第一章 典型FANUC数控系统及其驱动
一、 FANUC 数控系统的发展历史
FANUC公司是全球最大、最著名的CNC生产厂家，其产品以高可靠性著称，其技术居世界领先地位。 FANUC公司的主要产品生产与开发情况： 1956年，开发日本第1台点位控制的NC 1959年，开发日本第1台连续控制的NC
1960年，开发了日本第1台开环步进电机直接驱动的NC 1966年，采用集成电路的NC开发成功
1968年，全世界首台计算机群控数控系统（DNC）开发成功。
FANUC 数控系统的发展历史列表 年代 系统的种类 控制轴数/ 通道数 联动轴数 主轴数 伺服的种类 DC伺服电机 应用情况 FS-5 FS-7 1976年 POWER MATE 系列 F200C，F330D FS-2 系列 FS-3 系列 1979年 FS-6 系列 FS-9 系列 FS 10 系列 1984年 FS 11 系列 FS 12 系列 1985年 FS 0 系列 AC 伺服 电机（模拟控制） 一般机械 小型机械 经济型机械 AC伺服电机（数字控制） 高精度机床 复合机械 五面体加工机 高性能机械 五面体加工机 高性能机械 高性能机械 一般机械 高性能机械 五面体加工机 一般机械 高精度 复合机械 五面体加工机 一般机械 小型机械 4/4 1模或2串 24/16 1987年 FS 15 系列 8/6 6/4 4/3 5/4 8/6 8/4 18iMB5 8/5 5/4 24/24 1998年 FS 15i 系列 2001年 FS 0i-A 系列 2003年 FS 0i-B 系列 4/4 4/4 1990年 FS 16 系列 1991年 FS 18 系列 1992年 FS 20 系列 1993年 FS 21 系列 FS 16i 系列 1996年 FS 18i 系列 FS 21i 系列 FS 0i MATE- B 系列 FS 0i-C 系列 FS 0i MATE-C 系列 2004年 FS 30i/31i/32i 系列 3/3 4/4 3/3 30i 32/24 31i 20/12 32i 9/5 8/4 5/4 3/3 10 4 2 8 6 2 2008年 FS 0i D系列 FS 0i MATE D系列 2 （TD） 2 1 （MD） 2 1 1 经济机械 高精度 复合机械 五面体加工机 生产线 一般机械 小型机械 经济机械
二、需要重点注意的概念
1. 国产与进口CNC ? 国产CNC
使用通用型伺服驱动器（或步进驱动器），位置控制在伺服驱动器上实现，CNC只是一种位置指令脉冲发生器，不能实时监控坐标轴的位置、速度。
?本质上是一种开环位置控制系统，轮廓加工精度差。目前华中数控研发出了NCUC工业现场总线式数控系统，即HNC-8系统，有HNC-808、HNC-818、HNC-848系统。 进口CNC
? 进口CNC
使用的是专用伺服驱动器，位置控制在CNC上实现，CNC可实时监控、调整坐标轴的位置、速度。
?是真正的闭环位置控制系统，轮廓加工精度高。
2. 通用伺服与专用伺服
? 通用伺服
?采用脉冲输入来控制电机的位置与速度（国产CNC）。
? 也可采用总线控制，但通信协议必须是通用、开放的，如：CC-Link、PROFIBUS、Device-NET、CANopen等，位置控制仍然在驱动器上实现。
优点：使用方便、控制容易、对位置控制装置无要求（可以是PLC、CNC等）、驱动器可以独立使用。
缺点：CNC无法实时监控速度、位置，也不能在CNC上设定与优化驱动器参数，轮廓加工精度低。
? 专用伺服
位置控制在CNC上实现，必须与CNC配套使用。驱动器采用专用总线与CNC连接，通信协议不对外开放，驱动器不能独立使用。
优点：CNC可实时监控、调整坐标轴的位置、速度，驱动器的参数设定、调试、优化在CNC上进行，加工精度高
3. 模拟伺服与数字伺服
模拟伺服（国外已经淘汰）
1)控制量（电压、电流等）均为连续变化的模拟量；2)PID调节为主，一般不需要微处理器；3)不需要专门的调试仪器；
?驱动器不能实现位置控制功能（只是一种速度、转矩控制装置）。 数字伺服
1)控制量均为二进制形式的数字量；2)以微处理器作基本控制器件，可实现多种运算功能；3)必须配套数据输入/显示单元或与通信接口；
?驱动器可以实现位置控制功能（位置、速度、转矩控制装置）。
4. 伺服、主轴驱动器和变频器
? 异同 ? 相同点
? 都是交流电机调速（位置、转矩）控制装置； ? 都采用PWM变频调速技术，主回路拓扑结构相同。 ? 区别
? 控制对象不同
交流伺服：永磁/同步/专用电机（控制最容易）
方波永磁同步电机（BLDCM，无刷直流电机） 正弦波永磁同步电机（PMSM） ； 交流主轴：专用交流感应电机（较难）； 通用变频器：通用感应电机（最难）； 价格：主要决定于产量与电机成本。
? 功率范围不同 交流伺服：15kW以下； 交流主轴：100kW以下；
通用变频器：最大到1000kW。
? 性能区别很大（见下表）
? 性能比较
通用变频器 交流主轴 交流伺服 控制方式：V/f控制 矢量控制 矢量控制 矢量控制 调速范围：1∶20 1∶200 ≥1∶2000 ≥1∶5000 调速精度：±2% ±0.2% ≤±0.02% ≤±0.01% 过载性能: 150%/3Hz 150%/0.3Hz 200%/0r 400%/0r 速度响应: 20rad/s 30rad/s ≥500rad/s ≥3000rad/s 转矩控制: 不可 额定转速以下 全范围 位置控制: 不可 不可 简单控制 高精度控制
? 速度响应
系统在负载惯量和电机惯量相等、给定输入为正弦波信号时，速度输出可完全跟踪给定变化的最大正弦波输入频率.
速度响应也称“频率响应”，可用rad/s或Hz两种单位表示 ：
1Hz = 2π rad/s。
5. 编码器
? 光电编码器和磁编码器
? 检测原理不同:光电转换式或磁感应式。 ? 转速不同:光电式信号较弱，最高转速较低； 磁感应信号较强，最高转速高。 ? 脉冲输出和正余弦输出
正余弦输出 方波脉冲输出
? 脉冲输出： 3相PA/PB/PZ 或6相PA/PA*、PB/PB*、PZ/PZ*方波脉冲输出。 ? 优点：信号可以直接用于外部计数、控制。 缺点：检测分辨率低（5000P/r以下），外部只能进行4倍频处理。 ? 10mm导程丝杠，测量精度在0.5μ以下。 ? 正余弦输出：检测信号为正、余弦波。
? 优点：可进行2048细分处理，检测分辨率可达225 P/r以上（33 554 432 P/r ）。 缺点：信号不能直接使用。
? 30mm导程丝杠，测量精度为0.001μ。
? 常用规格：
217 = 130172 P/r （ 128 λ/r正余弦输出，1024细分，习惯称10万脉冲）； 220 = 1046576 P/r （ 1024 λ/r正余弦输出，1024细分，习惯称100万脉冲）； 224 = 16777216 P/r （ 16384 λ/r正余弦输出，1024细分，习惯称1600万脉冲）。
? βis 电机配套： 217 （ 130172 P/r ） αis电机配套：
? α1000 iA型：220（ 1046576 P/r ，100万）； ? α16000 iA型： 224 （ 16777216 P/r ，1600万）。 ? 并行输出和串行输出
? 并行：信号同时输出（方波、正余弦波），可以实时、连续检测；每一信号都要有连接线。
? 串行：信号以串行数据的形式输出（数字量），检测数据的需要一定的传输周期（不连
续）；数据传输只需要2对连接线。
? 绝对和增量编码器
严格意义：绝对编码器应有绝对编码的物理刻度， 225需要有25圈刻度，制造成本高、体积大，实际只用于刀库、分度台等少量位置的检测。
替代方法：串行输出增量编码器 + 存储器 + 后备电池（断电保持）；当前位置数据在驱动器启动时立即由CNC自动读取（读取数据一般需要500ms左右）。
? CNC机床上使用的绝对编码器只是用电池保存数据的增量编码器（去掉电池就是增量编码器）。
?注意：交流伺服电机的逆变控制需要按照转子的实际位置来切换逆变管，因此，电机内置编码器上同时制造有用于转子位置检测的、绝对编码刻度。
三、对FS-0i的基本认识 1. CNC型号与区别 ? 型号
? FS-0iA/B/C/D区别： ? 开发时间
FS-0 : 1985年 FS-0iA：2002年 FS-0iB：2003年 FS-0iC：2005年 FS-0iD：2008年 ?注意：
CNC功能与产品开发时间、系列号无必然联系。 ? 硬件结构
? FS-0iA、B（Mate A /B）：MDI/LCD与CNC分离； ? FS-0iC、D（Mate C/D）： MDI/LCD/CNC三位一体。
FS-0iC、D
FS-0iA、B
网络连接 ? FS-0iA