多面體一次裝夾數(shù)控加工成形已受到用戶的高度重視，但機床性能的增強導(dǎo)致成本隨之增長。傳統(tǒng)方案是選用具有四軸（或以上）聯(lián)動功能的高檔CNC 系統(tǒng)，雖然其控制功能強大，但價格昂貴。為此又發(fā)展到三軸CNC系統(tǒng)加掛標(biāo)準(zhǔn)PMC 軸驅(qū)動模塊來實現(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，并且在實際生產(chǎn)中得以驗證的三軸CNC系統(tǒng)的第四軸電氣設(shè)計方案基于FANUC 0imate系列的I / O LINK 軸數(shù)控機床第四軸分度頭電氣設(shè)計方法，并闡述I / O LINK 軸特點及其在第四軸分度頭電氣設(shè)計應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 第四軸分度頭動作分析及設(shè)計要求

　　一般情況下數(shù)控銑床或加工中心有X、Y、Z 三個基本軸，其他旋轉(zhuǎn)、進給軸為第四軸，后者可以實現(xiàn)刀庫定位，回轉(zhuǎn)工作臺、分度頭的旋轉(zhuǎn)定位，更高級的系統(tǒng)還可以與基本軸進行插補運算，實現(xiàn)四軸、五軸聯(lián)動。一般多面體加工，如渦輪式空壓機殼體的四面孔、槽的加工可以由第四軸分度頭功能來完成，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)分度控制來說明。一般數(shù)控分度頭的分度運動是伺服電動機通過聯(lián)軸器驅(qū)動一組蝸輪蝸桿，從而使分度頭旋轉(zhuǎn)分度。本文提出的設(shè)計要求：分度精度（系統(tǒng)）<0.05，點位控制、能手動、自動運行程序，可回零。分度頭的夾緊是通過一組氣壓夾緊裝置來實現(xiàn)，夾緊動作的發(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)中有良好信譽的FANUC 0i Mate-MB 系統(tǒng)，并增加伺服電動機系列的I/O LINK 軸來實現(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)計及加工要求。FANUC I/O LINK 是一個串行接口，將CNC、單元控制器、分布式I/O 機床操作面板或Power Mate 連接起來，并在各設(shè)備間高速傳送I/O信號。目前，F(xiàn)ANUC 提供的I/O LINK 軸可以方便地用于刀庫、旋轉(zhuǎn)工作臺、分度頭以及生產(chǎn)線上的點位控制。本文通過Power Mate CNC 管理功能（PMM）該功能通過I/O LINK 連接伺服電動機，電動機的設(shè)定和顯示可通過CNC 進行方便地對電動機的運動進行控制，從而實現(xiàn)第四軸功能。

3 系統(tǒng)硬件

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

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

　　4.1 初次開機步驟（見圖2）

　　4.2 主要相關(guān)參數(shù)設(shè)置

　　伺服電動機有單獨的管理界面（PMM），可以方便地進行參數(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 頁面下設(shè)置初始參數(shù)。

5 第四軸功能PMC 實現(xiàn)

　　5.1 地址分配

　　每個I/O LINK 控制軸占用I/O LINK 的128 輸入點和128輸出點。&beta;伺服放大器通過這128 輸入點，128輸出點連接到主系統(tǒng)，即CNC。主系統(tǒng)中的梯形圖通過I/O LINK 接口來給&beta; 放大器傳送運動指令并監(jiān)測其運行狀態(tài)。系統(tǒng)則進行I/O模塊的地址分配，占用一個16字節(jié)大小的模塊。數(shù)控通過I/O LINK進行傳輸，傳遞指令和反饋信息。

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

　　此處y 表示I/O模塊設(shè)定時的首地址，y一旦設(shè)定，其他信號的地址也就相對確定。這里的Y地址表示CNC&rarr;AMP，控制AMP執(zhí)行指定的動作，作用相當(dāng)于基本軸控制所用的G 地址信號。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)于平時所用的F 地址信號。

　　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DRC 的&ldquo;0&rdquo;、&ldquo;1&rdquo;狀態(tài)決定。當(dāng)DRC=0時I/O LINK軸處于外圍設(shè)備控制方式。在此方式中，可以運行命令來實現(xiàn)多個位置控制和一些外圍設(shè)備控制，如控制松馳、夾緊。在操作時兩種接口可以切換，但是由于兩種接口的時序不同，梯形圖也要相應(yīng)改變，通常上電時不要進行切換。由前面設(shè)計動作要求可知，選用I/O LINK軸的外圍控制方式可以方便控制外圍設(shè)備：分度頭的夾緊動作。

　　5.3 PMC 編程

　　以下以分度頭回零PMC編程為例來說明分度頭控制的PMC實現(xiàn)。

　　1）回零控制

　　本例做的是手動回零。開機時只要第一次執(zhí)行手動回零，系統(tǒng)便會自動記下回零位置，當(dāng)再次執(zhí)行回零時系統(tǒng)可以自動找到分度頭零點。參數(shù)設(shè)置系列控制裝置可以實現(xiàn)自動和手動回參考點，它跟其他軸回零方式是一樣的，利用編碼器柵格信號來精確定位即參考點由柵格一轉(zhuǎn)信號來決定。通過設(shè)置參數(shù)，利用*RILK信號可以充當(dāng)（回零減速信號）*DEC，當(dāng)該信號由1 變?yōu)?時，利用下降沿觸發(fā)下列動作：第四軸減速按參數(shù)設(shè)定值低速旋轉(zhuǎn)，CNC 開始自動記錄一轉(zhuǎn)信號，當(dāng)檢測到一轉(zhuǎn)信號時，旋轉(zhuǎn)軸立刻停止。在手動返回參考點時，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為檢測單位，0.01；F為進給速度，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)信號地址可容易地實現(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。通過設(shè)定二進數(shù)功能（numeb）設(shè)定回零功能代碼及回零速度。F4.5 為手動返回參考點選擇信號，見圖3。

　　4）回零方向選擇

　　可以選擇順時針方向為回零正方向。根據(jù)圖4 所示一般命令及其外圍控制時序圖編制相關(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），最后按此時序圖，B軸命令實現(xiàn)PMC編程，至此與回零相關(guān)的PMC編程完成。按照所要求的時序進行PMC編程可輕松實現(xiàn)第四軸回零功能。其他B功能指令命令的實現(xiàn)，與此類似。按此設(shè)計思路，筆者對用戶的機床進行了相應(yīng)的數(shù)控改造，使其第四軸分度頭實現(xiàn)了高系統(tǒng)分辨率的點位、速度控制，其獨立友好的控制界面也使得操作簡單，各種狀態(tài)一目了然，滿足了生產(chǎn)需要。

6 結(jié)語

　　筆者給用戶加工螺旋式空壓機的殼體的四面，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。通過實踐證明，基于FANUC I/O LINK功能設(shè)計的第四軸電氣驅(qū)動能較好地滿足設(shè)計、加工要求，其通用性強，適用于刀庫、分度頭、旋轉(zhuǎn)工作臺等附加軸驅(qū)動，并且性能穩(wěn)定，價格便宜。