第3章　FANUC PMC硬件與配置

3.1　數控系統功能及組成

3.1.1　控制路徑與機械組

（1）功能配置

簡約型FANUC Series 0i-MODEL F（簡稱FS 0iF）及FANUC Series 0i-MODEL F Plus（簡稱FS 0iF Plus）是FANUC公司當前的主導產品，它們與前期的FS 0iC、FS 0iD等簡約型系統相比，主要是增強和完善了高速高精度加工和多軸、多路徑（多軌跡）控制功能，使之能較好地適應現代高速高精度復合加工數控機床、FMC的發展需求，滿足除五軸加工以外的幾乎所有數控機床的控制要求。

FS 0iF/0iF Plus的高速高精度加工性能主要體現在提高CPU處理速度和插補精度、縮短位置采樣時間、增強和完善前瞻（advance internal preview）控制、平滑公差控制功能、采用智能型輪廓控制及間隙補償等軟件功能方面，系統比前期的FS 0iC、FS 0iD具有更高的軌跡控制精度和更快的運動速度。

FS 0iF/0iF Plus多軸、多路徑控制性能主要體現控制軸數、路徑數的增加上，它將原FS 0i TT的雙主軸、雙刀架控制功能（相當于2路徑控制）拓展到了其他規格上，系統最大可控制2路徑12軸加工，并增加了2路徑6軸裝卸、3機械組控制、3路徑PMC控制等新功能，從而使之能較好地適應現代復合加工機床、FMC的控制要求。

FS 0iF/0iF Plus不同規格產品的功能配置如表3.1.1所示。

多路徑加工、多路徑裝卸、多機械組、多路徑PMC控制是FS 0iF/0iF Plus的新增功能，可用于如圖3.1.1所示的雙主軸、雙刀架、自動上下料數控車床等現代化、高效、自動化加工設備的控制，其基本概念簡要說明如下。

（2）多路徑加工

在FANUC系統上，數控裝置的多軌跡同時控制功能稱為多路徑加工控制（multi-path machining control），通常直接稱為多路徑控制（multi-path control），為了與FANUC說明書統一，本書后述的內容中，也將使用“多路徑控制”這一名稱。

多路徑（加工）控制實際上是一種利用現代微處理器的高速處理，同時進行多種軌跡的插補運算，使數控系統能夠同時運行多個加工程序的“群控”功能。利用多路徑控制功能，數控系統不僅可滿足現代數控機床的多主軸同時加工要求，而且還實現多臺數控機床的集中、統一控制，使多主軸同時加工、復合加工等現代化數控機床乃至FMC、FMS的控制成為可能。

金屬切削加工機床的加工控制需要有進給軸和主軸，因此，FANUC數控系統的每一控制路徑（controlled path，簡稱路徑）都需要配置若干由CNC控制位置速度的插補進給軸（以下簡稱CNC軸）和主軸，同時，還需要具有完整的主軸控制、自動換刀、坐標系設置、刀具補償等加工控制功能，并能夠獨立運行自身的CNC加工程序。

例如，在圖3.1.1所示的雙主軸、雙刀架、自動上下料數控車床上，加工路徑1包括了主軸SP1、刀架T1及進給軸X1、Z1；加工路徑2包括了主軸SP2、刀架T2及進給軸X2、Z2；路徑1、路徑2可通過各自的車削加工程序進行獨立控制，兩個加工程序可在CNC上同時運行；如需要，還可通過特殊指令，協調不同路徑的加工程序執行。

FS 0iF/0iF Plus系統目前最多可用于兩個路徑加工控制，一個加工路徑最多可配置9個進給軸和3個主軸，并實現4軸聯動控制；但兩個路徑的控制軸總數不能超過12軸，主軸總數不能超過4軸。

（3）多路徑裝卸

裝卸控制（loader control）是FS 0iF/0iF Plus的新增功能，它可代替傳統的利用CNC輔助功能指令（如B、E指令）及PMC程序控制的輔助運動軸（簡稱PMC軸），用于數控機床非加工輔助設備的伺服驅動軸位置控制，例如，圖3.1.1中的上下料機械手的U1/W1、U2/W2軸控制等。由于數控機床的輔助運動軸多用于FMC（柔性加工單元）的工件自動交換（裝卸）控制，故稱為裝卸控制（loader control）功能。

用于工件裝卸控制的輔助運動軸，簡稱裝卸軸（loading axis），它同樣是采用伺服電機驅動的坐標軸，但是，它們不需要進行輪廓切削加工（多軸插補運算），因此，裝卸軸的數量與CNC的控制軸數無關。

FANUC數控系統的裝卸軸采用了類似國產普及型數控系統的控制方式，其實質與傳統的PMC軸類似，但是，裝卸軸的運動可直接利用專門的CNC程序進行控制（稱為裝卸程序），而且可使用與加工程序相同的G代碼編程，因此，與傳統的PMC軸相比，其使用更簡單、編程更方便、控制更容易。

增加裝卸控制功能的主要目的是以CNC程序代替PMC程序，控制數控機床輔助設備的伺服驅動軸，因此，裝卸程序只能使用簡單的快速定位（G00）、直線運動（G01）及坐標系設定（G52～G59）等定位指令，而不能使用圓弧、螺旋線插補及主軸控制、自動換刀、刀具補償等用于數控加工的指令。

如果數控機床具有多個獨立的裝卸裝置，不同裝卸裝置的CNC控制程序同樣可獨立編制、獨立運行，這樣的功能稱為多路徑轉卸控制。FS 0iF/0iF Plus系統目前最多可用于兩個路徑裝卸控制，每一裝卸路徑最多可配置3個伺服驅動軸（不能使用主軸，不占用CNC控制軸數）。

（4）多機械組與多路徑PMC控制

在多路徑控制系統上，有時需要將若干個加工路徑、裝卸路徑組成一個相對獨立的整體，由數控系統對其進行成組、統一的控制，這樣的組稱為機械組（machine group）。數控系統的不同機械組一般需要由不同的PMC程序進行控制，因此，多機械組控制系統需要配置多路徑控制PMC。

例如，在圖3.1.1所示的雙主軸、雙刀架、自動上下料數控車床上，加工路徑1和裝卸路徑1用于主軸SP1的工件加工與裝卸，兩者需要作為一個整體進行控制，故可將其組合為機械組1；同樣，加工路徑2和裝卸路徑2用于主軸SP2的工件加工與裝卸，兩者也需要作為一個整體進行控制，故可將其組合為機械組2。

在具有多機械組控制功能的數控系統上，同一機械組的所有路徑將被視為一個整體，因此，它們將使用共同的急停（E.Stop）、復位（Reset）等控制信號，并使用同一PMC程序處理CNC的輔助功能及內部信號；在各路徑的程序自動運行時，只要其中的任一路徑出現故障，其他路徑都將停止運行。

FS 0iF/0iF Plus系統目前最多可用于3個機械組控制，并通過3路徑PMC控制3個PMC程序的同時運行。

3.1.2　系統組成與結構

（1）系統組成

FS 0iF/0iF Plus數控系統的一般組成如圖3.1.2所示。

從傳統的角度看，FS 0iF/0iF Plus系統同樣由數控裝置/操作面板/顯示器組成的CNC基本單元（CNC/LCD/MDI單元）、機床輸入/輸出連接單元（I/O單元或模塊）、機床操作面板、輸入/輸出接口（RS232C及存儲卡、USB接口）等基本部件以及伺服/主軸驅動器、伺服主軸電機等驅動部件所組成。

從網絡控制的角度看，FS 0iF/0iF Plus系統已具有如下較為完整的內部網絡控制系統和上級網絡連接功能，內部網絡采用專用通信協議，對外不開放。

①內部網絡控制系統。FS 0iF/0iF Plus數控系統內部具有FANUC公司自行研發的串行伺服總線網（FANUC serial servo bus，FSSB）及機床輸入/輸出連接網（簡稱I/O-Link）兩個網絡控制系統；帶集成PMC的CNC/LCD/MDI單元是兩個網絡的控制主站（master），數控系統的其他控制部件為網絡從站（slave）[注]。

FS 0iF/0iF Plus系統的FSSB網絡為數控裝置（CNC）的伺服控制網絡，它可以連接FANUCαi、βi系列伺服驅動器、外置光柵尺或編碼器測量檢測接口等與CNC進給軸、主軸控制有關的FSSB網絡設備，實現CNC對進給軸、主軸速度與位置的網絡控制。

FS 0iF/0iF Plus系統的I/O-Link（或I/O-Link i）網絡為CNC集成PMC的I/O控制網絡，它可以連接PMC的各種I/O單元，集成有I/O-Link總線接口的FANUC機床操作面板等PMC輸入/輸出設備，實現集成PMC對I/O設備的網絡控制。

FS 0iF/0iF Plus系統的I/O-Link（或I/O-Link i）網絡不僅可用于DI/DO設備的連接，而且也可連接集成有I/O-Link總線接口的βi系列伺服驅動器，以PMC軸控制的方式，對數控機床的刀架、刀庫、分度工作臺等輔助裝置的速度、位置進行PMC控制。

②上級網絡連接功能。FS 0iF/0iF Plus系統可通過選配FL-net、PROFINET、DeviceNet或PROFIBUS-DP、Ether Net/IP、CC-Link等各種工業現場總線網絡接口模塊，與其他數控設備、工業機器人、PLC控制設備等進行網絡連接，構成各種自動化加工單元。此外，還可以作為工業以太網（Industrial Ethernet）的從站，連接到工廠自動化網絡系統中，構成FMS系統；并通過Internet（國際互聯網）、WAN（wide area network，廣域網）等多種網絡，進行TCP/IP、OPC通信，實現CNC的遠程控制及遠程診斷、維修服務。

（2）內部結構

FS 0iF/0iF Plus系統的數控裝置（CNC）內部結構如圖3.1.3所示，它主要由電源/中央處理器/軸卡集成型主板、擴展存儲器接口、可選擇的擴展選件接口3部分組成。

FS 0iF/0iF Plus系統的CNC主板根據系統控制路徑數、軸數有不同的規格，主板帶有2槽擴展選件接口，擴展選件接口可用來安裝快速以太網卡、PROFIBUS-DP、Device Net、FL-net等網絡接口，增強CNC的網絡控制功能。

FS 0iF/0iF Plus系統的CNC主板集成度比前期的產品更高，它將原FS 0iC、FS 0iD等系統的電源模塊、坐標軸控制模塊（簡稱軸卡）與CNC主板集成一體，使CNC主板成為帶電源模塊、中央處理器、接口組件、PMC控制組件、坐標軸控制模塊以及存儲器擴展模塊（FROM/SRAM）接口的獨立整體，用戶只需要選配CNC擴展存儲器模塊，其維修、更換更加方便。

FS 0iF/0iF Plus系統的CNC主板各組件的主要作用如下。

①中央處理器。中央處理器是CNC主板的核心組件，它包括CPU、系統存儲器（主存儲器）、I/O-Link通信控制器及BOOT系統（引導系統）、FOCAS系統（FANUC Open CNC API Specification，開放式CNC應用程序）等基本軟硬件，CNC可直接通過以太網和安裝有Windows、UNIX、VMS、Linux等操作系統的計算機進行通信，或者，利用FANUC LADDER-Ⅲ、SERVO GUIDE等梯形圖編程、伺服調試軟件，進行PMC程序編輯、監控與伺服調試操作。

②軸卡。軸卡是CNC進給軸、主軸的閉環位置速度組件。軸卡安裝有進給軸、主軸控制電路和FSSB總線接口，可通過FSSB總線連接FANUCαi、βi系列伺服驅動器、外置光柵尺或編碼器測量檢測接口等設備，對CNC進給軸、主軸進行閉環位置、速度控制。不同規格的FS 0iF/0iF Plus系統，軸卡的控制軸數有所不同。

③PMC控制組件。PMC控制組件安裝有CNC集成PMC和I/O-Link總線接口，可通過I/O-Link總線，連接各種帶I/O-Link總線接口的I/O單元、FANUC機床操作面板、βi I/O-Link伺服驅動器等PMC輸入/輸出設備。不同規格的FS 0iF/0iF Plus系統，PMC控制組件的性能、控制路徑數有所不同。

④接口組件。接口組件上安裝有CNC的LCD/MDI接口、CNC存儲器擴展模塊接口、外部數據輸入/輸出接口等數據通信接口，用來連接集成型或外置式MDI操作面板、手持式操作單元等CNC基本部件及PCMCIA存儲器卡、USB存儲器、RS232C串行通信設備等外部存儲、通信設備。

⑤電源模塊。電源模塊用來產生CNC主板需要的DC24V、12V、5V等控制電源，FS 0iF/0iF Plus系統的輸入電源為DC24V。

3.1.3　驅動器與電機

金屬切削數控機床的驅動系統包括了伺服驅動系統和主軸驅動系統兩大部分，前者用于刀具運動軌跡的控制，后者用于刀具或工件旋轉的切削主運動控制。驅動器與電機是數控系統的執行機構，它是將CNC插補脈沖轉換為機床實際運動的重要部件，其性能直接決定了機床的速度、精度等關鍵技術指標。

FS 0iF/0iF Plus系統的驅動器及電機有高性能αi、普通型βi兩大系列產品，并可根據需要選配外置光柵尺或編碼器測量檢測接口，組成全閉環位置控制系統。

（1）αi系列驅動

αi系列驅動器是FANUC公司的高性能標準驅動產品，驅動器采用的是經典“交-直-交”變流、PWM逆變技術，驅動器先后推出了αi、αiS等多個系列的產品，性能不斷改進與提高；目前，高配置的簡約型FS 0iF/0iF Plus系列數控系統及高性能FS 30iB系列數控系統均使用最新的αiB系列產品。

FANUC αi系列驅動的外觀及主要用途如圖3.1.4所示。驅動器采用的是標準模塊式結構，驅動器由1個電源模塊和若干個伺服驅動模塊、主軸驅動模塊組成，并可根據要求選擇三相AC200V標準電壓輸入和三相AC400V高電壓輸入（HV型）兩種等級。

αi系列驅動器的電源模塊用來產生全部伺服、主軸共用的直流母線電壓，模塊最大輸出功率可達220kW；伺服驅動模塊用于伺服進給電機的PWM逆變控制，小功率的伺服電機可選配2軸、3軸集成模塊；主軸驅動模塊金屬切削機床主電機的PWM逆變控制，一般只提供單軸模塊。

αi系列驅動器不僅可用于用于FANUC高速小慣量αiS系列、中慣量αiF及最新αiB系列等標準伺服電機和αi系列標準主軸電機的驅動，而且還可用于FANUC LiSB系列直線電機（linear motor）、DiSB系列內置力矩電機（built-in torque motor）等最新直線軸、回轉軸直接驅動電機和BiIB系列感應電主軸（built-in spindle motor）、BiSB系列同步電主軸等最新主軸直接驅動電機。

（2）βi系列驅動

βi系列伺服是FANUC公司為普通數控機床開發的高性價比產品，驅動系統的加減速能力、高低速性能等方面都不及高性能的αi系列，也不能用于直線電機、內置力矩電機、電主軸等最新直接驅動電機的驅動。因此，產品主要用于低配置簡約型FS 0iF/0iF Plus系列數控系統的進給軸、主軸驅動，或者，作為高性能FS 30iB系列數控系統的輔助控制軸（如裝卸軸等）驅動。

βi系列驅動同樣采用經典“交-直-交”變流、PWM逆變技術，驅動器先后推出了標準型βi、βiS等多個系列的產品，產品規格不斷增加，性能也在逐步改進與提高，目前使用的最新產品為βiSB系列。βi系列驅動同樣可根據要求選擇三相AC200V標準電壓輸入和三相AC400V高電壓輸入（HV型）兩種等級。

FANUC βi系列驅動主要有βiSV伺服驅動、βiSVSP伺服/主軸一體型驅動及βiSV I/O-Link伺服驅動3類產品，目前尚無獨立型的βi系列主軸驅動產品。雖然，βi系列驅動也能配套αi系列伺服、主軸電機，但是，出于性價比的考慮，在絕大多數情況下都配套βi系列伺服、主軸電機，在要求不高時，也可以使用βiSc系列低價位、經濟型電機。

βi系列驅動的主要用途如圖3.1.5所示。

在以上產品中，βiSV伺服驅動、βiSVSP伺服/主軸一體型驅動可用于數控進給軸、主軸驅動。其中，圖3.1.6（a）所示的βiSV伺服驅動多用于無主軸的數控成型加工機床，或者，使用通用變頻主軸的普及型數控機床；伺服驅動有單軸、2軸、3軸驅動3種結構，驅動器的電源和驅動模塊制成一體，驅動器可獨立安裝。圖3.1.6（b）所示的βiSVSP伺服/主軸一體型驅動有2軸伺服加主軸和3軸伺服加主軸兩種結構，驅動器的電源、伺服驅動、主軸驅動制成一體，可整體安裝。

圖3.1.6（c）所示的βiSV I/O-Link伺服驅動屬于通用型伺服的范疇，驅動器具有閉環位置控制功能，但可利用I/O-Link總線進行通信控制，因此，只能作為PMC控制的輔助軸（PMC軸）使用。

（3）SDU檢測單元

FANUC分離型檢測單元（separate detector unit，簡稱SDU）如圖3.1.7所示。分離型檢測單元用于全閉環系統、直線電機驅動系統的光柵尺及內置力矩電機、電主軸的編碼器連接，它可將來自光柵尺、編碼器的標準位置檢測信號，轉換為FANUC的串行總線通信信號，直接與FSSB總線連接。

光柵尺、編碼器的標準輸出信號一般有TTL方波脈沖和1Vpp正余弦模擬量兩種，需要配置不同的分離型檢測單元。

TTL方波輸入的分離型檢測單元分為基本單元和擴展單元兩種規格。基本單元最大可連接4軸測量信號，超過4軸時需要增加擴展單元；每一擴展單元最大可連接4軸測量信號。

1Vpp正余弦輸入的分離型檢測單元無基本單元和擴展單元之分，每一測量單元最大可連接4軸測量輸入，如果超過4軸，可直接增加一個檢測單元。