第3章　FANUC PMC硬件与配置

3.1　数控系统功能及组成

3.1.1　控制路径与机械组

（1）功能配置

简约型FANUC Series 0i-MODEL F（简称FS 0iF）及FANUC Series 0i-MODEL F Plus（简称FS 0iF Plus）是FANUC公司当前的主导产品，它们与前期的FS 0iC、FS 0iD等简约型系统相比，主要是增强和完善了高速高精度加工和多轴、多路径（多轨迹）控制功能，使之能较好地适应现代高速高精度复合加工数控机床、FMC的发展需求，满足除五轴加工以外的几乎所有数控机床的控制要求。

FS 0iF/0iF Plus的高速高精度加工性能主要体现在提高CPU处理速度和插补精度、缩短位置采样时间、增强和完善前瞻（advance internal preview）控制、平滑公差控制功能、采用智能型轮廓控制及间隙补偿等软件功能方面，系统比前期的FS 0iC、FS 0iD具有更高的轨迹控制精度和更快的运动速度。

FS 0iF/0iF Plus多轴、多路径控制性能主要体现控制轴数、路径数的增加上，它将原FS 0i TT的双主轴、双刀架控制功能（相当于2路径控制）拓展到了其他规格上，系统最大可控制2路径12轴加工，并增加了2路径6轴装卸、3机械组控制、3路径PMC控制等新功能，从而使之能较好地适应现代复合加工机床、FMC的控制要求。

FS 0iF/0iF Plus不同规格产品的功能配置如表3.1.1所示。

多路径加工、多路径装卸、多机械组、多路径PMC控制是FS 0iF/0iF Plus的新增功能，可用于如图3.1.1所示的双主轴、双刀架、自动上下料数控车床等现代化、高效、自动化加工设备的控制，其基本概念简要说明如下。

（2）多路径加工

在FANUC系统上，数控装置的多轨迹同时控制功能称为多路径加工控制（multi-path machining control），通常直接称为多路径控制（multi-path control），为了与FANUC说明书统一，本书后述的内容中，也将使用“多路径控制”这一名称。

多路径（加工）控制实际上是一种利用现代微处理器的高速处理，同时进行多种轨迹的插补运算，使数控系统能够同时运行多个加工程序的“群控”功能。利用多路径控制功能，数控系统不仅可满足现代数控机床的多主轴同时加工要求，而且还实现多台数控机床的集中、统一控制，使多主轴同时加工、复合加工等现代化数控机床乃至FMC、FMS的控制成为可能。

金属切削加工机床的加工控制需要有进给轴和主轴，因此，FANUC数控系统的每一控制路径（controlled path，简称路径）都需要配置若干由CNC控制位置速度的插补进给轴（以下简称CNC轴）和主轴，同时，还需要具有完整的主轴控制、自动换刀、坐标系设置、刀具补偿等加工控制功能，并能够独立运行自身的CNC加工程序。

例如，在图3.1.1所示的双主轴、双刀架、自动上下料数控车床上，加工路径1包括了主轴SP1、刀架T1及进给轴X1、Z1；加工路径2包括了主轴SP2、刀架T2及进给轴X2、Z2；路径1、路径2可通过各自的车削加工程序进行独立控制，两个加工程序可在CNC上同时运行；如需要，还可通过特殊指令，协调不同路径的加工程序执行。

FS 0iF/0iF Plus系统目前最多可用于两个路径加工控制，一个加工路径最多可配置9个进给轴和3个主轴，并实现4轴联动控制；但两个路径的控制轴总数不能超过12轴，主轴总数不能超过4轴。

（3）多路径装卸

装卸控制（loader control）是FS 0iF/0iF Plus的新增功能，它可代替传统的利用CNC辅助功能指令（如B、E指令）及PMC程序控制的辅助运动轴（简称PMC轴），用于数控机床非加工辅助设备的伺服驱动轴位置控制，例如，图3.1.1中的上下料机械手的U1/W1、U2/W2轴控制等。由于数控机床的辅助运动轴多用于FMC（柔性加工单元）的工件自动交换（装卸）控制，故称为装卸控制（loader control）功能。

用于工件装卸控制的辅助运动轴，简称装卸轴（loading axis），它同样是采用伺服电机驱动的坐标轴，但是，它们不需要进行轮廓切削加工（多轴插补运算），因此，装卸轴的数量与CNC的控制轴数无关。

FANUC数控系统的装卸轴采用了类似国产普及型数控系统的控制方式，其实质与传统的PMC轴类似，但是，装卸轴的运动可直接利用专门的CNC程序进行控制（称为装卸程序），而且可使用与加工程序相同的G代码编程，因此，与传统的PMC轴相比，其使用更简单、编程更方便、控制更容易。

增加装卸控制功能的主要目的是以CNC程序代替PMC程序，控制数控机床辅助设备的伺服驱动轴，因此，装卸程序只能使用简单的快速定位（G00）、直线运动（G01）及坐标系设定（G52～G59）等定位指令，而不能使用圆弧、螺旋线插补及主轴控制、自动换刀、刀具补偿等用于数控加工的指令。

如果数控机床具有多个独立的装卸装置，不同装卸装置的CNC控制程序同样可独立编制、独立运行，这样的功能称为多路径转卸控制。FS 0iF/0iF Plus系统目前最多可用于两个路径装卸控制，每一装卸路径最多可配置3个伺服驱动轴（不能使用主轴，不占用CNC控制轴数）。

（4）多机械组与多路径PMC控制

在多路径控制系统上，有时需要将若干个加工路径、装卸路径组成一个相对独立的整体，由数控系统对其进行成组、统一的控制，这样的组称为机械组（machine group）。数控系统的不同机械组一般需要由不同的PMC程序进行控制，因此，多机械组控制系统需要配置多路径控制PMC。

例如，在图3.1.1所示的双主轴、双刀架、自动上下料数控车床上，加工路径1和装卸路径1用于主轴SP1的工件加工与装卸，两者需要作为一个整体进行控制，故可将其组合为机械组1；同样，加工路径2和装卸路径2用于主轴SP2的工件加工与装卸，两者也需要作为一个整体进行控制，故可将其组合为机械组2。

在具有多机械组控制功能的数控系统上，同一机械组的所有路径将被视为一个整体，因此，它们将使用共同的急停（E.Stop）、复位（Reset）等控制信号，并使用同一PMC程序处理CNC的辅助功能及内部信号；在各路径的程序自动运行时，只要其中的任一路径出现故障，其他路径都将停止运行。

FS 0iF/0iF Plus系统目前最多可用于3个机械组控制，并通过3路径PMC控制3个PMC程序的同时运行。

3.1.2　系统组成与结构

（1）系统组成

FS 0iF/0iF Plus数控系统的一般组成如图3.1.2所示。

从传统的角度看，FS 0iF/0iF Plus系统同样由数控装置/操作面板/显示器组成的CNC基本单元（CNC/LCD/MDI单元）、机床输入/输出连接单元（I/O单元或模块）、机床操作面板、输入/输出接口（RS232C及存储卡、USB接口）等基本部件以及伺服/主轴驱动器、伺服主轴电机等驱动部件所组成。

从网络控制的角度看，FS 0iF/0iF Plus系统已具有如下较为完整的内部网络控制系统和上级网络连接功能，内部网络采用专用通信协议，对外不开放。

①内部网络控制系统。FS 0iF/0iF Plus数控系统内部具有FANUC公司自行研发的串行伺服总线网（FANUC serial servo bus，FSSB）及机床输入/输出连接网（简称I/O-Link）两个网络控制系统；带集成PMC的CNC/LCD/MDI单元是两个网络的控制主站（master），数控系统的其他控制部件为网络从站（slave）[注]。

FS 0iF/0iF Plus系统的FSSB网络为数控装置（CNC）的伺服控制网络，它可以连接FANUCαi、βi系列伺服驱动器、外置光栅尺或编码器测量检测接口等与CNC进给轴、主轴控制有关的FSSB网络设备，实现CNC对进给轴、主轴速度与位置的网络控制。

FS 0iF/0iF Plus系统的I/O-Link（或I/O-Link i）网络为CNC集成PMC的I/O控制网络，它可以连接PMC的各种I/O单元，集成有I/O-Link总线接口的FANUC机床操作面板等PMC输入/输出设备，实现集成PMC对I/O设备的网络控制。

FS 0iF/0iF Plus系统的I/O-Link（或I/O-Link i）网络不仅可用于DI/DO设备的连接，而且也可连接集成有I/O-Link总线接口的βi系列伺服驱动器，以PMC轴控制的方式，对数控机床的刀架、刀库、分度工作台等辅助装置的速度、位置进行PMC控制。

②上级网络连接功能。FS 0iF/0iF Plus系统可通过选配FL-net、PROFINET、DeviceNet或PROFIBUS-DP、Ether Net/IP、CC-Link等各种工业现场总线网络接口模块，与其他数控设备、工业机器人、PLC控制设备等进行网络连接，构成各种自动化加工单元。此外，还可以作为工业以太网（Industrial Ethernet）的从站，连接到工厂自动化网络系统中，构成FMS系统；并通过Internet（国际互联网）、WAN（wide area network，广域网）等多种网络，进行TCP/IP、OPC通信，实现CNC的远程控制及远程诊断、维修服务。

（2）内部结构

FS 0iF/0iF Plus系统的数控装置（CNC）内部结构如图3.1.3所示，它主要由电源/中央处理器/轴卡集成型主板、扩展存储器接口、可选择的扩展选件接口3部分组成。

FS 0iF/0iF Plus系统的CNC主板根据系统控制路径数、轴数有不同的规格，主板带有2槽扩展选件接口，扩展选件接口可用来安装快速以太网卡、PROFIBUS-DP、Device Net、FL-net等网络接口，增强CNC的网络控制功能。

FS 0iF/0iF Plus系统的CNC主板集成度比前期的产品更高，它将原FS 0iC、FS 0iD等系统的电源模块、坐标轴控制模块（简称轴卡）与CNC主板集成一体，使CNC主板成为带电源模块、中央处理器、接口组件、PMC控制组件、坐标轴控制模块以及存储器扩展模块（FROM/SRAM）接口的独立整体，用户只需要选配CNC扩展存储器模块，其维修、更换更加方便。

FS 0iF/0iF Plus系统的CNC主板各组件的主要作用如下。

①中央处理器。中央处理器是CNC主板的核心组件，它包括CPU、系统存储器（主存储器）、I/O-Link通信控制器及BOOT系统（引导系统）、FOCAS系统（FANUC Open CNC API Specification，开放式CNC应用程序）等基本软硬件，CNC可直接通过以太网和安装有Windows、UNIX、VMS、Linux等操作系统的计算机进行通信，或者，利用FANUC LADDER-Ⅲ、SERVO GUIDE等梯形图编程、伺服调试软件，进行PMC程序编辑、监控与伺服调试操作。

②轴卡。轴卡是CNC进给轴、主轴的闭环位置速度组件。轴卡安装有进给轴、主轴控制电路和FSSB总线接口，可通过FSSB总线连接FANUCαi、βi系列伺服驱动器、外置光栅尺或编码器测量检测接口等设备，对CNC进给轴、主轴进行闭环位置、速度控制。不同规格的FS 0iF/0iF Plus系统，轴卡的控制轴数有所不同。

③PMC控制组件。PMC控制组件安装有CNC集成PMC和I/O-Link总线接口，可通过I/O-Link总线，连接各种带I/O-Link总线接口的I/O单元、FANUC机床操作面板、βi I/O-Link伺服驱动器等PMC输入/输出设备。不同规格的FS 0iF/0iF Plus系统，PMC控制组件的性能、控制路径数有所不同。

④接口组件。接口组件上安装有CNC的LCD/MDI接口、CNC存储器扩展模块接口、外部数据输入/输出接口等数据通信接口，用来连接集成型或外置式MDI操作面板、手持式操作单元等CNC基本部件及PCMCIA存储器卡、USB存储器、RS232C串行通信设备等外部存储、通信设备。

⑤电源模块。电源模块用来产生CNC主板需要的DC24V、12V、5V等控制电源，FS 0iF/0iF Plus系统的输入电源为DC24V。

3.1.3　驱动器与电机

金属切削数控机床的驱动系统包括了伺服驱动系统和主轴驱动系统两大部分，前者用于刀具运动轨迹的控制，后者用于刀具或工件旋转的切削主运动控制。驱动器与电机是数控系统的执行机构，它是将CNC插补脉冲转换为机床实际运动的重要部件，其性能直接决定了机床的速度、精度等关键技术指标。

FS 0iF/0iF Plus系统的驱动器及电机有高性能αi、普通型βi两大系列产品，并可根据需要选配外置光栅尺或编码器测量检测接口，组成全闭环位置控制系统。

（1）αi系列驱动

αi系列驱动器是FANUC公司的高性能标准驱动产品，驱动器采用的是经典“交-直-交”变流、PWM逆变技术，驱动器先后推出了αi、αiS等多个系列的产品，性能不断改进与提高；目前，高配置的简约型FS 0iF/0iF Plus系列数控系统及高性能FS 30iB系列数控系统均使用最新的αiB系列产品。

FANUC αi系列驱动的外观及主要用途如图3.1.4所示。驱动器采用的是标准模块式结构，驱动器由1个电源模块和若干个伺服驱动模块、主轴驱动模块组成，并可根据要求选择三相AC200V标准电压输入和三相AC400V高电压输入（HV型）两种等级。

αi系列驱动器的电源模块用来产生全部伺服、主轴共用的直流母线电压，模块最大输出功率可达220kW；伺服驱动模块用于伺服进给电机的PWM逆变控制，小功率的伺服电机可选配2轴、3轴集成模块；主轴驱动模块金属切削机床主电机的PWM逆变控制，一般只提供单轴模块。

αi系列驱动器不仅可用于用于FANUC高速小惯量αiS系列、中惯量αiF及最新αiB系列等标准伺服电机和αi系列标准主轴电机的驱动，而且还可用于FANUC LiSB系列直线电机（linear motor）、DiSB系列内置力矩电机（built-in torque motor）等最新直线轴、回转轴直接驱动电机和BiIB系列感应电主轴（built-in spindle motor）、BiSB系列同步电主轴等最新主轴直接驱动电机。

（2）βi系列驱动

βi系列伺服是FANUC公司为普通数控机床开发的高性价比产品，驱动系统的加减速能力、高低速性能等方面都不及高性能的αi系列，也不能用于直线电机、内置力矩电机、电主轴等最新直接驱动电机的驱动。因此，产品主要用于低配置简约型FS 0iF/0iF Plus系列数控系统的进给轴、主轴驱动，或者，作为高性能FS 30iB系列数控系统的辅助控制轴（如装卸轴等）驱动。

βi系列驱动同样采用经典“交-直-交”变流、PWM逆变技术，驱动器先后推出了标准型βi、βiS等多个系列的产品，产品规格不断增加，性能也在逐步改进与提高，目前使用的最新产品为βiSB系列。βi系列驱动同样可根据要求选择三相AC200V标准电压输入和三相AC400V高电压输入（HV型）两种等级。

FANUC βi系列驱动主要有βiSV伺服驱动、βiSVSP伺服/主轴一体型驱动及βiSV I/O-Link伺服驱动3类产品，目前尚无独立型的βi系列主轴驱动产品。虽然，βi系列驱动也能配套αi系列伺服、主轴电机，但是，出于性价比的考虑，在绝大多数情况下都配套βi系列伺服、主轴电机，在要求不高时，也可以使用βiSc系列低价位、经济型电机。

βi系列驱动的主要用途如图3.1.5所示。

在以上产品中，βiSV伺服驱动、βiSVSP伺服/主轴一体型驱动可用于数控进给轴、主轴驱动。其中，图3.1.6（a）所示的βiSV伺服驱动多用于无主轴的数控成型加工机床，或者，使用通用变频主轴的普及型数控机床；伺服驱动有单轴、2轴、3轴驱动3种结构，驱动器的电源和驱动模块制成一体，驱动器可独立安装。图3.1.6（b）所示的βiSVSP伺服/主轴一体型驱动有2轴伺服加主轴和3轴伺服加主轴两种结构，驱动器的电源、伺服驱动、主轴驱动制成一体，可整体安装。

图3.1.6（c）所示的βiSV I/O-Link伺服驱动属于通用型伺服的范畴，驱动器具有闭环位置控制功能，但可利用I/O-Link总线进行通信控制，因此，只能作为PMC控制的辅助轴（PMC轴）使用。

（3）SDU检测单元

FANUC分离型检测单元（separate detector unit，简称SDU）如图3.1.7所示。分离型检测单元用于全闭环系统、直线电机驱动系统的光栅尺及内置力矩电机、电主轴的编码器连接，它可将来自光栅尺、编码器的标准位置检测信号，转换为FANUC的串行总线通信信号，直接与FSSB总线连接。

光栅尺、编码器的标准输出信号一般有TTL方波脉冲和1Vpp正余弦模拟量两种，需要配置不同的分离型检测单元。

TTL方波输入的分离型检测单元分为基本单元和扩展单元两种规格。基本单元最大可连接4轴测量信号，超过4轴时需要增加扩展单元；每一扩展单元最大可连接4轴测量信号。

1Vpp正余弦输入的分离型检测单元无基本单元和扩展单元之分，每一测量单元最大可连接4轴测量输入，如果超过4轴，可直接增加一个检测单元。