任务一　认识FANUC 0i-D系统

一、FANUC CNC控制器的结构及功能

FANUC 0i D系统的CNC控制器，可分为0i-D系列和0i Mate-D系列两种类型。FANUC 0i-D系列CNC控制器的外观如图1-1-1所示。

0i-D系列CNC控制器由主CPU、存储器、数字伺服轴控制卡、主板、显示卡、内置PMC、LCD显示器、MDI键盘等构成，0i-C/D主控制系统已经把显示卡集成在主板上了。

①CPU负责整个系统的运算、中断控制等。

②存储器包括FLASH ROM、SRAM、DRAM。

FLASH ROM存放着FANUC公司的系统软件和机床应用软件，主要包括插补控制软件、数字伺服软件、PMC控制软件、PMC应用软件（梯形图）、网络通信控制软件、图形显示软件、加工程序等，如图1-1-2所示。

SRAM存放着机床制造商及用户数据，主要包括系统参数、用户宏程序、PMC参数、刀具补偿，以及工件坐标系补偿数据、螺距误差补偿数据等。

DRAM作为工作存储器，在控制系统中起缓存作用。

③数字伺服轴控制卡如图1-1-3所示。伺服控制中的全数字的运算，以及脉宽调制功能采用应用软件来完成，并打包装入CNC系统内（FLASH ROM），支撑伺服软件运行的硬件环境，由DSP以及周边电路组成，这就是常说的数字伺服轴控制卡（简称轴卡）。

④主板包括CPU外围电路、I/O Link、数字主轴电路、模拟主轴电路、RS-232C数据输入输出电路、MDI接口电路、高速输入信号、闪存卡接口电路等。

1.FANUC 0i D CNC控制器的主要规格

FANUC 0i D CNC控制器的主要规格见表1-1-1。

如果需要在FANUC 0i-D系统中编辑CF卡中的程序，则在配置时需要追加CF卡编辑加工功能。

从表1-1-1中可知，各种系列产品的应用场合各有不同，用户在进行配置时需注意以下几点。

①双路径控制功能可以实现两个刀具的独立控制。在一个自动车床上可以实现两个刀具同时加工，自动切削、车铣同时进行，如图1-1-4所示。

②控制轴数。使用的最大控制轴数需要进行选择，例如某加工中心需要7轴控制，则不管其他的要求如何，只能选择0i-D系统。

③加工程序各路径的加工程序是独立保存的。CNC在各路径内分别执行各自的加工程序，如图1-1-5所示。

④输入/输出信号双路径系统CNC的所有通道用1个PMC进行控制，如图1-1-6所示。

0i Mate-D和0i-D在系统配置上有区别，0i Mate-D的功能是通过软件方式进行整体打包的，可以满足常规的使用，而0i-D系统配置需要根据功能来选择。常见FANUC 0i-D系统配置如图1-1-7所示。

2.FANUC 0i D系统功能模块图（图1-1-8）

①CNC控制工作机械的位置和速度，可用于加工、搬运、印刷机的控制等，运用范围十分广泛。CNC控制软件由FANUC公司开发，于出厂前装入CNC，机床生产厂和最终用户都不能修改CNC控制软件。使用宏执行程序和C语言程序执行程序时，可附加专用界面和循环加工。

②PMC（Programmable Machine Controller）主要用于机床控制，是装在CNC内部的顺序控制器。

③机床操作面板上的开关、指示灯和机床上的限位开关，通过I/O Link与FANUC CNC控制器通信。根据机床规格和使用目的，由机床生产厂家编制顺序程序。

④PMC程序和加工程序等都存在快速只读存储器FLASH ROM中。通电时，BOOT系统把这些程序传送到DRAM（Dynamic RAM）中，并根据程序进行CNC处理。断电后，DRAM中的数据全部消失。

⑤CNC考虑到了通用性，以便能在各种机床上使用。不同的机床有不同的进给轴的最高转速和轴名称等，可以在CNC参数中进行设定。此外，用户在使用过程中设定的刀具长度及半径补偿量等，以及在机床开发完成后进行修改的数据，均被保存在SRAM内。SRAM采用锂电池作为后备电池，因此断电后其存储的数据不会丢失。

⑥轴移动指令的加工程序记录在FLASH ROM中，但是加工程序目录记录在SRAM中。

⑦CNC控制软件读取SRAM内的加工程序目录取出程序，并经插补处理后，把轴移动指令发给数字伺服控制软件进行处理。

⑧数字伺服控制软件控制机床的位置、速度和电机的电流。通常1个CPU控制4个轴。伺服控制软件运算的结果，通过FSSB的伺服串行通信总线送到伺服放大器。伺服放大器对伺服电机通电，驱动伺服电机回转。

⑨伺服电机的轴上装有编码器。由编码器把电机的移动量和转子角度送给数字伺服CPU。

⑩编码器有两种：断电后还能监视机床位置的绝对式编码器；通电后检测移动量的增量式编码器。

绝对式编码器——设定参考点（参考点也称为机械原点，是机床上固定的基准点）完成后，接上电源即可知道机床位置，所以机床可以立即运转。

增量式编码器——为了使得机床位置和CNC内部的机床坐标一致，每次接通电源后，都要进行返回参考点操作。

手摇式脉冲发生器通过I/O Link进行连接。SRAM中存储的各种数据的输入和输出可以使用阅读机/穿孔机接口（相当于RS-232C）或者存储卡进行。使用阅读机/穿孔机接口时，为便于操作者连接或者脱开输入输出设备，应将该接口安置在机床操作面板附近，并设置名为穿孔面板的连接器。

二、FANUC数字伺服系统

1.βi系列伺服放大器

βi系列伺服放大器是一种可靠性强、性价比卓越的伺服系统。该系列用于机床的进给轴和主轴。通过最新的控制功能即伺服HRV控制和主轴HRV控制，实现高速、高精度和高效率控制。

多伺服轴/主轴一体型βiSVSP伺服放大器与βi系列伺服电机外观如图1-1-9所示，特点如下；

①伺服电机进给平滑，机身设计紧凑。

②编码器分辨率高（128000线/转）。

③主轴电机机身设计紧凑，基本性能卓越。

④伺服放大器可实现伺服3轴+主轴1轴或者伺服2轴+主轴1轴的一体化设计。

有最新的伺服、主轴控制和伺服调试工具SERVO GUIDE。

βiSVSP伺服放大器一般根据伺服电机和主轴电机型号来确定。选定了进给伺服电机和主轴电机后，就可以通过手册查到对应的伺服放大器型号，可以参考厂家的产品样本选型。下面通过对βiSVSP伺服放大器的铭牌的说明，了解该伺服放大器的具体型号参数，便于选型时识别。βiSVSP伺服放大器铭牌及说明如图1-1-10所示。

另外还有一种可以单独安装和使用的集成型伺服放大器——βiSV伺服放大器。βiSV伺服放大器有两种控制接口：一种是FSSB接口；另一种是I/O Link接口。FSSB接口比较常用。带FSSB接口的βiSV伺服放大器，可以用来作为基本坐标轴使用；带I/O Link接口的βiSV伺服放大器，可以用来作为I/O Link轴使用。βiSV伺服放大器的外观如图1-1-11所示。

βiSV伺服放大器根据伺服电机型号来确定。选定伺服电机后，可以通过手册查到对应的伺服放大器型号，还可以参考厂家的产品样本。下面通过对βiSV伺服放大器的铭牌说明，了解该伺服放大器的具体型号参数，便于选型时识别，βiSV伺服放大器铭牌及说明如图1-1-12所示。

2.βiI系列主轴电机

βiI系列主轴电机内装的速度传感器的类型有两种：一种是不带电机一转信号的速度传感器Mi系列；另一种是带电机一转信号的速度传感器MZi/BZi/CZi系列。若需要实现主轴准停功能，可以采用内装Mi系列速度传感器的电机，外装一个主轴一转信号装置（接近开关）来实现；也可以采用内装MZi系列速度传感器的电机实现。

电机冷却风扇的作用是为电机散热，主轴电机采用变频调速，当电机速度改变时，要求电机散热条件不变，所以电机的风扇是单独供电的。βiI主轴电机与编码器外形如图1-1-13所示。

βiI主轴电机接口功能如图1-1-14所示。

选择主轴电机时，需要进行严密的计算后查找电机参数表，主要考虑下面几个方面的内容。

①根据实际机床主轴的功能要求和切削力要求，选择电机的型号及电机的输出功率。

②根据主轴定向功能的情况，选择电机内装编码器的类型，是否选择带电机一转信号的内装速度传感器。

③根据电机的冷却方式、输出轴的类型、安装方法进行选择。

电机铭牌及电机型号的含义，如图1-1-15所示。

3.βiS系列伺服电机

βiS系列伺服电机是FANUC公司推出的用于普通数控机床的高速小惯量伺服电机，其外观及接口如图1-1-16所示。

βiS系列伺服电机的编码器需要作为绝对式编码器使用时，只需要在放大器上安装电池和设置系统参数即可。有一种用于重力轴上的伺服电机会带有抱闸端口。

选择βiS系列电机时，需要进行严密的计算后查找电机参数表，主要考虑下面几个方面的内容：

①根据实际机床的进给速度、切削力、转矩要求选择；

②根据是否重力轴伺服电机，选择是否需要带抱闸端口；

③绝对式编码器需要配置编码器电池；

④据安装要求，选择安装方式、电机轴结构方式。

βiS电机铭牌及型号的含义，如图1-1-17所示。

4.αi系列伺服放大器

αi系列伺服放大器是FANUC数控系统常用的高性能伺服驱动产品，采用模块化的结构形式，由电源模块（PSM）、伺服驱动模块（SVM）、主轴驱动模块（SPM）组成。主轴驱动模块是用于控制主轴电机的模块，其结构与功能与伺服驱动模块类似。主轴驱动模块可分为200V与400V两大系列。实际使用中，选用200V的居多。αi系列伺服放大器各模块组合连接图如图1-1-18所示。

αi系列伺服放大器各模块接口说明如图1-1-19所示。

αi系列伺服放大器的选择基本与βiS系列伺服放大器相似，所不同的是需要弄清楚控制的轴数，再选择伺服驱动模块、直流短路棒。其他的伺服放大器可以根据电机来选择。

αi系列伺服主轴电机与βiI系列伺服主轴电机在使用材料等方面有很大的不同，所以造成价格与性能上的差异，在选择时需要综合考虑。两种伺服主轴电机的力学性能比较见表1-1-2。

5.αi系列伺服电机

αi系列伺服电机属于高性能电机，βi系列伺服电机属于经济型电机，由于两者在使用材料等方面有很大的不同，所以造成价格与性能上的差异，特别是在加减/速能力、高速与低速输出特性、调速范围等方面有较大的差别。αi系列伺服电机的编码器有绝对式与增量式两种，因此在选择时需要综合考虑。其外部接口与βiS系列伺服电机基本一样，这里不再重复。现把两种伺服电机的力学性能进行比较，见表1-1-3。

三、案例

1.案例说明

本案例以一台典型的ZTXX30A数控铣床为例，重点介绍FANUC CNC产品的选型与配置方法。

2.案例分解

本案例中，对应的机床为ZTXX30A数控铣床，其主要规格参数及参数分析见表1-1-4。

系统选型应注意以下事项。

（1）系统的显示屏有8.4in与10.4in两个尺寸，8.4in的又分为横型与竖型两种，选择时需要了解实际安装位置，横型的比较常用。

（2）主轴分为模拟主轴与串行伺服主轴，这两种类型所要求的系统是不同的。

（3）FANUC系统某些加工功能是需要单独选择配置的。

3.案例综述

通过对机床主要规格参数表的分析，合理地选择系统来实现所需要的功能。下面通过实际的案例，进一步加深对系统功能的认识。在实际的选型中，需要选择前面讲的主板、数字伺服轴控制卡、存储器等系统部件，表1-1-5为选择0i Mate-MD系统的部分配置单。

四、训练

1.训练目的

①了解现有设备的系统配置。

②对系统配置的功能进行阐述。

③掌握FANUC系统的分类。

④了解FANUC系统的硬件结构。

2.训练设备

通过查看实训设备的配置，然后填写表1-1-6。

3.训练考核

对现有实训设备进行观察，找出哪些是具有伺服主轴控制功能的系统，哪些是具有模拟主轴控制功能的系统，并对各控制端口的作用进行说明，填写表1-1-7。