微加工中心交流伺服定位控制技術(shù)

黃菊生 劉軍安 劉玉松

(湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南湘潭 411101)

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，全數(shù)字式交流伺服應(yīng)用越來(lái)越多，其發(fā)展趨勢(shì)是用交流伺服驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng)的液壓、直流和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，廣泛應(yīng)用于激光加工、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、大規(guī)模集成電路制造等。交流伺服一般都有三種控制方式，即位置控制方式、速度控制方式和轉(zhuǎn)矩控制方式。速度控制和轉(zhuǎn)矩控制都是用模擬量來(lái)控制的，而位置控制是通過(guò)發(fā)脈沖來(lái)控制的，在控制方式上常用脈沖串和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代交流伺服在位置控制中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，采用脈沖+方向的方法控制簡(jiǎn)單方便，易于用PLC直接控制。本文以高校機(jī)電一體化設(shè)備微加工中心為例，討論用PLC作控制器，控制松下交流伺服控制系統(tǒng)的控制接口、參數(shù)設(shè)置及位置定位控制技術(shù)［1］。

1 微加工中心的組成

在臥式微加工中心中，主軸水平進(jìn)給，加工工件的垂直面，無(wú)機(jī)械手圓盤形刀庫(kù)的旋轉(zhuǎn)軸與主軸平行，通過(guò)刀庫(kù)的移動(dòng)將刀具送到主軸上換刀，其組成如圖1所示。兩軸定位模塊20 GM控制X軸、Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)作直線或圓弧插補(bǔ)加工;單軸定位模塊1 PG和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制刀庫(kù)移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)選刀換刀;Y軸由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，拖動(dòng)主軸整體前后移動(dòng)完成點(diǎn)動(dòng)對(duì)刀、進(jìn)給加工等工作。此外還有C軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、主軸變頻器及主軸電動(dòng)機(jī)。

在微加工中心的控制中，需要各部件有機(jī)配合、準(zhǔn)確定位，其中Y軸伺服的定位控制更是系統(tǒng)安全高效工作的保證。如在兩軸聯(lián)動(dòng)自動(dòng)加工中，需要控制Y軸伺服前后移動(dòng)對(duì)刀及進(jìn)退刀操作;在自動(dòng)換刀操作中，需要Y軸伺服自動(dòng)回原位、前進(jìn)/后退配合完成換取刀具，不發(fā)生機(jī)械碰撞。系統(tǒng)中Y軸伺服采用了松下MINAS A系列伺服控制，它由交流伺服驅(qū)動(dòng)器MSMA042A1G、小慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)MSDA043A1A及反饋電動(dòng)機(jī)速度及位置的高精度旋轉(zhuǎn)編碼器組成。該編碼器為增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為2 500 P/r，分辨率為10 000，引出線為11線，可以輸出 A、B、Z三組方波脈沖。

2 位置伺服控制接口

伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置為位置控制模式、脈沖/方向方式時(shí)，其控制信號(hào)CN I/F的接線如圖2所示。

3(PULS1)、4(PULS2)為脈沖信號(hào)輸入端子，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部為高速光電耦合器接收此信號(hào)。其中PULS1為光電耦合器發(fā)光二極管的直流電源正極，接外部直流電源最大24 V、10 mA。PULS1接24 V+，需外部串接2 kΩ左右的限流電阻(內(nèi)部電阻220 Ω)，PULS2接PLC的脈沖輸出端Y1。

5(SIGN1)、6(SIGN2)為方向信號(hào)輸入端子，內(nèi)部電路與脈沖信號(hào)輸入端子PULS一樣為高速光電耦合器。SIGN1接24 V+，SIGN2接PLC的方向信號(hào)輸出端Y3，同樣需串接2 kΩ左右的限流電阻。

29(SRV－0N)為伺服使能信號(hào)，接PLC的伺服使能信號(hào)輸出端Y4。SRV－ON在驅(qū)動(dòng)器接通電源后2 s鐘起有效。當(dāng)Y4=1，伺服使能信號(hào)有效，伺服電動(dòng)機(jī)可以接收脈沖信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)。

7(COM+)為控制信號(hào)電源(+)，接外部電源直流24 V+。41(COM－)為控制信號(hào)電源(－)，接外部電源直流24 V－。COM+、COM－連接的24VDC為伺服驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)提供電源。

8(CWL)為CW驅(qū)動(dòng)禁止輸入，是CW極限開關(guān)，外接常閉型接近開關(guān)傳感器，用于順時(shí)針?lè)较虺尬豢刂啤?(CCWL)為CCW驅(qū)動(dòng)禁止輸入，是CCW極限開關(guān)，外接常閉型接近開關(guān)，用于反時(shí)針?lè)较虺尬豢刂啤?/p>

Y1、Y3、Y4的公共端COM1和COM2與伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)公共端41(COM－)連接在一起，構(gòu)成控制信號(hào)回路。以上信號(hào)線連接好后，伺服電動(dòng)機(jī)即可根據(jù)PLC輸出的脈沖/方向信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)。其它信號(hào)端子，如伺服報(bào)警、偏差計(jì)數(shù)清零、定位完成等可根據(jù)系統(tǒng)要求接入控制器，構(gòu)成更完善的控制系統(tǒng)。

3 伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

松下A系列驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目很多，針對(duì)位置控制的參數(shù)設(shè)置有功能選擇參數(shù)00～0F、位置控制參數(shù)40～4F，其它參數(shù)是為速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、全閉環(huán)等設(shè)置的。位置控制的參數(shù)中，大多可以直接用默認(rèn)值，本系統(tǒng)用的MSDA043A1A驅(qū)動(dòng)器需要設(shè)置的主要參數(shù)如下。

Pr02為控制模式選擇，設(shè)置值Pr02=0，選擇位置控制模式。

Pr04為行程限位信號(hào)輸入有效選擇，設(shè)置值Pr04=0，確定為限位開關(guān)輸入有效。系統(tǒng)交流伺服Y軸用接近開關(guān)設(shè)置有兩個(gè)極限限位開關(guān)，一個(gè)正極限(或稱前極限)設(shè)置為正轉(zhuǎn)CW的極限限位，另一個(gè)負(fù)極限(或稱后極限)為反轉(zhuǎn)CCW的極限限位，都要求用常閉型。當(dāng)擋塊移動(dòng)到極限開關(guān)處，斷開常閉觸點(diǎn)，由驅(qū)動(dòng)器控制自動(dòng)停止伺服電動(dòng)機(jī)，避免設(shè)備超限損壞。

Pr42為指令脈沖輸入方式選擇，設(shè)置值Pr42=3，選擇單脈沖輸入方式，即脈沖+方向控制(PULS+SIGN或稱CP+DIR)。選定3(PULS1)、4(PULS2)為脈沖輸入端子，5(SIGN1)、6(SIGN2)為方向信號(hào)輸入端子。

Pr43為指令脈沖禁止輸入無(wú)效，設(shè)置值Pr43=1，使指令脈沖可以輸入，電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)。

這些參數(shù)設(shè)置好后，Y軸伺服系統(tǒng)就能夠正常用于位置伺服驅(qū)動(dòng)控制。

4 伺服驅(qū)動(dòng)控制

Y軸交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制包括點(diǎn)動(dòng)、回原位及位置定位控制。點(diǎn)動(dòng)控制完成加工前的對(duì)刀操作、系統(tǒng)的調(diào)試調(diào)整，回原位控制用于確定Y軸的工作起始點(diǎn);位置定位控制用于在自動(dòng)控制操作中(如自動(dòng)加工，自動(dòng)換刀)Y軸前進(jìn)/后退或進(jìn)退刀距離的準(zhǔn)確定位。

4.1 自動(dòng)回原位控制

以自動(dòng)換刀過(guò)程為例，換刀動(dòng)作依次為:Y軸和刀庫(kù)回原位→Y軸后退→刀庫(kù)前進(jìn)→主軸松刀→Y軸后退→刀庫(kù)旋轉(zhuǎn)選刀→Y軸前進(jìn)→主軸夾刀→刀庫(kù)后退→Y軸前進(jìn)，換刀后進(jìn)入工件加工控制。每次換刀都需要Y軸回原位，以原點(diǎn)作為換刀時(shí)Y軸的起點(diǎn)，以保證后續(xù)動(dòng)作位置的準(zhǔn)確［2］。

一般20 GM、1 PG等定位模塊都有原位開關(guān)(DOG)的輸入接口、回原位操作的設(shè)置和控制功能，不需要控制器PLC為回原位設(shè)計(jì)專門程序，只要發(fā)一條回原位的指令即可，回原位過(guò)程全部由定位模塊控制完成。雖然MSDA043A1A伺服驅(qū)動(dòng)器有前后極限信號(hào)的輸入接口和控制功能，但沒有原位信號(hào)的輸入接口及回原位的控制功能，原位開關(guān)只能接到PLC的輸入端，由PLC控制回原位?；卦徊僮鞯腜LC程序設(shè)計(jì)成與20 GM、1 PG等定位單元控制回原位的操作那樣，按Y軸回原位前起始位置的不同設(shè)計(jì)不同的回原位程序。為此，Y軸設(shè)置了三個(gè)限位接近開關(guān)，分別是Y軸前極限(常閉型)、Y軸后極限(常閉型)、Y軸原位(常開型)，分別接在 PLC輸入端的 X10、X11、X12。由圖2可知，前極限、后極限同時(shí)也接到了伺服驅(qū)動(dòng)器的8(CWL)、9(CCWL)，用伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行自動(dòng)極限限位保護(hù)。

按回原位前起始位置點(diǎn)的不同，Y軸回原位的運(yùn)動(dòng)軌跡有兩種時(shí)序。

(1)起始點(diǎn)在原位開關(guān)與前極限開關(guān)之間時(shí)，回原位過(guò)程是:①Y軸后退，后退到常開型原位開關(guān)X12由OFF變?yōu)镺N(前端);②Y軸降速到爬行速度繼續(xù)后退，到原位開關(guān)X12由ON變?yōu)镺FF(后端)，停下。

(2)起始點(diǎn)位于原位開關(guān)與后極限位置之間時(shí)，回原位的過(guò)程是:①Y軸后退，后退到常閉型后極限開關(guān)X11由ON變?yōu)镺FF;②Y軸前進(jìn)，到原位開關(guān)X12由ON變?yōu)镺FF(前端);③Y軸降速到爬行速度后退，到X12由ON變?yōu)镺FF(后端)，停下。

無(wú)論Y軸起始位置在哪，經(jīng)過(guò)回原位操作后，Y軸的位置都會(huì)準(zhǔn)確地在原點(diǎn)位置的同一點(diǎn)處，其回原位的順序功能圖如圖3所示。初始步S2在選擇手動(dòng)Y軸或者選擇自動(dòng)啟動(dòng)條件下驅(qū)動(dòng)，通過(guò)按手動(dòng)回原位按鈕X4或者在自動(dòng)控制中用指令回原位驅(qū)動(dòng)M240，啟動(dòng)自動(dòng)回原位操作，回原位后將已回到原位標(biāo)志M242 置 1，作為自動(dòng)控制程序繼續(xù)運(yùn)行的條件［3，4］。

4.2 Y軸驅(qū)動(dòng)

Y軸驅(qū)動(dòng)就是對(duì)脈沖信號(hào)Y1、方向信號(hào)Y3、伺服使能信號(hào)Y4的控制，控制Y軸前進(jìn)或后退。Y軸伺服驅(qū)動(dòng)占用PLC三個(gè)輸出點(diǎn)，即Y1接驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)輸入端4，控制輸出脈沖;Y3接方向信號(hào)控制端6，控制伺服電動(dòng)機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，作Y軸進(jìn)退控制;Y4接伺服使能信號(hào)端29，控制伺服驅(qū)動(dòng)有效。在Y4得電的情況下，Y軸伺服驅(qū)動(dòng)有效，它由啟動(dòng)按鈕驅(qū)動(dòng)定時(shí)器T1定時(shí)2 s后始終有效，如圖4所示。

微加工中心的操作設(shè)計(jì)有多種工作方式，用選擇開關(guān)選擇手動(dòng)/自動(dòng)工作方式，選擇當(dāng)前要點(diǎn)動(dòng)調(diào)整的Y軸。手動(dòng)時(shí)，通過(guò)正向按鈕X2、反向按鈕X3進(jìn)行自動(dòng)加工前的點(diǎn)動(dòng)對(duì)刀操作，用回原位按鈕X4驅(qū)動(dòng)回原位操作;在自動(dòng)控制時(shí)，用程序指令驅(qū)動(dòng)M240使Y軸回原位。此外，自動(dòng)控制程序中常需要Y軸進(jìn)行多次設(shè)定移動(dòng)量的前進(jìn)/后退、進(jìn)刀/退刀等定位操作。前進(jìn)/后退的距離通過(guò)PLC的高速脈沖輸出指令PL-SY控制，向Y軸輸出指定數(shù)量的脈沖實(shí)現(xiàn)。Y軸伺服電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量為0.001 6 mm，每接受2 500個(gè)脈沖帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)一周，使Y軸走4 mm。

圖4是將點(diǎn)動(dòng)、回原位、位置定位控制三項(xiàng)控制功能綜合在一起的PLC梯形圖，其中，回原位與定位控制的設(shè)計(jì)方法相似，都是要驅(qū)動(dòng)Y軸前進(jìn)或者后退。Y軸前進(jìn)/后退控制用到了32位脈沖輸出指令“DPLSY D102 D100 Y001”，其功能是以通用數(shù)據(jù)寄存器D102的值為脈沖頻率，從PLC的輸出端Y1輸出D100個(gè)脈沖。Y軸的移動(dòng)距離由輸出的脈沖數(shù)決定，用D100乘以脈沖當(dāng)量0.001 6 mm得到。Y軸前進(jìn)時(shí)，程序驅(qū)動(dòng)M243=1、M244=1(回原位時(shí)，驅(qū)動(dòng)M220=1，M225=1);Y軸后退時(shí)，程序驅(qū)動(dòng) M243=1、M244=0(回原位時(shí)，驅(qū)動(dòng)M220=1，M225=0)。無(wú)論前進(jìn)或后退，M243(M220)始終為1，用于驅(qū)動(dòng)Y軸移動(dòng)，而Y軸移動(dòng)的方向則是用M244(M225)來(lái)控制，為1前進(jìn)，為0后退。Y軸每次的移動(dòng)量和移動(dòng)速度在驅(qū)動(dòng)前用DMOV指令賦值。指令如下:

當(dāng)指定脈沖數(shù)寄存器D100為0時(shí)，則持續(xù)產(chǎn)生脈沖，在點(diǎn)動(dòng)正向/反向、回原位控制中就是這樣，持續(xù)不斷地從Y1輸出脈沖，直到松開點(diǎn)動(dòng)按鈕或碰到限位開關(guān)為止。在Y軸定位過(guò)程中，PLC通過(guò)監(jiān)視專用數(shù)據(jù)寄存器D8142，用比較指令“DCMP D100 D8142

M10”判斷定位是否結(jié)束。專用數(shù)據(jù)寄存器D8142中存放著已從Y1輸出的脈沖數(shù)，當(dāng)D8142中記錄的已輸出脈沖數(shù)等于設(shè)定的脈沖數(shù)D100時(shí)，表示定位結(jié)束，則比較結(jié)果M11接通。然后，在自動(dòng)控制程序中用M11驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行下一步操作。每次定位前都要對(duì)D8142清零一次，用脈沖執(zhí)行型指令DMOVP，以確保D8142在連續(xù)計(jì)數(shù)過(guò)程中不會(huì)被清0。

5 結(jié)語(yǔ)

交流伺服控制系統(tǒng)由于采用了帶高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制精度高，使微加工中心自動(dòng)加工、自動(dòng)換刀等控制操作得到了很好的保證。MINAS A系列交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)參數(shù)設(shè)置，除了能應(yīng)用于高精度位置控制，還能用于速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，構(gòu)成全方位的伺服控制系統(tǒng)，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。雖然驅(qū)動(dòng)器本身缺乏1 PG等定位模塊那樣完善的點(diǎn)動(dòng)(JOG)、回原位(DOG)等控制功能，但可以通過(guò)控制器強(qiáng)大的順序控制功能來(lái)共同實(shí)現(xiàn)，這也是在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常采用的一種設(shè)計(jì)方法。

1 廖常初.FX系列PLC編程及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

2 黃菊生，吳晨曦，劉軍安.微加工中心刀庫(kù)定位控制技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009，(4):25 ～28

3 潘紅斌，曹志照.交流伺服系統(tǒng)在演示系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2006，35(1):83 ～85

4 柴曉飛，郭文.沖床自動(dòng)送料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2007，20(3):76 ～77