交流伺服電機(jī)在全自動端子壓著機(jī)上的應(yīng)用

宋春寧， 李陟升

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧 530004)

0 引言

全自動端子壓著機(jī)是近幾年出現(xiàn)的一種將線束的切斷、剝皮與端子壓著等三個主要的線束末端加工工序集成于一體完成的機(jī)電一體化機(jī)械。新一代的全自動端子壓著機(jī)具有加工效率高、加工精度高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點。該應(yīng)用中的全自動端子壓著機(jī)每分鐘可加工75根線束，平均不到1 s就加工一條線束。剝皮精度可達(dá)0.01 ms，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小。要想達(dá)到這個要求，非常重要的一點就是采用合適的執(zhí)行電機(jī)。

交流伺服電機(jī)具有運(yùn)行精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、速度響應(yīng)性能好等優(yōu)點，且交流伺服系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機(jī)編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

基于以上特點，全自動端子壓著機(jī)大多選擇交流伺服電機(jī)作為系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)。

1 控制系統(tǒng)的組成

控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，全自動端子壓著機(jī)可以同時對線束的兩端進(jìn)行加工，分別稱為前端加工和后端加工，由于兩端加工流程相似?，F(xiàn)以前端加工為例進(jìn)行說明(前端加工的執(zhí)行電機(jī)為1#和2#伺服電機(jī)，旋轉(zhuǎn)由1#伺服電機(jī)完成，搬送夾固定在2#伺服電機(jī)上)。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

前端加工流程如下:(1)切斷線束后，搬送夾倒退一段距離，然后旋轉(zhuǎn)12°到剝皮臺，伺服電機(jī)將搬送夾按照預(yù)先設(shè)定的剝皮長度向前進(jìn)。(2)剝皮刀刃切入線束后，搬送夾倒退進(jìn)行剝皮。(3)旋轉(zhuǎn)45°至壓著臺，在旋轉(zhuǎn)的過程中經(jīng)過20°位置所示的剝皮檢出裝置，確認(rèn)檢測出芯線后，搬送夾前進(jìn)至預(yù)先設(shè)定的壓著位置。(4)壓著完成后，返回到原來的位置(給進(jìn)線)。(5)搬送夾開起，送線滾軸給出所設(shè)定長度的電線。前端加工機(jī)械動作圖如圖2所示。

圖2 前端加工機(jī)械動作圖

2 交流伺服系統(tǒng)的組成

選用日本三菱的通用交流伺服放大器MRJ2S，其具有以下優(yōu)點:(1)具有RS-232和RS-422串行通信功能，通過安裝有伺服設(shè)置軟件的個人計算機(jī)就能進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、試運(yùn)行、狀態(tài)顯示和增益調(diào)整等操作。(2)與MR-J2S系列配套的伺服電機(jī)編碼器采用了分辨率為131 072脈沖/轉(zhuǎn)的絕對位置編碼器，采用高性能的CPU，大大提高產(chǎn)品的響應(yīng)性。(3)多種系列伺服電機(jī)適應(yīng)不同控制需求，電機(jī)上的編碼器均支持ABS模式，只要在伺服放大器上另加電池，就能構(gòu)成絕對位置系統(tǒng)。(4)使用更為方便，具有優(yōu)異的自動調(diào)諧性能，機(jī)械分析功能，可以輕松實現(xiàn)抑制機(jī)械振動，增益搜索功能，可以自動找出最佳增益值。(5)進(jìn)行原點回歸設(shè)置后，即使發(fā)生報警也不需要再次原點回歸即能正常工作。

選用 MR-J2S兼容的 HC-MFS系列的 HCMFS13(B)，HC-MFS43(B)兩種型號電機(jī)。該系列電機(jī)具有超低慣量的特點，特別適用于高頻操作。

3 可編程邏輯控制器和定位模塊的選擇

在該設(shè)計中選用三菱的最新一代小型可編程邏輯控制器(Programmable Logical Control，PLC)FX3U作為控制器，該型PLC具有如下功能:(1)PLC上的直接可以連線的輸入輸出點達(dá)到256點。(2)輸入輸出的擴(kuò)展設(shè)備可以連接FX2N系列的輸入輸出擴(kuò)展模塊。(3)內(nèi)置了64 K步的RAM內(nèi)存。(4)可以通過遠(yuǎn)程進(jìn)行RUN/STOP操作，給程序的調(diào)試帶來了極大的方便。(5)豐富的定位控制指令，可以完成3根獨立軸的定位。

選用FX2N-1PG定位模塊對伺服電機(jī)進(jìn)行位置控制(FX3U可以擴(kuò)展FX2N-1PG定位模塊)。每組1PG可以完成一個獨立軸的定位，是通過向伺服電機(jī)的驅(qū)動放大器提供指定數(shù)量的脈沖來實現(xiàn)的。

4 伺服電機(jī)位置控制相關(guān)參數(shù)設(shè)置

4.1 MR-J2S 參數(shù)設(shè)置

該應(yīng)用中利用FX2N-1PG定位模塊對1#～4#伺服電機(jī)進(jìn)行控制。伺服放大器MR-J2S需要設(shè)置的參數(shù)有:電子齒輪、加減速時間、脈沖方式等。其中需要注意的是伺服放大器中設(shè)置的脈沖方式必須與FX2N-1PG中脈沖方式一致，否則可能導(dǎo)致錯誤。

4.2 FX2N-1PG定位模塊參數(shù)設(shè)置

定位模塊使用FROM/TO指令與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FX2N-1PG需要寫入的參數(shù)有16位和32位兩種類型，分別用TO/DTO指令。以1#伺服電機(jī)為例，下面依次設(shè)置:電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù);電機(jī)轉(zhuǎn)一圈所走過的距離;單位系統(tǒng)，脈沖方式，定位數(shù)據(jù)放大倍數(shù)，原點返回方向，DOG輸入極性，停止信號極性;最高速度;基速;原點回歸速度(高速);原點回歸速度(爬行);原點返回的0點信號數(shù);原點位置;加減速時間;目標(biāo)位置;運(yùn)行速度。

5 伺服電機(jī)回原點設(shè)計

伺服電機(jī)回原點速度控制示意圖如圖3所示。DOG開關(guān)是FX2N-1PG定位模塊上用來實現(xiàn)回原點的一個輸入引腳。本例中設(shè)置DOG開關(guān)為ON時伺服電機(jī)開始減速，OFF時停車。

圖3 伺服電機(jī)回原點速度控制示意圖

傳統(tǒng)的伺服電機(jī)回原點是通過一個較長的DOG開關(guān)，或者兩個位置開關(guān)來使得高速運(yùn)行的伺服電機(jī)有足夠的時間減速到v實現(xiàn)的(v是一個臨界速度，只要伺服電機(jī)在這個速度以下停車，就能每次都停在同一位置，保證了回原的精確)。但是該方式需要爬行距離較長。在該設(shè)計中采用的回原點方式——兩次回原點，使得只需要一個光電開關(guān)就能實現(xiàn)回原點。原理如下:

發(fā)送回原點指令，伺服電機(jī)高速v1(BFM 10#和9#)回原點，當(dāng)近原點信號DOG由OFF變?yōu)镺N時，伺服電機(jī)開始減速。當(dāng)近原點信號DOG由ON變?yōu)镺FF時，伺服電機(jī)根據(jù)Z相信號數(shù)確定停車位置(BFM 12#)。本例中BFM 12#為0，所以伺服電機(jī)立即停止(注意，沒有減速到爬行速度就停止了，且停止位置必須使DOG開關(guān)保持ON。清除回原點完成標(biāo)志位后再次發(fā)送回原點指令，重新設(shè)置(BFM 10#和9#)為一個較低的速度v2(該設(shè)計中為K100)，重置的速度只要能使伺服電機(jī)在DOG變?yōu)镺FF前減速到v即可。

實踐證明該方法能夠使伺服精確的回原點，并且穩(wěn)定性極高，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)回原點的不足。

6 軟件設(shè)計

伺服電機(jī)的位置由驅(qū)動放大器接收的脈沖數(shù)來決定。當(dāng)編碼器和滾珠絲桿進(jìn)給量確定以后，可以通過設(shè)置電子齒輪使伺服電機(jī)每接收一個脈沖移動0.01mm，或者 0.01°。以 1#伺服電機(jī)為例，因為設(shè)置了位置數(shù)據(jù)倍數(shù)為100倍，所以在第一次定位到剝皮臺時位置參數(shù)應(yīng)寫入12，即12×100 ×0.01°=12°;

起動單速定位之前要回原點，初始位置在以原點為基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)8°處。那么剝皮臺和壓著臺的絕對位置就是 20°、53°。

采用絕對坐標(biāo)配合單速定位方式對伺服電機(jī)的位置進(jìn)行控制，這是通過設(shè)置FX2N-1PG中BFM 25#參數(shù)實現(xiàn)的，使用絕對坐標(biāo)避免了累積誤差的產(chǎn)生。程序中使用FORM指令讀出伺服電機(jī)當(dāng)前位置存入D100中，D100分別與各個目標(biāo)位置進(jìn)行比較，如果相同則接通對應(yīng)中間繼電器，如果8°定位完成，則M100接通，寫入下一個定位數(shù)據(jù)20°。20°定位完成則寫入下一個定位數(shù)據(jù)53°，如此循環(huán)。M288為定位完成標(biāo)志位，每次定位完成后都自動接通。M258起動單速定位，定位完成后延時一段時間進(jìn)入下一次單速定位。在程序的最后可以通過跳轉(zhuǎn)指令跳到第一次定位執(zhí)行處，使程序循環(huán)執(zhí)行。

7 結(jié) 語

本文介紹了交流伺服電機(jī)在全自動端子壓著機(jī)上的應(yīng)用，根據(jù)機(jī)器裝配完成后調(diào)整了位置數(shù)據(jù)的具體數(shù)值。伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，振動小。采用的兩次回原點方法使得伺服電機(jī)的回原點更加方便、精確。該應(yīng)用具有很強(qiáng)的工業(yè)實用性，本文所采用的全自動端子壓著機(jī)投入運(yùn)行半年多以來，運(yùn)行良好、操作方便、加工效率高。

［1］三菱電機(jī)自動化(中國)有限公司.FX-1PG/FX2N-1PG 用戶指南［G］.2000.

［2］三菱電機(jī)自動化(中國)有限公司.MR-J2S-A伺服放大器技術(shù)資料集［G］.2001.