高可靠的BEIJING-FANUC数控系统

    数控机床应能长期连续加工，其数控系统必须能够长期无故障连续运行。为保证机床长期可靠地运行,数控系统必须有抵抗恶劣环境的高可靠运行特性。常年的工作考验证明BEIJING-FANUC 0系统是最可靠的数控系统之一,它能在一般车间环境下运行,其工作场地的室温为0～45℃，相对湿度75%,短时可达95%，抗震为0.5 g，电网电压波动为10%～15%，经对使用中系统的实际统计,BEIJING-FANUC 0系统的故障率为0.008，比较好地满足了我国市场的要求。
    BEIJING-FANUC 0系统之所以有非常高的可靠性,主要源自以下因素:
    (1)可靠的高质量的元器件及良好的老化筛选工艺
    (2)大规模及超大规模的专用集成电路芯片　BEIJING-FANUC 0系统采用了许多由富士通公司制造的高度集成的专用功能芯片。
    (3)全自动化工厂生产制造　多层印刷板的制板、元件的插装、焊接、印刷板的检查、系统的组装、电机投料、冲片、精铸、机械加工、装配、成品的包装出厂全部为自动化，这就使得在生产过程中避免了外界(人)的不稳定因素的干预,所以产品的一致性好,增加了可靠性。北京FANUC由FANUC购买印刷板组装生产CNC单元。
    (4)良好的控制软件设计　BEIJING-FANUC 0系统经过在世界各地数年的运行,积累了丰富的数据,因此在软件设计时考虑了可能出现的各种故障情况，加入了许多保护和提高可靠性的措施，如开机和状态切换时的层层检测、过压、过流、反馈断线等报警，使得机床运行中出现故障时,系统能及时处理，从而避免了元部件的损坏。
    (5)数字式进给伺服和数字式主轴驱动　数字控制、数据的串行传输大大提高了运行的可靠性。主轴控制信号的传送使用光缆,使信号免受外界干扰。
　
    2　BEIJING-FANUC 0系统CNC单元的硬件结构

    BEIJING-FANUC 0系统的可靠性好，性能/价格比高，在世界各地已销售30余万台。随着大规模集成电路芯片的发展，BEIJING-FANUC 0系统的硬件结构已经改进过多次。目前销售的0-C和0-D,其硬件结构基本一样，只是控制轴数不同,所配置的进给轴驱动电机不同。
    BEIJING-FANUC 0系统的CNC单元为大板结构。基本配置有主板、存储器板、I/O板、伺服轴控制板和电源。各板插在主板上,与CPU的总线相连。
    (1)主板　主CPU在该板上。主CPU用于系统主控,原来用80386,从1998年起改用80486/DX2。此外,显示的CRT控制也在该板上。
    (2)存储器板　该板上有:①系统的控制软件ROM(共5片)。BEIJING-FANUC 0系统可控制车床(0-T系统)、铣床(镗床,钻床)及加工中心(0-M系统)、磨床(0-G系统)、冲床(0-P系统)。不同类型的机床控制软件不同;②伺服控制软件ROM 1片;③PMC-L的ROM芯片2片,用于存储机床的强电控制逻辑程序;④RAM芯片,用于寄存CPU的中间运算数据,根据需要安装。⑤CMOS RAM,用于存储系统和机床参数、零件加工程序。根据用户要求配置,最大可为128K字节。CMOS RAM与4.5 V电池相连,关机时保存信息。
    (3)I/O板　该板是CNC单元与机床强电柜的接口。接收或输出24 V直流信号,由PMC实施输入/输出控制。I/O点数可根据机床的复杂程度选择。标准配置为104个输入点,72个输出点。
    (4)进给伺服控制板　BEIJING-FANUC 0系统全部用数字式交流伺服控制。其控制板装在CNC单元内,插在主板上，即CNC单元与进给伺服为一体化设计。伺服板上有2个CPU(TMS320),用于伺服的数字控制。每个CPU控制2个轴,一块板可控制4个轴。该板接受主CPU分配的伺服控制指令,输出6个相位各差60°的脉宽调制信号(每轴),加于各轴的伺服驱动的功率放大器上。
0-D系统为4轴(最大配置)控制,4轴联动。只用一块伺服板。0-C最多可控制6个轴,控制6个轴时需用2块板。
    (5)电源　主要有5 V直流电，用于各板的供电。24 V直流电,用于单元内各继电器控制。除上述这些板外,还有图形控制板、PMC-M板、远程缓冲器(REMOTE BUFFER)板。这些板用户可根据要求选订。
　
    3　显示

    BEIJING-FANUC 0系统的显示器可用CRT,也可用液晶显示器(LCD),标准为9″黑白CRT,高密度字符显示。也可配彩色显示器。
    BEIJING-FANUC 0系统有图形显示功能:①对编制的加工程序进行加工前的图形模拟,模拟刀尖的轨迹或加工件的三维实体形状；②在加工过程中显示刀尖的轨迹,使操作员能够监视切削过程。图形可局部放大,以便观察细部。显示图形必须用图形控制板,该板为专用微机,CPU用80186。
　
    4　PMC控制

    PMC就是可编程序机床控制器,是专门用于控制机床的PLC。BEIJING-FANUC 0系统的PMC只有47条指令（基本指令有12条,功能指令有35条）。基本指令为2进制位的逻辑运算，功能指令主要有数据定义、数据变换、译码和代数运算。
    BEIJING-FANUC 0系统用梯形图编制PMC顺序逻辑程序。由于有功能指令,使得PMC程序编制非常容易,简捷。
    梯形图可用下述两种方法编制:①用专用的编辑卡利用CRT显示画面在系统上现场编制。②在计算机上装入专用软件用计算机编制,然后经RS-232C口将梯形图程序传送到数控系统。调试好的程序要用写入器写入EPROM。
    BEIJING-FANUC 0系统PMC控制有PMC-L和PMC-M 2种。PMC-L的处理机与主机共用，其处理时间为6 μs/步,最大步数为5000步。PMC-M为专用处理机,微处理器为80186，专用一块板,插在主板上，处理时间为2 μs/步,最大步数为8000步。2种PMC的扫描周期均为16 ms。
　
    5　进给伺服驱动

    BEIJING-FANUC 0系统进给轴的驱动使用交流同步电动机,目前为α系列。根据其负载特性和快速性分为:α(标准型)、αM(高加速特性)、αC(经济型)和αL(低惯量型)。最大力矩为400 N^.m。0-C配置α型;0-D配置αC型。αM加速特性好,从0至最高转速的启动过程为24 ms，故用于高速加工。
    电机轴上装有脉冲编码器,每转发出65 536个脉冲(经电路倍频),用做位置反馈和速度反馈。这种位置反馈,是间接测量工作台的直线位移,所以称为半闭环伺服系统。但是,只要设定相应的参数,BEIJING-FANUC 0系统可以使用直线光栅尺,使系统接成全闭环。除此之外,还可接成双位置反馈,即同时具有上述2个闭环。这样,既可以提高系统的稳定性,还可以提高系统的快速性和加工精度。
    进给伺服单元的控制用前述的轴控制板,该板输出控制指令信号到功率放大器。功率放大器为模块化结构,分为整流模块和逆变模块，使用IPM元件。
    LSI是专用位置控制大规模集成电路芯片。ROM中存储的控制程序主要有同步电机的快速响应矢量控制、IP调节器、速度和位置的反馈控制、前馈和提前前馈控制和状态观测器。此外,还有许多非线性补偿与控制,如单脉冲抑制、超调抑制、反向间隙加速补偿、机床的速度反馈等。还有运行过程的监测及保护。由于有这些控制,使得BEIJING-FANUC 0系统运行可靠、快速、平稳、精度高。
　
    6　主轴驱动

    BEIJING-FANUC 0系统可以同时控制2个主轴电动机,可以是2个数字式控制的电机,也可以一个数字式,另一个为模拟式控制电机。模拟控制指令是0～10 V的直流电压。
该系统的主轴电机为异步电机,目前为α系列,有以下品种:α:标准型,恒功率调速范围4∶1；αP:恒功率宽调速范围型(8∶1);αC:经济型;αT:与主轴直连型。主轴电机的最大功率为37 kW,最高转速可达15 000 r/min，用数字式矢量控制。
    主轴驱动有速度控制和位置控制2种工作方式，普通加工为速度控制。主轴电机轴上装有圆型的磁性传感器,用做速度反馈。位置控制用于主轴同步、主轴定向、刚性攻丝、C_s轴轮廓控制。因此需要控制主轴的转角或转位,轮廓控制时要与其它轴插补。此时需在机床的主轴上装位置编码器,位置编码器有光电式和磁性传感器。普通为每转发出1 024个脉冲,高精度的发出360 000个脉冲/转。
    主轴控制用单独的CPU控制，处理器为TMS-320。从CNC单元输出的控制指令用一条光缆送到主轴的控制单元,数据为串行传送，因此可靠性比较高。
　
    7　RS-232C口及数据通讯

    BEIJING-FANUC 0系统有2个串口(RS-232C),分4个通道，用于系统与外部设备的数据交换。交换的数据包括:系统及机床的设定参数、PMC参数、零件加工程序、刀具补偿值、设定的工件坐标系、丝杠的螺补值等。与计算机相连时,计算机内必须装有数据传送软件。最快的传送速率为9600 bps。
除上述的信息交换外,利用串行通讯还可实现下列方式的在线加工与机床的DNC管理:
    (1)纸带方式的加工　加工复杂零件时,加工程序非常长,CNC的内存容量不够用，可将程序存于外设,如计算机的软盘。用电缆将PC机与CNC经串口连接后,启动自动加工,CNC预读15个程序段,开始加工。此后加工一段读入一段,直至结束。
    (2)远程缓冲(REMOTE BUFFER)　上述方式虽然解决了长程序的存储问题,但由于数据的边读入、边处理、边加工,所以加工速度慢。对于小程序段、快速加工,走刀有停顿现象，为此,开发了REMOTE BUFFER功能。
    该功能可实现数据块的传送,有2种工作方式:①计算机存储的加工程序是通常的加工代码指令方式。缓冲器接受后变为2进制,然后送到CNC执行。②计算机存储的加工程序是按2进制编制的。缓冲器收到后不经转换即送往CNC执行。这2种方式都比纸带方式的加工速度快，数据传送速率最快为77900 bps。最快加工速度为15 m/s，电缆最长可达100 m(无调制解调器时)。
    (3)DNC2　它可使8台CNC机床与主计算机远程相连,实现多台机床的加工监控与管理。连接方式为点-点式，数据传输协议为LVS2，传送速率最高为19200 bps。
    CNC与主计算机交换的信息除了系统和机床的参数、加工程序、加工的设定值外,还可传送机床的工作状态,如自动加工启动、停止、加工中、暂停、报警等。DNC2共设计了60多条指令。主计算机必须根据这些指令格式编制相应的处理程序,编程语言用C。为方便用户,可提供宏指令库。
　
    8　调机、维护与故障诊断

    (1)伺服参数设定与调整　为了方便调机,系统的CRT有进给伺服参数设定画面和调整画面。在参数的设定画面上,只需设定初始化位、电机代码等参数即可设定好所用电机的标准参数,使电机稳定运行。其中的柔性变速比可设定电机与滚珠丝杠及位置反馈传感器(脉冲编码器)之间的齿轮传动比。该变比可以不为整数。
    在伺服调整画面上可以定量地读出机床工作台移动时各轴的伺服增益、伺服误差及其变动情况。据此,可判断系统运行是否稳定、有无爬行以及跟随精度等，根据情况进行适当的调整。有故障时该画面还显示伺服的报警。
    (2)主轴参数设定　输入主轴电机的代码及初始化位即可设定好主轴电机的标准参数,电机即可稳定运行。主轴运行有监视画面,在该画面上可读出主轴电机的转速、负载百分比及主轴的转速,从而可以省去通常的转速表和负载表。
    (3)加工程序错误显示　程序出错时,CRT上显示报警号。根据报警号可由说明书中查出错误原因,报警表是多年经验的积累,几乎所有的编程错误都可从该表中查出。
    (4)运行故障显示　CNC控制软件的运行、硬件的各主要元件、伺服控制、主轴控制等出现故障时,CRT上均显示相应的报警号。BEIJING-FANUC 0系统对这些故障有较好的保护。例如,伺服反馈断线形成大开环时,既不会撞车,也不会损坏元件
    (5)I/O信号诊断　CRT可显示梯形图，在该图上可以检查机床强电信号的工作。CRT还有诊断画面,通过该画面,根据信号的地址检查0/1状态变化,可判断其是否正常工作。
　
    9　系统的功能

    BEIJING-FANUC 0系统为全功能型。下列一些功能增加了系统的应用范围和操作的方便：①C_s轴轮廓控制。可以省掉C_f轴,用主轴的转动做为回转坐标与其它直线轴插补,加工轮廓曲线。②刚性攻丝。Z轴进给与主轴转动同步,不用弹簧卡头实现攻丝，从而提高了螺纹的加工精度。③PMC轴控制。用梯形图程序控制伺服进给轴，用于回转轴分度或定量位置进给。0-C系统PMC可控制2个进给轴。④主轴双刀架。⑤0.1μm分辨率。系统分辨率标准设定为1μm。可用参数设定为其1/10。⑥加工程序的后台编辑。自动切削过程中可以编辑新的程序。⑦菜单编程。⑧图形会话在线自动编程。有多种形式,最新的是符号指令形式。易学,易操作。有工艺参数语句。⑨用户宏程序。一种参量编程软件包,用来编制加工程序(适合于成组工艺)或者用其接口变量编制PMC程序,控制CNC的运行状态。