基于VersaMotion的單軸位置控制裝置設(shè)計(jì)與調(diào)試

劉藝柱

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

0 引言

隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，越來越多的工業(yè)控制場合需要精確的位置控制。因此，如何更方便、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)位置控制是工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要問題。位置控制的精確性主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)控制器的精度。高端的運(yùn)動(dòng)控制模塊可以對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。但在有些位置控制的場合，其對(duì)位置精度要求比較高，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡單，這就沒有必要選擇昂貴的高端運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[1]。GE智能平臺(tái)VersaMotion作為一款獨(dú)立型單軸控制器，常用于低端位置控制應(yīng)用。因此，如何利用VersaMotion實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置精準(zhǔn)控制是本文的研究重點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)描述

1.1 控制對(duì)象

單軸位置控制對(duì)象原理如圖1所示。

圖1 單軸位置控制對(duì)象原理圖

1.2 控制流程

單軸位置控制工作流程圖如圖2所示。

圖2 單軸位置控制流程圖

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。伺服電機(jī)、THK1605型精密滾珠絲杠（含滑臺(tái)）、THK90精密數(shù)控直線導(dǎo)軌和支架等組成傳動(dòng)裝置。組合氣動(dòng)機(jī)械手安裝在滑臺(tái)上，滑臺(tái)由導(dǎo)軌支撐、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)；絲杠經(jīng)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)連接。操控指示臺(tái)與傳動(dòng)裝置分離，便于遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

THK1605型精密滾珠絲杠具有摩擦小、精度高、滿足于高低速場合應(yīng)用等特性。全長600mm，絲杠導(dǎo)程5mm，滾珠圈數(shù)4圈，重復(fù)定位精度誤差為±0.02mm。THK90型精密數(shù)控直線導(dǎo)軌具有摩擦小、機(jī)械強(qiáng)度高等特性。導(dǎo)軌直徑16mm，導(dǎo)軌全長600mm。鋁制型材工作臺(tái)由4080型和4040型鋁合金型材通過專用直角連接件拼接而成。

安裝時(shí)SQ2距SQ326mm，SQ3距SQ5387mm；SQ4在SQ5的左側(cè)，兩者距離L1=28mm；滑臺(tái)寬度W=60mm。L1＜W是指機(jī)械手到達(dá)放料位SQ5時(shí)，能夠同時(shí)觸碰到SQ4和SQ5，目的是為電機(jī)反轉(zhuǎn)發(fā)出控制信號(hào)。

圖3 單軸位置控制對(duì)象實(shí)物圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括電氣控制回路和氣動(dòng)控制回路兩部分。電氣控制回路主要是由IC800VMA022-BB進(jìn)階泛用型伺服驅(qū)動(dòng)器、IC800VMM02LNKSE25A伺服電機(jī)、時(shí)間繼電器、開關(guān)和指示燈等組成；而氣動(dòng)回路則是由多組電磁閥氣缸與若干氣路組成[2]。

2.1 硬件選型

2.1.1 伺服驅(qū)動(dòng)器

圖4所示為IC800VMA022-BB進(jìn)階泛用型區(qū)數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器及接口接線圖。伺服驅(qū)動(dòng)器的銘牌參數(shù)如表1所示。

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器銘牌參數(shù)表

伺服驅(qū)動(dòng)器使用方便、操作維護(hù)簡單，可以處于長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，具備位置、速度、扭矩三種標(biāo)準(zhǔn)控制模式，可實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)歸位、分度、自動(dòng)循環(huán)定位、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)、參數(shù)跳變、模式切換等功能，及過電流、過電壓、欠電壓、過負(fù)載、編碼器故障等自我保護(hù)功能，具有較高的環(huán)境適應(yīng)和抗干擾能力。

2.1.2 伺服電機(jī)

IC800VMM02LNKSE25A型伺服電機(jī)的銘牌參數(shù)如表2所示。

表2 伺服驅(qū)動(dòng)器銘牌參數(shù)表

伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)位置、速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；低速運(yùn)行平穩(wěn)、高速性能好、加減速的動(dòng)態(tài)相應(yīng)時(shí)間；發(fā)熱慢、噪音低、抗過載能力強(qiáng)；特別適用于有瞬間負(fù)載波動(dòng)和要求快速起動(dòng)響應(yīng)的場合。

2.1.3 時(shí)間繼電器

歐姆龍H3Y-2S通電延時(shí)型繼電器的名牌參數(shù)如表3所示。

表3 時(shí)間繼電器銘牌參數(shù)表

歐姆龍H3Y-2S通電延時(shí)采用集成電路作主要元件，具有延時(shí)范圍廣，延時(shí)精度高，可靠性好，壽命長以及體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種要求高精度、高可靠性的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2 電氣控制回路設(shè)計(jì)

電氣控制回路主要由主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要是指伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，控制電路主要是指伺服驅(qū)動(dòng)器的控制接口電路。伺服驅(qū)動(dòng)器的接線圖如圖4所示。

伺服驅(qū)動(dòng)器的CN1接口通過專用線纜擴(kuò)展為CN1端子接線排，端子接線排上有50個(gè)端子接口，分為上下兩排，每排25個(gè)端子；每個(gè)端子接口標(biāo)有接口序號(hào)和接口功能代碼。接線端子排實(shí)物圖及具體電路接線圖如圖5所示。

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器各功能口應(yīng)用接線圖

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3.1 參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)中定位控制距離、絲杠導(dǎo)程和伺服電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)三者之間的關(guān)系如公式(1)所示。

其中，r為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，L為定位控制的距離，l為誤差距離，Ph為絲杠的導(dǎo)程。

對(duì)于誤差距離l需要設(shè)置一定的脈沖數(shù)加以修正，以 IC800VMM02LNKSE25A型伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生10000個(gè)脈沖為例。脈沖數(shù)、誤差距離、絲杠導(dǎo)程三者的關(guān)系如公式（2）所示。

圖5 接線端子排實(shí)物圖及接線圖

其中，n為脈沖數(shù)，l為誤差距離，Ph為絲杠導(dǎo)程。

以原點(diǎn)位SQ2為基準(zhǔn)，抓料位SQ3距SQ226mm，即：L=26mm，絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，代入公式（1）計(jì)算得：r=5，l=1mm；l=1mm代入公式（2）計(jì)算得n=2000。

實(shí)際運(yùn)行中，滾珠絲杠自身誤差、機(jī)械行程開關(guān)觸點(diǎn)誤差、裝配誤差都影響控制精度。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試修訂，最后r=5，n=2540。

機(jī)械手抓料位SQ3距放料位SQ5387mm，即L=387mm；代入公式（1）計(jì)算r=77、l=2mm；l=2mm代入公式（2）計(jì)算得n=4000。調(diào)試修訂，最后r=77，n=4840。

3.2 參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)是通過操作伺服驅(qū)動(dòng)器面板進(jìn)行設(shè)置的，設(shè)置數(shù)值保存在驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部寄存器中。伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置流程如圖6所示。

圖6 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置流程圖

單軸位置控制系統(tǒng)中伺服驅(qū)動(dòng)器的具體參數(shù)及設(shè)定值如表4所示。

表4 參數(shù)設(shè)置表

4 調(diào)試中問題及處理

問題：機(jī)械手循環(huán)流程不穩(wěn)定、時(shí)常失效。

原因分析：系統(tǒng)循環(huán)同時(shí)滿足兩個(gè)重要條件：1）伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖數(shù)達(dá)到伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)定值；2）伺服驅(qū)動(dòng)器接收到返程脈沖?，F(xiàn)場測(cè)試伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量沒有問題，返程脈沖是由放料行程開關(guān)發(fā)出的也沒有問題。分析原因是兩個(gè)條件不同步，時(shí)間上條件2）早于條件1），而驅(qū)動(dòng)器是在條件1）滿足的情況下才去判斷條件2）造成的。因此對(duì)于高精度的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械裝置和開關(guān)行程誤差就不能忽略不計(jì)。

處理辦法：設(shè)計(jì)通電延時(shí)型時(shí)間繼電器作為調(diào)節(jié)部件。原理是利用行程開關(guān)控制時(shí)間繼電器定時(shí)，以時(shí)間繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)作為產(chǎn)生條件b的脈沖。有效地消除了行程開關(guān)直接作為動(dòng)作指令開關(guān)所導(dǎo)致的故障，降低調(diào)試難度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

充分利用伺服驅(qū)動(dòng)器的功能，實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)精確、快速、有效的定位控制。目前該裝置已在“暖寶寶”自動(dòng)發(fā)熱貼包裝設(shè)備上得到了較好的應(yīng)用，成本低，維護(hù)方便、運(yùn)行可靠。

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