孙宏昌1 戴怡1 李丽娜2 300222 天津工程师范学院1 300110 天津交通职业学院2
摘 要 一种基于日本法那科公司最新数控系统FANUC 0i MATE TC新型数控实验台组成特点，给出该实验台开发的双回路开发思路与系统构成。结合所设计开发的“实验”、“实训”两用实验系统，着重介绍基于FANUC系统的调试及故障排除过程。
关键词 FANUC数控系统 系统调试开发 数控实验系统
1 概述
随着数控机床在我国现代制造业的日益普及，数控机床的维护与维修人员需求急剧增加，因此相应的数控机床维修与教学实验台的开发也在增加，但还处于一个起步阶段。此类公司生产的数控装置大多只提供了验证与演示性实验，对于技术底层方面的介绍由于水平以及所应用数控系统较为先进国内尚处于应用起步阶段故介绍不多。对于用户来讲更是缺乏技术低层开放性为进行一步的教学与实验实训工作带来困难。正是从出于此种考虑，开发了本套新型数控实验系统。
2 基于FANUC数控实验台简介
该实验培训系统为开放式结构、模块化设计、完全工业用器件，具有数控铣床安装接线、调试、参数设置、通讯、故障诊断维修、编程及仿真模拟、CAD/CAM，实际切削加工等教学培训功能[1]。
机床由调试维修实验台和机床电气柜双路并联控制。调试维修实验台侧重于进行接线、各种信号测量、性能监控、调试、维修等实验，一台实际数控机床的电控系统每一主要环节都在电控实验台上分解展示，其信号均能显示并可测量。每个环节专门设有故障设置区，可设数十个故障点。面板上有电气图、接线标号等，便于学习和理解；机床电气柜则与工业用数控机床的控制电柜完全一致，可进行电路设计、电气元器件安装、接线、调试等实训，电气板可更换，便于学生分组进行实际技能的训练。即实验系统设有调试和机床两种模式，分别进行调试维修实习和编程操作训练。本实验系统的开发，相比以往的实验实训系统，既使得调试维修更加直观，又大大提高了设备的利用率[2]。
本系统采用FANUC 0i MATE TC系统，该系统是FANUC公司在最新推出的具有高性能价格比和高度集成的数控系统，该系统除了具有以往系统所具有的功能外，还采用了采用液晶显示器和系统一体化结构，系统较Oi-B系列相比更加小型化，系统为0槽结构时仅为70mm。并增加了Turn Mate i的编程功能，该功能与系统的触摸键盘一起使用时，使编程非常方便。可以通过以太网把计算机和数控系统进行连接，通过软件的程序画面、图形画面和参数画面可以非常方便地实现对伺服系统的测试程序的执行、伺服系统运行状况的波形显示和伺服参数调整的全过程[3]。
本实验系统所配数控机床为专门设计，精度高、转速高、结构紧凑、功率大、可进行金属零件的实际加工。
图1
3 数控电气系统方案
电气部分是整个实验台的控制部分，连接了数控系统与机械本体，外形尺寸，长×宽×高，2300mm×600mm×1600mm。设计成开放式结构、模块化设计、完全工业用器件，可以完成数控机床安装、接线、调试功能。其结构框图见图1。
4 0i Mate TC系统基本调试步骤
（1）在机床不通电的情况下，按照电气设计图纸将CRT/MDI单元，CNC主机箱，伺服放大器，I/O板，机床操作面板，伺服电机安装到正确位置。
（2）控制单元接口图如图2所示。
图2 控制单元接口图
1）风扇，电池，软键，MDI等出厂已经连接好，无需改动。
2）电源线可能两个插头，一个为＋24V输入（左），另一个为＋24V输出（右）。具体接线为（1-24V，2-0V，3-地线）。
3）主轴采用变频器控制，指令线由JA40模拟主轴接口连接，由系统向外部提供0-10V模拟电压，连接注意极性正确，否则变频器不能高速。本系统还采用了主轴编器，其中JYA3连接主轴位置编码器。
4）将I/O Link[JD1A]是连接到I/O模块或机床操作面板。本系统使用的伺服放大器是βi主轴βis伺服，带主轴的放大器是SPVM一体型放大器，根据硬件连接说明书，将24V电源连接CXA2C，其中A1-24V，A2-0V；将TB3悬空。伺服放大器上部的两个冷却风扇接外部200V电源；伺服电机的动力线分别为：CZ2L（第一轴），CZ2M（第二轴），对应接线端子分别对应为XX，XY。伺服电机动力线的反馈线和动力线都带有屏蔽，一定要将屏蔽做接地处理，并且信号线和动力线要分开接地，以免由于干扰产生报警。
5）本系统利用I/0 LINK连接系统与机床操作面板用的I/O卡，分布式I/O单元、手脉、PMM进行联接。
6）急停系统是保障系统安全的重要组成部分，将急停继电器的第一个触点接到NC的急停输入（X8.4）。对于βis单轴放大器，将第二个触点接第一个放大器的CX30（1，3脚），并将CX19B的急停悬空。
至此整个系统的电气控制部分连接调试完成，于本系统采用电气柜双路并联控制，且控制原理相同，所以在接线时将所有控制通过接插件进行并联转换，并通过系统的开关进行切换即可，可以同时满足学生实验、实训的双重要求。
5 系统参数在开发过程中的应用
5.1系统功能参数的初始化
当系统第一次通电时，对系统进行全清，全清后一般会出现如表2所示报警：
表2系统初始化报警表
报警号
含义
解决方法
100
参数可输入
参数写保护打开，即设定画面第一项PWE=1
506/507
硬超程报警
梯形图中没有处理硬件限位信号，设定参数3004＃5可消除
417
伺服参数设定不正确
重新进行设定伺服参数 进行伺服参数初始化。
5136
FSSB电机号码太小 FSSB设定没有完成或根本没有设定
把1023设定为-1，屏蔽伺服电机，可消除5136报警
消除以上报警后可手动输入功能参数（9900-9999），根据FANUC提供的出厂参数表正确输入。然后关断系统电源，再开。
5.2进给伺服初始化
将各进给轴使用的电机的控制参数调入RAM区，并根据丝杠螺距和电机与丝杠间的变速比配置CMR和DMR。设参数SVS，使显示器画面显示伺服设定屏（Servo Set）。0系统设参数#389/0位=0；本系统设参数#3111/0位=1。然后在伺服设定屏上设下列各项：
（1）初始化位置0。此时，显示器将显示P/S 000报警，其意义是要求系统关机，重新启动。此时不需要马上关机，因为其它参数尚未设入。应返回设定屏继续操作。
（2）指定电机代码（ID）。根据被设定轴实际使用的电机型号在“伺服电机参数说明书（B—65150）中查出其代码，设在该项内。
（3）AMR设0。
（4）设定指令倍比CMR。CMR=命令当量/位置检测当量。通常设为1。但该项要求设其值的1倍，所以设为2。
（5）设定柔性变速比（N/M）。根据滚珠丝杠螺距和电机与丝杠间的降速比设定该值。计算公式如下：
计算中1个脉冲的当量为1μm。式中的分子实际就考虑了电机轴与丝杠间的速比。将该式约为真分数，其值即为N和M。该式适用于经常用的伺服半闭环接法，根据实验台的实际情况，丝杠导程为4mm，即设为4。
（6）设定电机的转向。111表示电机正向转动，-111为反向转动。
（7）设定转速反馈脉冲数。固定设为8129。
（8）设定位置反馈脉冲数。固定设为12500。
（9）设定参考计数器容量。机床回零点时要根据该值寻找编码器的一转信号以确定零点。该值等于电机转一转的进给轴的移动脉冲数，即4000000 。
按上述方法对其它各轴进行设定，设定完成后系统关机并重新开机，伺服初始化完成。
5.3设定伺服参数
本系统#1200--#1600的有关参数是控制进给运动的参数，包括：位置增益，G00的速度，F的允许值，移动时允许的最大跟随误差，停止时允许的最大误差，加/减速时间常数等等。参数设定不当，会产生#4x7报警。
5.4设定主轴速度参数
主轴的速度在3741中设定，此参数必须设定，其值对应于10V同时也与F36#0-F37#3 S12位代码一致。例如 3741中设定2000 程序中为S1000，此时1000/20000=5V/10V=2047.5/4095。
6 结论
通结合新型基于FANUC 0i MATE 新型数控系统所开发的数控实验台，介绍了整个数控系统的组成结构与特点，在基于电气柜双路并联控制的控制框架下介绍了数控系统关键参数在整个系统调试过程中的作用，通过参数的设置可以实验数控系统良好的运动控制性能。本实验系统经学生实习证明教学效果良好。
参考文献
[1]李松年，戴志义．机电一体化数控系统设计[M]．北京：机械工业出版社。1988．
[2]牛志刚．PRS-XY混联加工平台开放式数控系统[J].航空制造技术，2005，4：89~91.
[3]何宏欣. 浅谈FANUC系统的使用心得[J].制造技术与机床，2003，4：68~69
[4]BEIJING－FANUC. BEIJING－FANUC 0I－C系统参数说明书[M].FANUC System Inc 4.4~4.59.
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