多面體一次裝夾數(shù)控加工成形已受到用戶的高度重視，但機(jī)床性能的增強(qiáng)導(dǎo)致成本隨之增長(zhǎng)。傳統(tǒng)方案是選用具有四軸（或以上）聯(lián)動(dòng)功能的高檔CNC 系統(tǒng)，雖然其控制功能強(qiáng)大，但價(jià)格昂貴。為此又發(fā)展到三軸CNC系統(tǒng)加掛標(biāo)準(zhǔn)PMC 軸驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)第四軸功能，使成本投入較前者有所降低。本文提供了一種性能可靠、成本投入更加優(yōu)化，并且在實(shí)際生產(chǎn)中得以驗(yàn)證的三軸CNC系統(tǒng)的第四軸電氣設(shè)計(jì)方案基于FANUC 0imate系列的I / O LINK 軸數(shù)控機(jī)床第四軸分度頭電氣設(shè)計(jì)方法，并闡述I / O LINK 軸特點(diǎn)及其在第四軸分度頭電氣設(shè)計(jì)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 第四軸分度頭動(dòng)作分析及設(shè)計(jì)要求

　　一般情況下數(shù)控銑床或加工中心有X、Y、Z 三個(gè)基本軸，其他旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給軸為第四軸，后者可以實(shí)現(xiàn)刀庫(kù)定位，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、分度頭的旋轉(zhuǎn)定位，更高級(jí)的系統(tǒng)還可以與基本軸進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)四軸、五軸聯(lián)動(dòng)。一般多面體加工，如渦輪式空壓機(jī)殼體的四面孔、槽的加工可以由第四軸分度頭功能來(lái)完成，一次裝夾就可以完成多道工序，其加工精度、效率得以顯著的提高，以下以分度頭旋轉(zhuǎn)分度控制來(lái)說(shuō)明。一般數(shù)控分度頭的分度運(yùn)動(dòng)是伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)一組蝸輪蝸桿，從而使分度頭旋轉(zhuǎn)分度。本文提出的設(shè)計(jì)要求：分度精度（系統(tǒng)）<0.05，點(diǎn)位控制、能手動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行程序，可回零。分度頭的夾緊是通過(guò)一組氣壓夾緊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，夾緊動(dòng)作的發(fā)出由一電磁閥控制。

2 數(shù)控系統(tǒng)選用

　　本文的方案是選用在中低檔數(shù)控系統(tǒng)中有良好信譽(yù)的FANUC 0i Mate-MB 系統(tǒng)，并增加伺服電動(dòng)機(jī)系列的I/O LINK 軸來(lái)實(shí)現(xiàn)第四軸功能。該系統(tǒng)采用了FSSB 技術(shù)，容易增加控制軸數(shù)，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)及加工要求。FANUC I/O LINK 是一個(gè)串行接口，將CNC、單元控制器、分布式I/O 機(jī)床操作面板或Power Mate 連接起來(lái)，并在各設(shè)備間高速傳送I/O信號(hào)。目前，F(xiàn)ANUC 提供的I/O LINK 軸可以方便地用于刀庫(kù)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、分度頭以及生產(chǎn)線上的點(diǎn)位控制。本文通過(guò)Power Mate CNC 管理功能（PMM）該功能通過(guò)I/O LINK 連接伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的設(shè)定和顯示可通過(guò)CNC 進(jìn)行方便地對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)第四軸功能。

3 系統(tǒng)硬件

　　選用FANUC &beta;系列電動(dòng)機(jī)和伺服放大器作為此分度頭的驅(qū)動(dòng)裝置。位置量測(cè)量方式為電動(dòng)機(jī)編碼器半閉環(huán)方式。第四軸連接框圖如圖1所示。

4 初次開機(jī)步驟及I/O LINK軸相關(guān)參數(shù)設(shè)置

　　4.1 初次開機(jī)步驟（見圖2）

　　4.2 主要相關(guān)參數(shù)設(shè)置

　　伺服電動(dòng)機(jī)有單獨(dú)的管理界面（PMM），可以方便地進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)顯示。在設(shè)置參數(shù)前，把急停開關(guān)接通，使系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)。在PMM 頁(yè)面下設(shè)置初始參數(shù)。

5 第四軸功能PMC 實(shí)現(xiàn)

　　5.1 地址分配

　　每個(gè)I/O LINK 控制軸占用I/O LINK 的128 輸入點(diǎn)和128輸出點(diǎn)。&beta;伺服放大器通過(guò)這128 輸入點(diǎn)，128輸出點(diǎn)連接到主系統(tǒng)，即CNC。主系統(tǒng)中的梯形圖通過(guò)I/O LINK 接口來(lái)給&beta; 放大器傳送運(yùn)動(dòng)指令并監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)則進(jìn)行I/O模塊的地址分配，占用一個(gè)16字節(jié)大小的模塊。數(shù)控通過(guò)I/O LINK進(jìn)行傳輸，傳遞指令和反饋信息。

　　例：OC021 Xx從X20 分配 1. 0. 1. OC02I　　此時(shí)上面首地址x = 20　　Yy 從Y36 分配 1. 0. 1. OC02O此時(shí)上面首地址y = 36

　　此處y 表示I/O模塊設(shè)定時(shí)的首地址，y一旦設(shè)定，其他信號(hào)的地址也就相對(duì)確定。這里的Y地址表示CNC&rarr;AMP，控制AMP執(zhí)行指定的動(dòng)作，作用相當(dāng)于基本軸控制所用的G 地址信號(hào)。這里的X地址表示AMP&rarr;CNC 即AMP 反饋給CNC的信息，目前AMP處在何種狀態(tài)，作用相當(dāng)于平時(shí)所用的F 地址信號(hào)。

　　5.2 &beta;系列I/O LINK 控制方式選擇

　　由于選用了&beta;系列伺服控制，I / O LINK 軸控制方式可分為兩種，并且由信號(hào)DRC 的&ldquo;0&rdquo;、&ldquo;1&rdquo;狀態(tài)決定。當(dāng)DRC=0時(shí)I/O LINK軸處于外圍設(shè)備控制方式。在此方式中，可以運(yùn)行命令來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)位置控制和一些外圍設(shè)備控制，如控制松馳、夾緊。在操作時(shí)兩種接口可以切換，但是由于兩種接口的時(shí)序不同，梯形圖也要相應(yīng)改變，通常上電時(shí)不要進(jìn)行切換。由前面設(shè)計(jì)動(dòng)作要求可知，選用I/O LINK軸的外圍控制方式可以方便控制外圍設(shè)備：分度頭的夾緊動(dòng)作。

　　5.3 PMC 編程

　　以下以分度頭回零PMC編程為例來(lái)說(shuō)明分度頭控制的PMC實(shí)現(xiàn)。

　　1）回零控制

　　本例做的是手動(dòng)回零。開機(jī)時(shí)只要第一次執(zhí)行手動(dòng)回零，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)記下回零位置，當(dāng)再次執(zhí)行回零時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)找到分度頭零點(diǎn)。參數(shù)設(shè)置系列控制裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)回參考點(diǎn)，它跟其他軸回零方式是一樣的，利用編碼器柵格信號(hào)來(lái)精確定位即參考點(diǎn)由柵格一轉(zhuǎn)信號(hào)來(lái)決定。通過(guò)設(shè)置參數(shù)，利用*RILK信號(hào)可以充當(dāng)（回零減速信號(hào)）*DEC，當(dāng)該信號(hào)由1 變?yōu)?時(shí)，利用下降沿觸發(fā)下列動(dòng)作：第四軸減速按參數(shù)設(shè)定值低速旋轉(zhuǎn)，CNC 開始自動(dòng)記錄一轉(zhuǎn)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到一轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸立刻停止。在手動(dòng)返回參考點(diǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸的速度必須使伺服位置偏差大于參數(shù)給定值。這里設(shè)置給定伺服位置偏差：100；伺服回路增益：30，則由式（1）計(jì)算位置偏差：

　　E=（F/G）&times;（1/U）（1）

　　式中，E 為伺服位置偏差，單位0.01;；G為伺服回路增益，單位1/s；U為檢測(cè)單位，0.01；F為進(jìn)給速度，0.01/s。

　　F =（EGU;60/36000 =10030160/36000 = 5r / min

　　所以在參數(shù)設(shè)置回零速度需要大于5r/min。

　　2）方式選擇

　　根據(jù)信號(hào)地址可容易地實(shí)現(xiàn)B功能方式選擇譯碼，方法如同基本軸控制，見表1。

　　3）置功能代碼

　　Y38地址后四位為B功能代碼，前四位為命令數(shù)據(jù)地址。分別置為：0100，1111。即Y38 地址值為79。通過(guò)設(shè)定二進(jìn)數(shù)功能（numeb）設(shè)定回零功能代碼及回零速度。F4.5 為手動(dòng)返回參考點(diǎn)選擇信號(hào)，見圖3。

　　4）回零方向選擇

　　可以選擇順時(shí)針方向?yàn)榛亓阏较?。根?jù)圖4 所示一般命令及其外圍控制時(shí)序圖編制相關(guān)PMC（圖4中X、Y 地址已分配。如X36.4 為已分配好的軸控制交換數(shù)據(jù)地址），最后按此時(shí)序圖，B軸命令實(shí)現(xiàn)PMC編程，至此與回零相關(guān)的PMC編程完成。按照所要求的時(shí)序進(jìn)行PMC編程可輕松實(shí)現(xiàn)第四軸回零功能。其他B功能指令命令的實(shí)現(xiàn)，與此類似。按此設(shè)計(jì)思路，筆者對(duì)用戶的機(jī)床進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)控改造，使其第四軸分度頭實(shí)現(xiàn)了高系統(tǒng)分辨率的點(diǎn)位、速度控制，其獨(dú)立友好的控制界面也使得操作簡(jiǎn)單，各種狀態(tài)一目了然，滿足了生產(chǎn)需要。

6 結(jié)語(yǔ)

　　筆者給用戶加工螺旋式空壓機(jī)的殼體的四面，其加工效率提高了2倍，加工精度符合要求，加工投入成本降低了1/5。通過(guò)實(shí)踐證明，基于FANUC I/O LINK功能設(shè)計(jì)的第四軸電氣驅(qū)動(dòng)能較好地滿足設(shè)計(jì)、加工要求，其通用性強(qiáng)，適用于刀庫(kù)、分度頭、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)等附加軸驅(qū)動(dòng)，并且性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜。