān);按鍵開關(guān)

中圖分類號：TG659文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)控系統(tǒng)因具有高可靠性、高性價比、高集成度等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種類型數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)。CNC 控制單元是 FANUC0i-F 數(shù)控系統(tǒng)的核心部件[1]，其將 CNC控制器部件（主板）和 LCD人機(jī)交互顯示器集成于一體，建立了 CNC、PMC和機(jī)床外部 I/O信號的通訊和連接，主軸控制可實現(xiàn)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(qū)動模塊、主軸電機(jī)，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(jī)和數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。對于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)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(shè)計與研究具有重要的意義。使用主軸速度倍率開關(guān)控制加減速的調(diào)速方式在數(shù)控設(shè)備上使用非常廣泛，但是由于調(diào)速倍率開關(guān)硬件本身的原因，在頻繁使用過程中會出現(xiàn)調(diào)速開關(guān)接觸不良、損壞等現(xiàn)象。為解決因為調(diào)速開關(guān)出現(xiàn)故障造成主軸無法調(diào)速問題，利用數(shù)控設(shè)備操作面板上的空白按鍵或不重要的功能按鍵進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn)，將 PLC程序設(shè)計成按鍵開關(guān)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(tǒng)為研究載體，主要介紹模擬主軸控制系統(tǒng)的硬件連接、PLC程序的編制與改進(jìn)設(shè)計以及數(shù)控系統(tǒng)模擬主軸參數(shù)的設(shè)置等內(nèi)容。

1 模擬主軸硬件連接圖

在數(shù)控車床上使用 FANUC0I-F 系統(tǒng)用于機(jī)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(jìn)給軸、2個單軸伺服驅(qū)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(shù)控機(jī)床向 PLC發(fā)送的輸入信號，Y 信號是 PLC向數(shù)控機(jī)床發(fā)送的輸出信號，G 信號[3]是 PLC向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送的輸出信號，F(xiàn) 信號是數(shù)控系統(tǒng)向 PLC發(fā)送的輸入信號。R 信號是 PLC內(nèi)部進(jìn)行處理的輸入和輸出信號。這5種信號中，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)將G 和 F[4]信號的地址和功能進(jìn)行了定義，所以編程人員在 PLC編制過程中不能對其進(jìn)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(zhuǎn)和停止 PLC程序編制

主軸主軸正反轉(zhuǎn)和停止 PLC程序如圖2所示。

手動方式主軸正轉(zhuǎn)：切換到手動方式導(dǎo)通 F3. 1常開觸點或切換到手輪方式導(dǎo)通 F3. 2常開觸點，按下主軸正轉(zhuǎn)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(jī)解開急停后 X8. 4常開觸點閉合，機(jī)床主軸初始狀態(tài)無動作，主軸反轉(zhuǎn)指示燈 Y0. 4常閉觸點保持常閉，因此主軸正轉(zhuǎn)指示燈 Y0. 2線圈和主軸正轉(zhuǎn)輸出信號 Y2. 0線圈導(dǎo)通，Y0. 2常開觸點得電常開變?yōu)槌ｉ]，R4. 4與 R4. 5為主軸反轉(zhuǎn)指令和主軸停止的 M 代碼譯碼信號，手動方式?jīng)]有譯碼輸出依然為常閉，所以 Y0. 2線圈自鎖持續(xù)得電，Y2. 0線圈也持續(xù)得電，主軸保持正轉(zhuǎn)。手動方式主軸反轉(zhuǎn)原理和正轉(zhuǎn)相同。

自動方式主軸正轉(zhuǎn)：輸入主軸正轉(zhuǎn)指令 M3，F(xiàn)7. 0為 M 代碼譯碼信號，執(zhí)行 M 指令時得電，F(xiàn)7. 0常開觸點變?yōu)槌ｉ]，導(dǎo)通 SUB25[5]指令模塊，SUB25開始工作，根據(jù)譯碼結(jié)果，使其譯碼結(jié)果輸出到指定的地址 R4. 3，相應(yīng)的輸出位 R4. 3置1，R4. 3常開觸點閉合，X8. 4常開觸點開機(jī)解開急停后變?yōu)槌ｉ]，主軸停止按鍵 X0. 3常閉觸點保持常閉，主軸反轉(zhuǎn)指示燈 Y0. 4常閉觸點保持常閉，因此主軸正轉(zhuǎn)指示燈 Y0. 2線圈和主軸正轉(zhuǎn)輸出信號 Y2. 0線圈導(dǎo)通，Y0. 2常開觸點得電常開變?yōu)槌ｉ]，主軸反轉(zhuǎn)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(xù)得電，Y2. 0線圈也持續(xù)得電，主軸保持正轉(zhuǎn)。自動方式主軸反轉(zhuǎn)原理和正轉(zhuǎn)相同。

手動方式主軸停止：主軸正在正轉(zhuǎn)，Y0. 2線圈自鎖持續(xù)得電，主軸正轉(zhuǎn)輸出信號 Y2. 0線圈持續(xù)得電。按下主軸停止按鍵 X0. 3，常閉觸點 X0. 3變?yōu)槌ｉ_，Y0. 2觸點自鎖斷開，Y0. 2線圈失電，主軸正轉(zhuǎn)輸出信號 Y2. 0線圈失電，正轉(zhuǎn)輸出信號結(jié)束，主軸停止正轉(zhuǎn)，手動方式主軸反轉(zhuǎn)停止工作原理相同。

自動方式主軸停止：主軸正在正轉(zhuǎn)，Y0. 2線圈自鎖持續(xù)得電，主軸正轉(zhuǎn)輸出信號 Y2. 0線圈持續(xù)得電。輸入主軸停止指令 M5，F(xiàn)7. 0為 M 代碼譯碼，執(zhí)行 M 指令時得電， F7. 0常開觸點變?yōu)槌ｉ]，導(dǎo)通 SUB25指令模塊， SUB25開始工作，根據(jù)譯碼結(jié)果，使其譯碼結(jié)果輸出到指定的地址 R4. 5，相應(yīng)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(zhuǎn)輸出信號 Y2. 0線圈失電，正轉(zhuǎn)輸出信號結(jié)束，主軸停止正轉(zhuǎn)，自動方式主軸反轉(zhuǎn)停止工作原理相同。

2. 3 模擬主軸倍率信號組合

數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)計調(diào)速范圍是50%～120%。主軸速度的倍率信號組合和調(diào)速范圍如表2所示。 G30. 0～G30. 7輸出的二進(jìn)制數(shù)值計算相加的結(jié)果即為當(dāng)前主軸的倍率值。

2. 4 模擬主軸倍率開關(guān)調(diào)整加速和減速 PLC程序編制

主軸速度倍率開關(guān)控制加減速 PLC程序如圖3所示， R9091. 1為 FANUC系統(tǒng)的常1信號，R9091. 1常閉變成常開，SUB27功能模塊 RST=0不執(zhí)行復(fù)位，R9091. 1常開變?yōu)槌ｉ]，ACT=1時 SUB27二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換功能模塊開始執(zhí)行。當(dāng)調(diào)整主軸速度倍率為100%時，主軸倍率開關(guān)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(shù)據(jù) R12=0000101，R12中二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過計算得出數(shù)值5，SUB27模塊中數(shù)據(jù)表5對應(yīng)的數(shù)值為100，所以 G30要輸出數(shù)值100（二進(jìn)制），如表3所示 G30. 2、 G30. 5和 G30. 6中二進(jìn)制值組合為100，因此 G30. 2、 G30. 5和G30. 6生效，即當(dāng)前的主軸速度倍率為100%。

2. 5 模擬主軸按鍵調(diào)整加速和減速 PLC程序編制

按鍵開關(guān)控制主軸加減速 PLC 程序如圖4～6所示，機(jī)床初始狀態(tài)，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(tài)。

按鍵開關(guān)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?yōu)槌ｉ]， 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(zhí)行數(shù)據(jù)移位。SUB33移位功能模塊 DIR=1， SUB33移位功能模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)右移，右移幾位是由主軸加速倍率按鍵 X10. 3按的次數(shù)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(dǎo)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?yōu)?R18=00000010， R18. 1=1，R18. 1得電輸出： R18. 1常開觸點變?yōu)槌ｉ]，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(shù)值相加計算結(jié)果為110（二進(jìn)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(fù)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(shù)控系統(tǒng)主軸顯示倍率110%。

按鍵開關(guān)控制主軸轉(zhuǎn)速恢復(fù)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(shù)0賦給 R18。清除 R18信號內(nèi)的數(shù)據(jù)，使 R18=00000000， R18信號失電， R18常閉觸點恢復(fù)常閉， R130. 1線圈保持得電， R130. 1常開觸點變?yōu)槌ｉ]， 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(tài)，主軸恢復(fù)100%倍率。

按鍵開關(guān)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?yōu)槌ｉ]， 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(zhí)行數(shù)據(jù)移位。SUB33移位功能模塊 DIR=0，SUB33移位功能模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)左移，左移幾位是由主軸減速倍率按鍵 X10. 1按的次數(shù)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(dǎo)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?yōu)?R18=00001000，R18. 3=1， R18. 3得電輸出： R18. 3常開觸點變?yōu)槌ｉ]，使 G30. 6、 G30. 4、G30. 3、G30. 1得電，如表2所示四個 G 信號中的數(shù)值相加計算結(jié)果為90（二進(jìn)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(fù)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(shù)控系統(tǒng)主軸顯示倍率90%。

3 結(jié)束語

本文研究了 FANUC0I-F 系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床模擬主軸的硬件連接，從數(shù)控機(jī)床信號的定義、主軸加速和減速信號的組合原理，改進(jìn)編制了數(shù)控設(shè)備不同操作方式對模擬主軸進(jìn)行調(diào)速的 PLC程序，實現(xiàn)了倍率開關(guān)和按鍵開關(guān)對模擬主軸進(jìn)行調(diào)速的功能。隨著自動化設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，改進(jìn)設(shè)備的控制程序，提高設(shè)備的使用可靠性，正是符合綠色制造，可持續(xù)發(fā)展的基本方針。

參考文獻(xiàn)：

[1]任重，言帆. 基于FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)的硬件模擬及實物連接訓(xùn)練單元設(shè)計[J]. 湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2021，21（1）：59-65.

[2]劉婷. 基于 FANUC 0i TF 的數(shù)控系統(tǒng)硬件連接[J]. 鎮(zhèn)江高專學(xué)報，2019，32（3）：52-56.

[3]李宏勝，朱強(qiáng)， 曹錦江. FANUC數(shù)控系統(tǒng)維護(hù)與維修[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[4]吳云忠，唐國蘭. FANUC數(shù)控銑床模擬主軸控制設(shè)計[J]. 裝備制造技術(shù)， 2017（5）：137-139.

[5]黃文廣，邵澤強(qiáng)，韓亞蘭. FANUC數(shù)控系統(tǒng)連接與調(diào)試[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[6]北京FANUC有限公司. FANUC梯形圖語言編程說明書[Z]. 2017.

[7]宋松，王悅， 楊中力. 圖解 FANUC PMC編程與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[8]劉江，盧鵬程，許朝山. 數(shù)控系統(tǒng) PMC編程[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

作者簡介：沈鉆科（1982-），男，大學(xué)本科，講師，高級技師，研究領(lǐng)域為數(shù)控設(shè)備智能化裝調(diào)與維修，已發(fā)表論文10篇。 （編輯：刁少華）