向 倩，尹顯明

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

0 引言

在工科類院校，數(shù)控機(jī)床被廣泛用于生產(chǎn)加工及實(shí)踐教學(xué)。如今市場上機(jī)床廠商生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床一般根據(jù)加工需要而設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)都是安裝固定好的，不易拆卸觀看，當(dāng)然作為技術(shù)專利，會對PMC梯形圖保密，達(dá)不到對數(shù)控系統(tǒng)開放性的教學(xué)要求；另一方面，用于教學(xué)的數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)設(shè)備，僅有電氣試驗(yàn)臺，沒有可實(shí)際操作的機(jī)床設(shè)備。所以，在機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)實(shí)踐時，學(xué)生不能真正地對數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的連接、電氣系統(tǒng)設(shè)備各項(xiàng)功能的運(yùn)行、I/O端口的連接、PMC程序的設(shè)計(jì)等有個全面的了解和認(rèn)識，而這些方面正是高校機(jī)電類專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)控技術(shù)原理和設(shè)計(jì)時所必須掌握的綜合性技能［1－3］。為此，本文設(shè)計(jì)了一臺多功能的具有開放性的便于實(shí)踐操作的數(shù)控實(shí)驗(yàn)裝置。

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

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備是將機(jī)床廠家生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床與電氣教學(xué)的單獨(dú)實(shí)驗(yàn)平臺合為一體的裝置。在學(xué)生將理論用于實(shí)踐的過程中，既有可操作的電氣實(shí)驗(yàn)控制平臺，又能真正看到與控制相對應(yīng)的機(jī)床運(yùn)行過程。該數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置是針對高校工程訓(xùn)練教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)的，所以本設(shè)計(jì)使用機(jī)床機(jī)械本體，再加上電氣系統(tǒng)開放式實(shí)驗(yàn)平臺［4］。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)的選型

數(shù)控機(jī)床的核心系統(tǒng)即為數(shù)控系統(tǒng)。當(dāng)前，在數(shù)控機(jī)床行業(yè)應(yīng)用廣泛的有FANUC系統(tǒng)、SIEMENS系統(tǒng)以及華中數(shù)控系統(tǒng)等。據(jù)調(diào)查了解，日本的FANUC數(shù)控系統(tǒng)以其高質(zhì)量、低成本、高可靠性、高性價(jià)比而獲得業(yè)界一致好評。所以，在此次的設(shè)計(jì)方案中選用FANUC－0iMate MD系統(tǒng)［5］，其在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床和車床等小型機(jī)床上應(yīng)用極其廣泛，而且各硬件及接口、線纜隨系統(tǒng)標(biāo)配，在連接、維修方面更加容易。

1.3 數(shù)控系統(tǒng)的連接

圖1為FANUC數(shù)控系統(tǒng)硬件連接圖。CNC控制器上的COP10A接口通過FSSB與驅(qū)動器上的COP10B接口連接，進(jìn)行伺服信號的發(fā)送；JD51A端口與I/O LINK JD1B端口連接，負(fù)責(zé)外部信號與內(nèi)部PMC的輸入輸出控制；JA7A端口與伺服驅(qū)動模塊中的JA7B端口相連，負(fù)責(zé)主軸轉(zhuǎn)速的反饋；JD36A口接一RS232串口電路，負(fù)責(zé)串行通訊。伺服驅(qū)動器上CXA2C端口與24V直流電源相接；CX3端口與來自伺服變壓器的三相電源連接；CZ5端口連接伺服電機(jī)；緊急停車信號與伺服驅(qū)動器上的CX4接口相連；JF1口接伺服電機(jī)位置反饋；手搖脈沖發(fā)生器接I/O LINK上的JA3端口。

圖1 FANUC數(shù)控系統(tǒng)硬件連接圖

2 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)對實(shí)驗(yàn)裝置的開放性和便于操作等控制要求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的數(shù)控機(jī)床電氣控制原理圖。

電動機(jī)工作過程如下：電源總開關(guān)是QF1，整個實(shí)驗(yàn)裝置的通電與否由其控制；斷路器QF2、QF3控制伺服驅(qū)動電路的電源，經(jīng)過TC1變壓器及浪涌吸收器給βi伺服放大器供電；當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出冷卻控制信號時，繼電器KM2線圈通電，開關(guān)閉合，冷卻泵電動機(jī)M2啟動；經(jīng)TC1變壓器輸出的220V電壓變壓為24V，供CNC系統(tǒng)中照明燈和指示燈使用。

圖2 數(shù)控機(jī)床電氣控制原理圖

3 PMC地址設(shè)定及梯形圖編制

FANUC－0iMate MD 配備的單板式I/O LINK有多個輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)，完全可以滿足對數(shù)控實(shí)驗(yàn)裝置控制信號的使用要求［6］。常用PMC（Programmable Machine Controller，可編程機(jī)床控制器）的端口有輸入點(diǎn)30個，輸出點(diǎn)9個，在設(shè)備控制的名稱和其他功能的設(shè)定完畢后，其PMC地址就被定義，如表1、表2所示。

表1 PMC輸入信號地址分配

表2 PMC輸出信號地址分配

根據(jù)PMC中各輸入、輸出信號地址及所需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行梯形圖編制。一般數(shù)控機(jī)床的PMC程序由第一級程序和第二級程序兩部分組成，第一級程序僅處理短脈沖信號，比如急停、各進(jìn)給坐標(biāo)軸超程、信號進(jìn)給暫停等；第二級程序就是除了編入第一級程序外的其他功能塊程序［7－8］。以數(shù)控銑床主軸轉(zhuǎn)速倍率為例，繪制PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）梯形圖，如圖3所示。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速倍率PLC梯形圖

由FANUC－0i數(shù)控系統(tǒng)的PLC可知，系統(tǒng)內(nèi)部已固定的主軸轉(zhuǎn)速倍率控制信號是G30，“1”時有效，其地址如圖4所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速倍率控制信號地址

將PLC中內(nèi)部信號R9091.1設(shè)為常1，作為開始運(yùn)行條件。在編寫程序時，將地址號X11.5、X11.6、X11.7分別對應(yīng)輸出到 R213.0、R213.1、R213.2中，即將主軸轉(zhuǎn)速倍率格雷碼值存入到R213，然后經(jīng)二進(jìn)制代碼進(jìn)行CODB指令轉(zhuǎn)換，以二進(jìn)制形式送到G30，最后將SOV0～SOV7主軸轉(zhuǎn)速倍率信號輸入到CNC系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的這套基于FANUC系統(tǒng)的數(shù)控綜合實(shí)驗(yàn)裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床原有的加工功能，而且為機(jī)電類專業(yè)學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐提供了硬件設(shè)備，同時為促進(jìn)學(xué)生動手能力和實(shí)踐操作提供了實(shí)驗(yàn)平臺。

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