高精度DMCS系統(tǒng)鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)*

張 星，陳菡菡，徐維雄，曹 勁，吳麗明

(1.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351100；2.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)校，福建 莆田 351254)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械產(chǎn)品的不斷更新，追求高質(zhì)量、高效率、低損耗是各制造業(yè)的共同目標(biāo)[1].為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，制造業(yè)必須實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以提升制造業(yè)核心制造能力.鉆孔是一種常用的加工方法，在機(jī)加工各類場(chǎng)合中的運(yùn)用比較廣泛，特別是隨著第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鉆孔加工設(shè)備智能化改造有巨大的市場(chǎng)[2].通過設(shè)備的技術(shù)改造，在同一臺(tái)機(jī)床上，將不同的加工技術(shù)集中在一起，從而完成復(fù)合式、集約式的加工方式，是未來機(jī)床智能化發(fā)展的重要趨勢(shì)之一[3].因此，設(shè)計(jì)基于DMCS控制系統(tǒng)的高精度自動(dòng)鉆孔機(jī)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義.

1 系統(tǒng)的總體概述

1.1 系統(tǒng)整體框架

利用伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的X，Y，Z軸3個(gè)方向，從而提升系統(tǒng)的加工定位精度[4].通過DMP示教方式對(duì)程序文件進(jìn)行編輯，再結(jié)合控制手柄的使用，可以提升系統(tǒng)的易用性.采用大力矩的電機(jī)，能確保在加工過程中不失步，從而保證加工的連續(xù)性和可靠性.系統(tǒng)運(yùn)行的具體流程如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.1 Flow Chart of System Operation

1.2 系統(tǒng)總電源電路設(shè)計(jì)

圖2示出了整機(jī)電源控制原理.

圖2 系統(tǒng)總電源原理Fig.2 Schematic Diagram System Total Power Supply

在給DMCS控制卡和變頻器供電之前增加EMI濾波器，以防止電網(wǎng)電力不穩(wěn)或外來高次諧波對(duì)DMCS控制卡和變頻器的運(yùn)行形成干擾(此干擾有可能使控制器或變頻器產(chǎn)生誤判[5])，從而使系統(tǒng)設(shè)備得到更純凈的電源.系統(tǒng)采用單級(jí)EMI濾波器，其主要參數(shù)如下：

(1)電源濾波器只允許50～60 Hz的特定頻率的電流通過，故濾波器的額定電壓是250 V.

(2)引入濾波器以后，系統(tǒng)的工作電流將會(huì)通過濾波器[6]，因此其內(nèi)部的電子元件必須滿足要求：L為2×0.54 mH；開關(guān)電源濾波器的額定電流為20 A，變頻器的前置濾波器的額定電流為6 A；濾波器電容器Cx為0.1 μF，Cy為2×0.022 μF，耐壓為630 V；采用漏電電流小的滌綸電容.

(3)插入衰減參數(shù)可以體現(xiàn)濾波器抑制干擾的能力，該濾波器對(duì)高頻干擾諧波信號(hào)的噪聲電壓衰減65 dB.

1.3 DMCS控制系統(tǒng)

DMCS控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于高速、高精度的輪廓控制設(shè)備上，它是一種能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)的控制器[7].本系統(tǒng)借助FPGA和DSP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)軸的連續(xù)軌跡插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)或聯(lián)動(dòng)[8]，從而提高效率.

DMCS控制系統(tǒng)主要是通過DMP示教盒進(jìn)行示教.用戶先規(guī)劃所需要的運(yùn)動(dòng)軌跡，并在控制界面里調(diào)整參數(shù)，生成源程序，再將源程序發(fā)送到DMCS控制系統(tǒng).DMCS控制系統(tǒng)按照示教的程序來驅(qū)動(dòng)X，Y，Z軸的3個(gè)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到加工產(chǎn)品的目的.示教盒的功能層次如圖3所示.

圖3 示教盒功能層次Fig.3 Hierarchical Functions of Teaching Box

2 系統(tǒng)的主要硬件組態(tài)

2.1 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位.驅(qū)動(dòng)器和編碼器是伺服系統(tǒng)的2個(gè)重要組成部分.驅(qū)動(dòng)器通過速度、力矩、位置等方式控制電機(jī)[9]；伺服電機(jī)自帶編碼器，能夠比對(duì)目標(biāo)值和反饋值，并及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)精確控制，其位置控制模式連接如圖4所示.同時(shí)，伺服電機(jī)作為控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)為角位移或角速度，從而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).在鉆孔加工中，保證Z軸的精度是實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量的重要前提之一，但由于人工定位的效率低且難以保證精度，因此本系統(tǒng)選用雷賽智能驅(qū)動(dòng)器L5-400S進(jìn)行定位.最新的矢量控制算法和轉(zhuǎn)矩前饋控制算法，以及對(duì)負(fù)載特性的在線觀測(cè)，可以提升位置控制精度，此功能對(duì)多軸機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制十分有效[10].為了保護(hù)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輸入輸出采用光電隔離，其電路連接如圖5所示.

圖4 位置控制模式連接Fig.4 Position Control Mode Wiring Diagram

圖5 信號(hào)輸入輸出示意Fig.5 Signal Input and Output Diagram

伺服驅(qū)動(dòng)器的控制連線定義見表1.

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器控制連線定義Table 1 Servo-Drive Control Connection Definition

2.2 DMP示教盒

DMP示教盒可以測(cè)試系統(tǒng)高速、中速、低速運(yùn)動(dòng)的情況，還可測(cè)試輸入、輸出IO端口及電機(jī)軸處于極限位置的開關(guān)狀態(tài).示教盒輸入IO定義見表2.

表2 示教盒輸入IO定義Table 2 Teaching Box Input IO Definition

2.3 光柵尺

在通常情況下，鉆孔的移位是由電機(jī)和驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)的，因此存在尺寸的誤差，同時(shí)考慮到Z軸加工要求較高，為了確實(shí)提高鉆孔精度，可以通過加裝光柵尺對(duì)鉆頭的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校正[11].這樣，就構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能大大提高加工的效率和精度.光柵編碼尺由尺架和滑塊2個(gè)部分組成，其信號(hào)輸出見表3.根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)，選用行程為1.2 m就能滿足使用要求.

表3 柵編碼尺信號(hào)輸出示意Table 3 Grating Ruler Signal Output Diagram

2.4 變頻器

變頻調(diào)速是電氣工程中的一種電動(dòng)調(diào)速方式，核心設(shè)備是變頻器[12]，它主要由控制電路和主電路2個(gè)部分組成.

考慮到示教鉆銑機(jī)主要用于教學(xué)，加工材料以塑膠、薄鋁件為主，不需要強(qiáng)力切削，因此選用富凌B型通用變頻器，其接線如圖6所示.該變頻器的功率為1.5 kW，變頻范圍為0.1～400 Hz，采用矢量控制模式[14]，可滿足鉆銑機(jī)快速正反轉(zhuǎn)、自由調(diào)速和變速切削的要求.富凌B型通用變頻器具體參數(shù)設(shè)置如下：

圖6 富凌B型通用變頻器接線示意Fig.6 Inverter Wiring Diagram of Fuling B-Type General Purpose Converter

F0.00速度控制模式 1 V/F控制

F0.01運(yùn)行指令通道 0 鍵盤控制

F0.02鍵盤及端子UP/DOWN設(shè)定 0 有效

F0.03頻率指令選擇 1 面板電位器VI設(shè)定

F0.04最大輸出頻率 150

F0.05運(yùn)行上限 150

F0.06運(yùn)行下限 0

F0.08加速時(shí)間I 8

F0.09減速時(shí)間1 8

F2.01 FWD端子功能選擇 1 正轉(zhuǎn)

F2.02REV端子功能選擇 2 反轉(zhuǎn)

F2.03 MI1端子功能選擇 15 加減數(shù)時(shí)間選擇

F2.04 MI2端子功能選擇 8 外部故障輸入

F2.05 MI3端子功能選擇 7 故障復(fù)位

F2.07端子控制運(yùn)行模式 1 兩線式控制1

F2.19 MO1輸出選擇 1 頻率到達(dá)

F4.00加速時(shí)間2 4

F4.00減速時(shí)間2 4

3 系統(tǒng)操作實(shí)例

根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際要求，為了提高鉆孔的精度和效率，本系統(tǒng)通過示教盒的人機(jī)互動(dòng)界面，在編程上采用示教模式，使得編程更簡(jiǎn)潔方便.用戶依據(jù)系統(tǒng)界面所提供的信息，可以了解當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)和將要進(jìn)行的操作，再通過示教操控面板輸入相關(guān)參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操控.這樣不僅可以控制成品率，還可以提升質(zhì)量，也有利于設(shè)備的普及推廣，從而降低企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率.系統(tǒng)的具體操作步驟如下：

(ⅰ)接通電源，啟動(dòng)系統(tǒng).

(ⅱ)進(jìn)入主機(jī)界面(圖7).主機(jī)界面是整個(gè)系統(tǒng)的主要界面，對(duì)于系統(tǒng)主要功能的控制，都集中在這個(gè)界面.設(shè)定好相關(guān)加工參數(shù)后，回到主界面，進(jìn)行下一步的加工.選擇“3示教編輯”鍵，進(jìn)入程序的編輯狀態(tài)(圖8).

圖7 系統(tǒng)主機(jī)界面Fig.7 System Main Interface

圖8 程序編輯界面Fig.8 Program Editing Interface

(ⅲ)在圖9所示的界面中，用戶可以完成各種圖形及相關(guān)控制的示教編程工作.

圖9 程序編輯Fig.9 Program Editing

(ⅳ)編輯完文件后，通過單步命令來校驗(yàn)指令的坐標(biāo)位置是否正確.程序編輯完成后會(huì)下載到控制卡，這時(shí)編輯程序的界面也將自動(dòng)返回主界面.在主界面的操作面板上選擇“1開始加工”鍵，系統(tǒng)就按照編輯程序進(jìn)行加工，從而完成整個(gè)鉆孔加工過程.