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1、 共 26 页1典型数控装置的维修技术系列专题讲座名册第一篇 日本FANUC 公司数控装置 第一篇 日本 FANUC 公司 数 控装置 第一章 日本 FANUC 公司数控装置概述 日本 FANUC 公司是专门从事生产数控装置及工业机器人的著名厂家,也是世界上最有影响的一个专业厂。该公司自 50 年代末期生产数控系统以来,已开发出 40 多种系列的数控系统,特别是 70 年代中期开发出FS5、FS7 系统以后,所生产的系统都是 CNC 系统。也是从此开始, FANUC 公司的 CNC 系统大量进入中国市场,在中国 CNC 市场上处于举足轻重的地位。 80 年代,FANUC 公司较有代表性的系统是
2、 F6 和 Fll。目前,主要产品有 FO 和 F15 系列。 第一节 结构、性能特点 (1)F6 系列 采用大板结构,上面插有电源模块、存储器板等小板。该CNC 系列为多微处理器控制系统、其 CPU、PMC 所用的 CPU 以及图形显示的 CPU 均为 8086。 (2)Fll 系列 主板也是采用大板结构,它也是一种多微处理器控制系统,其CPU 为 68000。在控制线路中采用下列专用大规模集成电路: BAC(总线仲裁控制器)、 IOC(输入输出控制器)、 MB87103(位置控制芯片)、OPC(操作面板控制器)以及 SSU(系统支持单元)。在系统中还采用了 4 兆位大容量磁泡存储器、大容量
3、 IO 模块、AD 和 DA 模块以及 ATC(自动刀具交换装置)和 APC(自动托盘交换装置)控制用定位模块。 CNC 系统和操作面板, IO 单元之间采用光缆连接,从而使连接简单,抗干扰能力提高。 (3)F15 系列 它是一种模块化、多总线结构的微处理器控制系统,也被称为AI(人工智能) CNC,其CPU 采用 32 位的 68020。F15 系列共有 F15MA、F15TA、F15TF、F15-TTA 及 F15TTF 等六种规格,它们具有下述特点:在插补功能上除了具有直线、圆弧、螺旋线插补外,还具有假想轴插补、极坐标插补、圆柱面插补、指数函数插补、渐开线插补及样条插补等多种;在补偿功能
4、方面,具有螺距误差补偿,丝杠反向间隙补偿,坡度补偿,线性度补偿以及各种刀具补偿;在切削进给加减速功能方面,具有插补前直线加 /减速,插补后直线加 /减速以及插补后钟形加 /减速等多种;在故障诊断方面,引进了专家系统,即采用了人工智能。该系统以知识库作依据,采用推理软件来查找故障原因。 共 26 页2(4)FO 系列 这是目前在中国市场上销售量最大的一种系统,它是一种采用高速32 位微处理器的高性能的 CNC。在结构上采用传统的结构方式,即在主板上插有存储器板、I/O 板、轴控制模块以及电源单元。只是其主板较其它系列的主板要小得很多,因此,在结构上显得非常紧凑,体积很小,FANUC 公司自称为它
5、虽是世界上最小的系统。 F0 系列共有 F0-MA、F0-TA、F0-MC、F0-TC、F0-MD、F0-TD 等多种规格。其中F0MD 和 F0-TD 是在 F0-MA 及 F0-TA 的基础上简化而成的,所以大家也称它为简易型数控系统。由于它们价格较低,在国内被大量用于数控车床及数控铣床。 F0 系列数控系统具有下述特点:本系统是一种小型高精度、高性能的软件固定型CNC。控制电路中采用了高速微处理器、专用LSI(大规模集成电路)、半导体存储器等,这不仅提高了系统可靠性,还提高了系统的性能价格比;为了便于系统的维修,内部具备多种自诊断功能: a)微处理器不断地监视系统内部的工作状态,并能分类
6、显示 CNC 内部状态。一旦发生故障,报警指示灯立即发亮,并使CNC 停止工作。同时在 CRT 上可分类显示出故障详细内容; b)在 CRT 显示器上,可显示出从 CNC 输出或向 CNC 输入的接通、关断信号; C)通过MDI(手动数据输入)可以 “位”为单位接通、关断从 CNC 输出的接通、关断信号。可用 CRT 显示检查数控系统的快速送给速度、加减速时间常数等各种参数设定值;由于采用了高速微处理器的数字式交流伺服系统,无漂流影响,实现了高速、高精度的控制。在 0 系列中还有一种规格是 0-PC,它是专为转塔冲床开发的高性能 CNC,有下述特点: a)电子器件采用表面安装的 LSI 及超薄
7、型显示单元; b)高性能的数字伺服系统; c)利用 M、S、T 和 B 代码直接加工指令,缩短了加工循环时间,提高加工效率; d)超级控制功能。除了 0-C 系列的标准功能外,还增加了冲压功能、晶格点阵功能、多段数据加工功能、C 轴控制功能等。 (5)F-20 系列 它是继 0 系列之后开发的系统,适合于一般的数控铣床和车床,将在今年进入中国市场。它的特点是:具有高效的手动操作能力,在手动方式下具有引导功能,能用手轮操作加工圆弧、斜线,而且能将手轮操作的过程存储和再生。这将大大提高批量加工能力。另外,数控程序也很容易用引导功能建立起来,在引导画面直接操作,很快地编制出简单加工程序。 (6)F-
8、16/18 系列及 160/180 系列 它是专门为工厂自动化设计的数控系统,是目前国际上工艺与性能最先进的数控系统之一,在美国、日本、欧洲的制造业中已普遍使用。它具有以下特点:l)采用超大规模集成电路。系统的开发与微机芯片发展同步,采用了超大规模集成芯片,如CPU 为80486,66MHz 主频;机床强电的控制程序和零件加工程序存储在快闪( FLASH)存储芯片和存储器卡中。用户可方便地修改、调整 PMC 程序,并省去了 EPROM 的写入设备。加工程序、系统参数、机床参数均可存人存储卡,更换与操作极为方便;为了提高系统的运行速度和处理能力,采用了64 位的 RISC 芯片,与80486 并
9、行运行;伺服进给使用了 32 位数字信号处理器;除了通用芯片外, FANUC 公司还开发了专用超大规模逻辑电路的芯片。如:地址译码和锁存,位置反馈信号的处理,细插补、位置误差的比较与误差的脉宽调制,串行数值信号的处理与数据传送,电子手轮信号的处理等20 余种,大大地提高了系统的可靠性,缩小了系统的体积。2)对立体化、高密集的元件安装。上述提到的超大规模集成芯片均为表面安装方式,而且全部元件均采用共 26 页3立体化的安装方式(这是日本 FANUC 公司的专利技术) 。印刷线路板除主板外,均按物理功能分成小模板,根据用户的要求和系统的规模分别插在主板上,使得系统扩展容易,维修方便,简化了系统的总
10、体设计,体积小。全部数控单元只有 380150200mm3左右。3)采用超薄型液晶显示器。它是一个 8.4 英寸或 9.5 英寸 TFT 彩色液晶显示器,有 4096 种颜色,256 种颜色同时显示。可以说是色彩丰富,清晰度高,小型化的显示器,非常适于图形显示。4)可靠性高。数控系统所用的元件,全部经过严格的高温存储,耐老化和筛选。印刷线路板上的元件、部件的插装、焊接及系统组装全部自动化,大部分的工作都由机器人完成。产品经温升、高压、欠压等考验,产品出厂前还经过高温连续运行试验,因此产品质量对靠。5)系统功能强。这表现在二个方面: 高速、高精度。系统采了 64 位的 RISC 处理器,与 80
11、486 协调工作,大大提高了数据的处理能力。另外也提高了系统的分辨率,可达0.lm。系统具有超前预测控制功能,可实现微小程序段 (即短距离移动)的连续轮廓的高速加工,且加工误差小,适合于复杂的立体型面的模具加工;有多种特殊曲线的插补功能。如:渐开线,抛物线,指数函数曲线,圆弧螺纹,多头螺纹,变螺距螺纹,锥螺纹,端面螺纹,柱面体型槽,极坐标插补等;并有多种固定加工循环。6)系统内可以集成通用微机板。可使用 MSDOS 和 WINDOWS 操作系统,可共享 IBM 微机的应用软件。在此基础上,FANUC 公司还开发了 MMC人机会话功能,方便了系统的操作、诊断与维修;系统具有操作历史和报警历史的记
12、忆与显示,伺服波形图的显示,还有Help 功能,该功能实际上是一个用于系统维护的专家系统。当出现报警和故障时,提示操作和维修人员应采用的处理措施。7)高速 PMC。该 PMC 基本指令的执行时间为每步 0.ls,梯图形最高可达 24000。它由一个独立的 32 位微处理器处理,可直接在系统的操作面板上编制梯形图,也可用PC 机(如 IBM)编制,然后通过串行口在CNC 系统上调试 PMC 程序。调好的程序不必用 EPROM 写入器写人,可直接存入快闪存储器,另外,也可用 C 语言写 PMC 程序。FANUC 公司还在此系统上开发了显示 PMC 程序的流程图软件。8)多种在机编程方法。如:菜单编
13、程;图形会话编程( Super CAP) ;符号图形编程( Symbolic CAP)以及示教编程。9)高精度、智能型数字式交流伺服系统的应用 新型的交流伺服电机具有体积小,转矩 /惯量比大,加速快,磁极结构特殊以及运行平稳的特点。伺服电机即使在极低转速下、满负荷运行,转速脉动率也小于1。而伺服单元的伺服控制采用单独的 32 位数字信号处理器控制,根据现代控制理论,设计成具有:预测控制,前惯控制,控制观测器,电子式电流最佳控制(即HRV 控制) 。位置脉冲编码器为每转 65536 个脉冲,可用增量式或绝对式位置编码器,还可实现双位置环反馈。10)智能型高效率数字式交流主轴系统的应用采用 系列的
14、主轴电机,它具有输出功率大,恒功率范围宽以及加速快等特点。控制系统采用 32 位高速信号处理器控制,通过高速串行接口与CNC 交换数据,它实际上也是一个位置闭环控制系统,除能调节转速外,还可实现主轴径向的任意位置定位,C 轴的轮廓控制,双主轴的精确同步,并具有非正常负载的检测功能,可检测出刀具的折断、磨损和加工中的负载故障。11)联网功能.F-16/18 系统既可单机运行,也可通过 Remote buffer 接口与个人计算机相连,由计算机控制加工,实现信息传递。该系统还可通过 I/O Link(串行口)接多种设备,如机器人、运动控制器、强电设备等,组成柔性线的基本单元。另外,经 DNCI 或
15、 DNCZ 接口可与 Cell Controller 连接,也可接以大网,由主机控制实现车间的自动化。 FANUC 公司自动化工厂已有多条柔性线在运行,用于自己产品的生产。而共 26 页26F160180 系列是在 F16/18 系列的基础上开发出来的,它提供了一个开放系统接口,如与IBM PC 兼容功能,便于用户实现具有个性化的功能。第二章 有 关维护 的一般 概 念 第一节 系统的可靠性 第二节 数控机床的利用率 第三节 CNC 系统的使用检查 第四节 加强数控系统日常维护工作 第一节 系统的可靠性 衡量系统可靠性的二个基本参数是故障频次和相关运行时间。因此,通常用 “平均无故障工作时间(
16、MTBF Mean Time Between Failures) ”和 “平均故障率 ( AFR Average Failure Rate) ”来作为衡量的标准。所谓平均无故障工作时间,是指 系统在可修复的相邻两次故障间能正常工作的时间的平均值。我国“机床数字控制 系统通用技术条件”规定:数控系统产品可靠性验证用“平均无故障工作时间” 作为衡量的指标,具体数值应在产品标准中给出,但数控系统的最低可接受的 MTBF 不低于3000 小时。有关资料显示,世界上有些 CNC 系统的MTBF 已可达 22000 小时。 而 FANUC 公司的CNC 系统,采用平均月故障率作为可靠性的主要指标。详见表 2.l 2。 表 2 . 1 - 2 F A N U C 公 司C N C 系 统 平 均 故 障 率