高錦南，劉世國(guó)

FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)模擬主軸的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

高錦南，劉世國(guó)

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

在中低檔數(shù)控車(chē)床和數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，由于配置原數(shù)控系統(tǒng)的串行主軸價(jià)格偏高，為了滿足中小企業(yè)節(jié)省制造成本的需求，在機(jī)床的主軸控制方式選擇時(shí)，常采用變頻器與三相異步電動(dòng)機(jī)或者變頻器電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。同時(shí)2018～2021年的全國(guó)職業(yè)院校技能大賽數(shù)控機(jī)床裝調(diào)與技術(shù)改造賽項(xiàng)中，也將數(shù)控銑床模擬主軸的功能開(kāi)發(fā)作為競(jìng)賽考核的技能點(diǎn)之一，對(duì)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握提出更高的要求。結(jié)合多年數(shù)控機(jī)床升級(jí)改造及維修經(jīng)驗(yàn)，以及指導(dǎo)學(xué)生參加全國(guó)技能大賽的訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)，提出了數(shù)控系統(tǒng)FANUC 0i-MF Plus模擬主軸的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的方法。

串行主軸；變頻器；模擬主軸；設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

數(shù)控機(jī)床的主軸是實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)的重要模塊，在數(shù)控車(chē)床上主軸帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)與刀具實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)；在數(shù)控銑床上主軸帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)與工作臺(tái)的工件之間實(shí)現(xiàn)切削運(yùn)動(dòng)。在主軸運(yùn)動(dòng)的控制過(guò)程中，首先要滿足在手動(dòng)（JOG）模式下能夠?qū)崿F(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的控制以及主軸點(diǎn)動(dòng)的控制，再次要在自動(dòng)（MEM）和MDI模式下，執(zhí)行M03、M04和M05時(shí)，能夠控制主軸的正反停的運(yùn)行，還可以由設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)M代碼實(shí)現(xiàn)控制主軸的正反停。除了實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的方向控制之外，還要對(duì)主軸速度的控制實(shí)現(xiàn)可調(diào)整。

1 數(shù)控機(jī)床主軸的控制方式

在FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)有兩個(gè)接口，分別是JA41和JA40，其中JA41是串行主軸控制接口，0i-MFPlus系列αi-B放大器的主軸通訊接口有改變，在主軸伺服放大器上增加了光纜通訊接口COP10B接口，即0i-MF系統(tǒng)的主軸控制支持電纜和光纜兩種方式，當(dāng)使用JA7B電纜接口時(shí)，需要把參數(shù)10339#1位設(shè)置為1，當(dāng)使用COP10B光纜接口時(shí)，需要把10339#1位設(shè)置為0，在此建議采用光纜通訊。在原βi放大器上COP10B接口是不包含主軸通訊的，而在βi-B放大器光纜通訊接口COP10B拓展至主軸控制，不支持電纜通訊即沒(méi)有JA7B接口。對(duì)應(yīng)的參數(shù)10339#1位設(shè)置為0。

JA40是模擬主軸的控制接口，此時(shí)，JA41接口需要接主軸外接的編碼器反饋信號(hào)線。JA40接口是FANUC系統(tǒng)向外部提供0～10V模擬電壓，接線比較簡(jiǎn)單，注意極性不要接錯(cuò)，否則變頻器不能調(diào)速。JA40是一個(gè)20針的接口，其中5腳和7腳是提供10V電壓，7腳為10V正極，5腳為負(fù)極。FANUC 0i-F數(shù)控系統(tǒng)與臺(tái)達(dá)TD500變頻器的連接方法下如圖1所示。

圖1 FANUC 0i-MF Plus數(shù)控系統(tǒng)與臺(tái)達(dá)TD500變頻器電氣接線圖

2 系統(tǒng)參數(shù)及變頻器參變?cè)O(shè)置

在FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)上實(shí)施模擬主軸的開(kāi)發(fā)，采用TD500變頻器，配置1.5kW三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬主軸控制。FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模擬主軸，需要設(shè)置的主要參數(shù)如表1所示。

表1 FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)

2.1 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器接收CNC系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的速度信號(hào)和方向信號(hào)之后，三相異步電機(jī)不是立即可以運(yùn)行的，還需要對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)配置，利用TD500變頻器實(shí)現(xiàn)模擬主軸控制，具體需要設(shè)置的參數(shù)如表2。

3 模擬主軸PMC梯形圖的編寫(xiě)

3.1 PMC梯形圖編寫(xiě)的思路

模擬主軸能正常工作的方式有兩種，一種是手動(dòng)，一種是自動(dòng)方式。首先，在JOG或者手輪模式下，在機(jī)床操作面板上按主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、主軸停止按鍵能夠控制模擬主軸的動(dòng)作。本文中以YL-569A型實(shí)訓(xùn)臺(tái)的操作面板為例，對(duì)應(yīng)的主軸正反停的按鍵地址分別為R907.0，R907.1,R907.2；對(duì)應(yīng)的指示燈的地址為R917.0,R917.1,R917.2編寫(xiě)的PMC梯形圖如圖2所示；手動(dòng)正轉(zhuǎn)方式輸出中間繼電器R700.0;手動(dòng)反轉(zhuǎn)輸出中間繼電器R700.1。

在MEM、MDI或DNC模式下，輸入M03 S500或M04 S500主軸能夠分別作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)行，再執(zhí)行M05時(shí)，模擬主軸停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬主軸的自動(dòng)運(yùn)行控制。筆者編寫(xiě)PMC梯圖的思路是首先將主軸手動(dòng)滿足正、反轉(zhuǎn)的條件列出匯總到一個(gè)中間繼電器R，再將自動(dòng)等方式下的主軸滿足正、反轉(zhuǎn)的條件列出匯總到一個(gè)中間繼電器R，最后用兩個(gè)中間繼電器R并聯(lián)處理主軸手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)下圖的PMC梯形圖。

表2 變頻器設(shè)置參數(shù)

圖2 模擬主軸梯形圖設(shè)計(jì)

3.2 PMC 中開(kāi)發(fā)新的M代碼

近三年的全國(guó)職業(yè)院校技能大賽數(shù)控機(jī)床裝調(diào)與技術(shù)改造賽項(xiàng)試題中，在功能開(kāi)發(fā)考核內(nèi)容就是模擬主軸的開(kāi)發(fā)，要求實(shí)現(xiàn)通過(guò)MDI鍵盤(pán)輸入S指令、M指令控制主軸正反，通過(guò)操作面板備用鍵作為主軸增速按鍵、主軸減速按鍵，通過(guò)增速/減速按鍵每按一次增/速10%。并定義主軸正/反/停的M代碼為M33/M34/M35，如表3所示。

表3 操作面板對(duì)應(yīng)的PMC地址表

在開(kāi)發(fā)M代碼時(shí)，首先是要對(duì)開(kāi)發(fā)的M代碼進(jìn)行譯碼處理，在FANUC PMC梯形圖中處理M代碼是利用功能指令SUB 25；如圖3所示，F(xiàn)7.O為系統(tǒng)的輔助功能選通信號(hào)，當(dāng)F7.0接通之后，SUB 25執(zhí)行對(duì)F10-F13中的4字節(jié)的M代碼進(jìn)行譯碼，其譯碼結(jié)果在29～36的范圍內(nèi)時(shí)，與R12對(duì)應(yīng)的位會(huì)置“1”輸出。此處M33,M34,M35譯碼對(duì)應(yīng)的輸出R地址是R12.4，R12.5，R12.6。

圖3 M代碼譯碼梯圖

圖4 M代碼譯碼完成信號(hào)梯圖

在M代碼譯碼完成之后，一定要接通M代完成信號(hào)G4.3，才表示M代碼完成，機(jī)床的指示燈才會(huì)由綠燈變?yōu)辄S燈。即要將R12.4，R12.5，R12.6譯碼結(jié)果輸出匯總到R250.0,最終使G4.3信號(hào)接通，完成譯碼指令，如圖4所示。

3.3 PMC 實(shí)現(xiàn)增減速的編寫(xiě)方法

圖5 模擬主軸增減速控制梯形圖

在比賽過(guò)程中，要求選手通過(guò)操作面板的備用按鍵，編寫(xiě)PMC梯圖實(shí)現(xiàn)模擬主軸的增減速控制。在FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)增減速控制要用到多個(gè)功能指令，分別有SUB57 DIFU、SUB200 EQB以及SUB27 CODB等三個(gè)重要功能指令完成。主軸倍率開(kāi)關(guān)有50%-120%一共八個(gè)檔位，即用按鍵增速和減速控制可以按八次。該梯形圖的編寫(xiě)思路是首先增速按鍵和減速按鍵每按一次都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖信號(hào)，以此作為加或減的控制標(biāo)志。然后在設(shè)計(jì)過(guò)程用到一個(gè)計(jì)數(shù)器C46，將C46計(jì)數(shù)器的初始值最大設(shè)置為7；兩個(gè)SUB200中設(shè)置的值7和0分別表示主軸倍率有8個(gè)檔位。首先將C46的值與7比較，如果C46當(dāng)前值等于7，表示主軸倍率輸出最高檔位120%，同時(shí)輸出R800.3；如果C46當(dāng)前值等于0，表示主軸倍率輸出最低檔位50%，同時(shí)輸出R800.7。在功能指令SUB5 CRT中利用R800.2的狀態(tài)來(lái)判斷計(jì)數(shù)器是增計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù)器。R800.2=0為加計(jì)數(shù)器，R800.2=1為減計(jì)數(shù)。然后用SUB 27 CODB二進(jìn)制轉(zhuǎn)換功能指令，將C46里面的值賦給主軸倍率寄存器G30中；G30信號(hào)是控制主軸的倍率的地址；G30=50，表示主軸的倍率現(xiàn)在是50%,G30=120，表示倍率是120%。增減速的邏輯就是通過(guò)C46地址，利用計(jì)數(shù)器進(jìn)行增減速，最后把值賦給G30來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，如圖5所示。

3.4 在使用模擬主軸時(shí)注意事項(xiàng)

FANUC 0i-MF Plus系統(tǒng)使用模擬主軸時(shí)要注意的事項(xiàng)，主軸不運(yùn)轉(zhuǎn)的幾種可能：

（1）在PMC中主軸急停/主軸停止信號(hào)/主軸倍率/沒(méi)有處理；

（2）參數(shù)中沒(méi)有設(shè)置主軸選擇參數(shù)/主軸的速度沒(méi)有設(shè)定；

（3）當(dāng)參數(shù)號(hào)1802#2位 CTS 誤設(shè)，將沒(méi)有模擬輸出；

（4）如果參數(shù)3708#0 SAR 模擬主軸沒(méi)有此信號(hào)。誤設(shè)，主軸無(wú)輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者詳細(xì)闡述了FANUC 0i-MF Plus 系統(tǒng)模擬主軸硬件的連接方法，參數(shù)的配置方法，PMC梯圖的編寫(xiě)思路，模擬主軸利用按鍵實(shí)現(xiàn)增、減速的倍率控制。并結(jié)合指導(dǎo)學(xué)生競(jìng)賽訓(xùn)練過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)指導(dǎo)競(jìng)賽有一定的幫助，也為進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床調(diào)試與維修技能提供了參考意見(jiàn)。該方法也可以在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行推廣，在1+X取證考核中也可以實(shí)施。競(jìng)賽的目的是為改進(jìn)日常教學(xué)，更好地把競(jìng)賽知識(shí)點(diǎn)融入教學(xué)，實(shí)現(xiàn)以賽促教，以賽促學(xué)，以賽促改的教學(xué)目的。

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Design and Development of FANUC 0i-Mf Plus System Simulation Spindle

Gao Jinnan, Liu Shiguo

(Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050 Hubei)

During the design and manufacturing process of medium and low-grade CNC lathes and CNC milling machines, due to the high price of the serial spindle configured with the original CNC system, in order to meet the needs of small and medium-sized enterprises to save manufacturing costs, the spindle control mode of the machine tool is often realized by frequency converter, three-phase asynchronous motor or frequency converter motor. At the same time, the function development of NC milling machine simulation spindle is also regarded as one of the skill points of the competition assessment in the national vocational college skill competition of NC machine tool assembly, adjustment and technical transformation from 2018 to 2021, which puts forward higher requirements for students’ mastery of knowledge points. Combined with many years of experience in upgrading and maintenance of CNC machine tools and the training experience of guiding students to participate in the national skill competition, this paper puts forward the design and development method of CNC system FANUC 0i-Mf plus analog spindle.

Serial spindle; Frequency converter; Simulate spindle; Design and development

TP302.1

A

1672-1047（2021）05-0124-05

10.3969/j.issn.1672-1047.2021.05.32

2021-09-06

高錦南，男，湖北黃岡人，材料工程碩士，講師。研究方向：智能控制技術(shù)、數(shù)控裝備升級(jí)與改造。

[責(zé)任編輯：方瑋]