一、引言

　　絕大多數(shù)的10年以上的舊數(shù)控機(jī)床，故障率高，一旦機(jī)床控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，由于數(shù)控系統(tǒng)已近于被淘汰，選購(gòu)配件非常困難，從而使得這些設(shè)備不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。對(duì)于這類(lèi)設(shè)備，只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，實(shí)施數(shù)控系統(tǒng)升級(jí)改造，就能以最小的投資盤(pán)活最大的存量資產(chǎn)，從而取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

二、Fanuc α系列伺服裝置簡(jiǎn)介

　　Fanuc公司于2000年前后，先后推出了α/β系列和αi/βi系列伺服裝置，CNC至伺服采用總線結(jié)構(gòu)連接，即FSSB（Fanuc Serial Servo Bus-FANUC串行伺服總線），反饋裝置采用高分辨率編碼器，電子倍頻后分辨率可達(dá)100萬(wàn)脈沖/轉(zhuǎn)。各伺服軸通過(guò)FSSB總線，實(shí)現(xiàn)總線控制結(jié)構(gòu)。

　　目前FANUC公司新推出的αi系列伺服控制器，采用HRV(High Response Vector高響應(yīng)矢量)控制技術(shù)，其目的是對(duì)交流電機(jī)矢量控制從硬件和軟件方面進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)伺服裝置的高性能化，從而使數(shù)控機(jī)床的加工達(dá)到高速和高精度。HRV控制技術(shù)可大大提高伺服控制的剛性和跟蹤精度，可實(shí)現(xiàn)高精度輪廓加工。主軸伺服系統(tǒng)采用HRV控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)矢量控制，提高了主軸速度和位置控制精度。

　　Fanuc公司也不斷推出其他形式的驅(qū)動(dòng)裝置，如直線電機(jī)、高速內(nèi)裝電主軸、低速力矩電機(jī)（數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)用直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)）等。

　　低速力矩電機(jī)直接作為旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是伺服技術(shù)的又一個(gè)發(fā)展。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)一般通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸輪、蝸桿副進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，制造成本高，機(jī)械磨損不可避免，維護(hù)性差。采用了直接驅(qū)動(dòng)的力矩電機(jī)后，由于力矩電機(jī)加大了轉(zhuǎn)子直徑，并采用稀土金屬作為磁極材料，所以可以獲得大轉(zhuǎn)矩；又由于力矩電機(jī)對(duì)磁路進(jìn)行了最佳設(shè)計(jì)，減小了低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。例如，F(xiàn)anuc旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)內(nèi)裝式伺服電機(jī)D3000/150is具體的技術(shù)參數(shù)為：最大輸出轉(zhuǎn)矩-3000Nm，連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩-1200Nm，最大轉(zhuǎn)速-150r/min，外形高度-160mm，外徑-565mm。

　　Fanuc數(shù)控系統(tǒng)α系列伺服由PSM(Power Supply Module電源模塊)、SPM（Spindle amplifier Module主軸放大器模塊）、SVM(Servo amplifier Module伺服放大器模塊)組成。Fanuc數(shù)控系統(tǒng)及伺服裝置的外形，如圖1所示。

　　lPSM電源模塊

　　為主軸伺服模塊和進(jìn)給伺服模塊提供逆變直流電源的模塊。輸入電源模塊（PSM）的交流電為三相200V，經(jīng)PSM處理后，向直流母線排輸送DC300V電壓，供主軸伺服放大器和進(jìn)給伺服放大器使用。此外，PSM模塊中還有輸入保護(hù)電路，通過(guò)外部急停信號(hào)或內(nèi)部繼電器控制MCC主接觸器，實(shí)現(xiàn)急停狀態(tài)切斷伺服系統(tǒng)電源，停止各種機(jī)床移動(dòng)的控制功能。

　　lSPM主軸伺服模塊

　　接收CNC發(fā)出的串行主軸（數(shù)字主軸）控制信號(hào)。Fanuc數(shù)控系統(tǒng)串行主軸控制指令符合Fanuc公司產(chǎn)品通訊協(xié)議，與其他數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商的串行主軸控制方式不兼容。簡(jiǎn)單地說(shuō)，F(xiàn)anuc系統(tǒng)SPM主軸伺服模塊的工作原理是，經(jīng)過(guò)變頻調(diào)速控制，向Fanuc主軸伺服電動(dòng)機(jī)輸出與用戶(hù)指令主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的動(dòng)力電。主軸伺服模塊的JY2和JY4接口分別接收主軸速度反饋信號(hào)和主軸位置編碼器信號(hào)。

　　lSVM進(jìn)給伺服模塊

　　接收通過(guò)FSSB傳輸?shù)腃NC軸控制指令，并各軸伺服電動(dòng)機(jī)按數(shù)控系統(tǒng)的指令運(yùn)轉(zhuǎn)。SVM進(jìn)給伺服模塊的JFn接口接收伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)，并將位置信息通過(guò)FSSB光纜轉(zhuǎn)送到CNC。Fanuc系統(tǒng)SVM伺服放大器最多可以驅(qū)動(dòng)三個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。

三、CT40型數(shù)控車(chē)床伺服系統(tǒng)的升級(jí)改造

　　1．了解原有數(shù)控系統(tǒng)的性能，確定操作者對(duì)機(jī)床性能的要求

　　CT40數(shù)控車(chē)床是1988年德國(guó)Gildmeister公司生產(chǎn)的設(shè)備，所配備的數(shù)控系統(tǒng)是Datapilo EPL2系統(tǒng)，僅有德語(yǔ)一種語(yǔ)言顯示。近20年來(lái)，CT40始終用于數(shù)控車(chē)床編程與操作教學(xué)演示及單件小批量中等復(fù)雜程度零件的加工。雖然使用年限已較長(zhǎng)，但機(jī)床機(jī)械部分的性能仍十分可靠，但控制系統(tǒng)的使用壽命已到極限，突出表現(xiàn)在：顯示器亮度很差，幾乎看不清顯示信息，無(wú)法買(mǎi)到與CNC系統(tǒng)中顯示接口匹配的顯示器；機(jī)床的最大進(jìn)給速度為10m/min、最大切削進(jìn)給速度為5m/min，伺服系統(tǒng)的性能已不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)中加工工藝的要求；數(shù)控系統(tǒng)早已停產(chǎn)，數(shù)控系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，無(wú)法買(mǎi)到配件。為了最大限度的利用資源、發(fā)揮機(jī)床機(jī)械性能可靠的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)從根本上排除各種故障、改變數(shù)控系統(tǒng)的操作方式及編程規(guī)則不具有普遍性對(duì)數(shù)控編程教學(xué)演示的影響、提高伺服系統(tǒng)的性能，擴(kuò)大CT40在教學(xué)和生產(chǎn)中的使用范圍，結(jié)合項(xiàng)目預(yù)算，確定了保留機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)、重新開(kāi)發(fā)機(jī)床控制系統(tǒng)的方案。

　　經(jīng)分析，表1所列機(jī)床參數(shù)是實(shí)施改造項(xiàng)目應(yīng)重點(diǎn)保證的功能項(xiàng)目。

表1 CT40數(shù)控車(chē)床主要性能參數(shù)

　　2．結(jié)合機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)及功率要求進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　機(jī)床X、Z兩軸的伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)均為Simens 1FT 5064-0AC，按照西門(mén)子技術(shù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)可知：機(jī)床要求X、&, lt;, SPAN lang=EN-US>Z兩軸的額定扭矩均為：4.7NM、兩軸靜扭矩范圍為4.5~5.5NM；電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速2000rpm。

　　伺服電機(jī)型號(hào)的選擇：電機(jī)型號(hào)的選擇應(yīng)綜合考慮電機(jī)扭矩、電機(jī)的外形尺寸、軸的連接形式、編碼器的型號(hào)，以便在安裝后調(diào)整參數(shù)。根據(jù)CT40機(jī)床扭矩及功率要求，選用α系列交流伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的扭矩和功率適當(dāng)大于機(jī)床額定扭矩和功率。Fanuc系統(tǒng)手冊(cè)提供的各型號(hào)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表2所示，選取α6/2000。

　　伺服驅(qū)動(dòng)單元的選擇：伺服驅(qū)動(dòng)單元是在電機(jī)選擇完成后，根據(jù)系統(tǒng)廠家提供的規(guī)格手冊(cè)進(jìn)行選擇。如表3所示為Fanuc-AC servo motor各型號(hào)電機(jī)對(duì)應(yīng)的伺服參數(shù)。電機(jī)外形尺寸。

表2 各型號(hào)伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

　　從電機(jī)外形尺寸可見(jiàn)，α6/2000交流伺服電機(jī)與CT40機(jī)械結(jié)構(gòu)匹配、軸的連接均可順利實(shí)現(xiàn)安裝。

　　3．伺服系統(tǒng)初始化參數(shù)調(diào)試

　　在完成了伺服系統(tǒng)硬件安裝后，數(shù)控系統(tǒng)第一次上電時(shí)，必須進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、伺服系統(tǒng)參數(shù)、主軸控制參數(shù)的初始化調(diào)試，以及PLC編程等軟件方面的初始化調(diào)試操作。如表3所示為CT40型數(shù)控車(chē)床伺服系統(tǒng)升級(jí)改造時(shí)，伺服系統(tǒng)參數(shù)的初始化設(shè)置及其含義。

表3 伺服系統(tǒng)初始化參數(shù)

　　在實(shí)際進(jìn)行伺服系統(tǒng)參數(shù)初始化調(diào)試時(shí)，應(yīng)在了解伺服系統(tǒng)初始化參數(shù)的含義的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)床配置的機(jī)電部件重要技術(shù)參數(shù)，完成調(diào)試操作。

四、結(jié)束語(yǔ)

　　目前市場(chǎng)上數(shù)控系統(tǒng)的類(lèi)型、品牌比較多，選擇前首先應(yīng)對(duì)擬改造的數(shù)控機(jī)床的功能有一個(gè)充分的了解，依據(jù)功能滿(mǎn)足、技術(shù)先進(jìn)、服務(wù)方便的原則選擇數(shù)控系統(tǒng)。尤其在數(shù)控系統(tǒng)的功能選擇上，不應(yīng)單純追求數(shù)控系統(tǒng)的高性能指標(biāo)，而是要注重較高的性能價(jià)格比。所選用的數(shù)控系統(tǒng)所具有的功能應(yīng)與準(zhǔn)備改造的數(shù)控機(jī)床原有的性能相匹配，盡量減少過(guò)剩的數(shù)控功能，因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)功能過(guò)剩，一方面浪費(fèi)資金，另一方面還可能帶來(lái)由于數(shù)控系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加而帶來(lái)故障率升高的隱患。

　　隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，機(jī)械和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)單，系統(tǒng)調(diào)試和維修人員能夠處理的硬件越來(lái)越少，而對(duì)各類(lèi)軟件的使用要求越來(lái)越高。在進(jìn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的升級(jí)改造時(shí)，越來(lái)越要求現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員利用專(zhuān)業(yè)軟件，配合完成系統(tǒng)初始化調(diào)試，例如Fanuc Ladder III PLC編程軟件、Siemens STEP-7 PLC編程軟件、Siemens Sino ComU軟件就是要求從事系統(tǒng)改造與調(diào)試的工程師掌握的專(zhuān)業(yè)軟件。