多面體一次裝夾數控加工成形已受到用戶的高度重視，但機床性能的增強導致成本隨之增長。傳統方案是選用具有四軸（或以上）聯動功能的高檔CNC 系統，雖然其控制功能強大，但價格昂貴。為此又發展到三軸CNC系統加掛標準PMC 軸驅動模塊來實現第四軸功能，使成本投入較前者有所降低。本文提供了一種性能可靠、成本投入更加優化，并且在實際生產中得以驗證的三軸CNC系統的第四軸電氣設計方案基于FANUC 0imate系列的I / O LINK 軸數控機床第四軸分度頭電氣設計方法，并闡述I / O LINK 軸特點及其在第四軸分度頭電氣設計應用中的關鍵技術問題。
1 第四軸分度頭動作分析及設計要求
一般情況下數控銑床或加工中心有X、Y、Z 三個基本軸，其他旋轉、進給軸為第四軸，后者可以實現刀庫定位，回轉工作臺、分度頭的旋轉定位，更高級的系統還可以與基本軸進行插補運算，實現四軸、五軸聯動。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，以下以分度頭旋轉分度控制來說明。一般數控分度頭的分度運動是伺服電動機通過聯軸器驅動一組蝸輪蝸桿，從而使分度頭旋轉分度。本文提出的設計要求：分度精度（系統）<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，夾緊動作的發出由一電磁閥控制。
2 數控系統選用
本文的方案是選用在中低檔數控系統中有良好信譽的FANUC 0i Mate-MB 系統，并增加伺服電動機系列的I/O LINK 軸來實現第四軸功能。該系統采用了FSSB 技術，容易增加控制軸數，能夠很好地滿足設計及加工要求。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，并在各設備間高速傳送I/O信號。目前，FANUC 提供的I/O LINK 軸可以方便地用于刀庫、旋轉工作臺、分度頭以及生產線上的點位控制。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，從而實現第四軸功能。
3 系統硬件
選用FANUC β系列電動機和伺服放大器作為此分度頭的驅動裝置。位置量測量方式為電動機編碼器半閉環方式。第四軸連接框圖如圖1所示。
4 初次開機步驟及I/O LINK軸相關參數設置
4.1 初次開機步驟（見圖2）
4.2 主要相關參數設置
伺服電動機有單獨的管理界面（PMM），可以方便地進行參數設置、狀態顯示。在設置參數前，把急停開關接通，使系統處于緊急狀態。在PMM 頁面下設置初始參數。
5 第四軸功能PMC 實現
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。β伺服放大器通過這128 輸入點，128輸出點連接到主系統，即CNC。主系統中的梯形圖通過I/O LINK 接口來給β 放大器傳送運動指令并監測其運行狀態。系統則進行I/O模塊的地址分配，占用一個16字節大小的模塊。數控通過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模塊設定時的首地址，y一旦設定，其他信號的地址也就相對確定。這里的Y地址表示CNC→AMP，控制AMP執行指定的動作，作用相當于基本軸控制所用的G 地址信號。這里的X地址表示AMP→CNC 即AMP 反饋給CNC的信息，目前AMP處在何種狀態，作用相當于平時所用的F 地址信號。
5.2 β系列I/O LINK 控制方式選擇
由于選用了β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“0”、“1”狀態決定。當DRC=0時I/O LINK軸處于外圍設備控制方式。在此方式中，可以運行命令來實現多個位置控制和一些外圍設備控制，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，梯形圖也要相應改變，通常上電時不要進行切換。由前面設計動作要求可知，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。
1）回零控制
本例做的是手動回零。開機時只要第一次執行手動回零，系統便會自動記下回零位置，當再次執行回零時系統可以自動找到分度頭零點。參數設置系列控制裝置可以實現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信號來決定。通過設置參數，利用*RILK信號可以充當（回零減速信號）*DEC，當該信號由1 變為0時，利用下降沿觸發下列動作：第四軸減速按參數設定值低速旋轉，CNC 開始自動記錄一轉信號，當檢測到一轉信號時，旋轉軸立刻停止。在手動返回參考點時，旋轉軸的速度必須使伺服位置偏差大于參數給定值。這里設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）×（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
所以在參數設置回零速度需要大于5r/min。
2）方式選擇
根據信號地址可容易地實現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，前四位為命令數據地址。分別置為：0100，1111。即Y38 地址值為79。通過設定二進數功能（numeb）設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。根據圖4 所示一般命令及其外圍控制時序圖編制相關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據地址），最后按此時序圖，B軸命令實現PMC編程，至此與回零相關的PMC編程完成。按照所要求的時序進行PMC編程可輕松實現第四軸回零功能。其他B功能指令命令的實現，與此類似。按此設計思路，筆者對用戶的機床進行了相應的數控改造，使其第四軸分度頭實現了高系統分辨率的點位、速度控制，其獨立友好的控制界面也使得操作簡單，各種狀態一目了然，滿足了生產需要。
6 結語
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功能設計的第四軸電氣驅動能較好地滿足設計、加工要求，其通用性強，適用于刀庫、分度頭、旋轉工作臺等附加軸驅動，并且性能穩定，價格便宜。
(審核編輯: 智匯張瑜)
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