安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)在拉床數(shù)控化改造中的全閉環(huán)應(yīng)用

張?zhí)煊?，李全?/p>

(中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽(yáng) 621000)

傳統(tǒng)拉床都是機(jī)械靠模結(jié)構(gòu)，直線軸的運(yùn)動(dòng)通過(guò)機(jī)械靠模帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)，由此形成兩軸的聯(lián)動(dòng)，加工曲線完全由機(jī)械靠模結(jié)構(gòu)來(lái)保證。這種靠模結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是完全由機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)保證加工曲線，可靠性高;同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯，加工靈活度低，靠模調(diào)試?yán)щy，有時(shí)為了更換加工曲線的類型，常常需要月余的靠模更換和調(diào)試時(shí)間，大大降低了機(jī)床的工作效率。所以為了解決機(jī)械靠模的缺點(diǎn)，同時(shí)保證可靠性，必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行全閉環(huán)數(shù)控化改造。在考慮了綜合成本后，決定采用安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)改造的要求。

1 整體結(jié)構(gòu)

1)數(shù)控系統(tǒng)。主要完成加工程序的輸入和編譯，輸出位置控制指令以及機(jī)床輸入輸出信號(hào)的控制［1-2］。

2)安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)SGDH 系列和安川全閉環(huán)模塊JUSP-FC100。用以接收數(shù)控系統(tǒng)的位置控制指令，控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)接收光柵的反饋，來(lái)保證機(jī)床運(yùn)動(dòng)的正確性。

3)光柵尺和光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。光柵尺用以檢測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)位置，通過(guò)光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置反饋給安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)，以達(dá)到閉環(huán)控制的目的。

拉床的全閉環(huán)數(shù)控化改造整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 全閉環(huán)控制原理

2.1 數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)界面完成加工程序的輸入，通過(guò)編譯后，發(fā)出位置脈沖控制指令到安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)，最后由安川伺服系統(tǒng)完成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)。數(shù)控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)所有輸出信號(hào)的控制，如機(jī)床限位，冷卻、潤(rùn)滑等功能的控制。

2.2 伺服系統(tǒng)

安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)功能的關(guān)鍵部件。在本應(yīng)用中，安川伺服通過(guò)3 個(gè)控制環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的速度和位置的準(zhǔn)確控制。

圖1 拉床的全閉環(huán)數(shù)控化改造整體結(jié)構(gòu)

伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)在伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部檢測(cè)伺服電機(jī)的三相電流，來(lái)對(duì)伺服系統(tǒng)的電流環(huán)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的扭矩控制，提高伺服電機(jī)的快速性，同時(shí)限制最大電流，保證伺服系統(tǒng)的安全性［3］。

伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)檢測(cè)伺服電機(jī)的編碼器反饋來(lái)構(gòu)成伺服系統(tǒng)的速度環(huán)，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。同時(shí)，伺服系統(tǒng)加電時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)編碼器可檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，以控制磁場(chǎng)的正確初始角度。

安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)控制原理如圖2 所示。

圖2 安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)控制原理

2.3 閉環(huán)反饋

伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)JUSP -FC100 全閉環(huán)模塊接收光柵尺的位置信號(hào)，構(gòu)成位置環(huán)的控制，精確控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)位置。該全閉環(huán)模塊只能接收5 V 差分信號(hào)，信號(hào)遵循RS -422A標(biāo)準(zhǔn)。輸入的信號(hào)為90°相位差的兩相差分信號(hào):A 相和B相，最大接收頻率是1 Mbps，通過(guò)A 相和B 相的相位差來(lái)確定運(yùn)動(dòng)方向。

閉環(huán)模塊可接收的差分信號(hào)如圖3 所示。

圖3 閉環(huán)模塊可接收的差分信號(hào)

光柵尺用以檢測(cè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的當(dāng)前實(shí)際位置。直線光柵尺選用的為海德漢LB382 系列直線光柵尺。該光柵尺的信號(hào)周期為40 μm，輸出信號(hào)為1VPP。圓光柵選用海德漢ERA4481 系列圓光柵。該光柵尺的線數(shù)為20 000 線，輸出信號(hào)為1VPP。

光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置的型號(hào)為IBV101。該裝置的目的主要是將光柵尺的1VPP輸出信號(hào)細(xì)分后，轉(zhuǎn)換安川全閉環(huán)模塊可以接收的差分信號(hào)。通過(guò)細(xì)分，還可以提高光柵尺的檢測(cè)精度。

光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置功能如圖4 所示。

圖4 光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置功能

2.4 閉環(huán)參數(shù)調(diào)整

在整個(gè)系統(tǒng)配線完成后，需要對(duì)安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，以開(kāi)啟伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)功能。需要設(shè)置的參數(shù)分別為Pn002.3，Pn202 和Pn203。其中Pn002.3 為全閉環(huán)信號(hào)的設(shè)置參數(shù)，Pn202 和Pn203 為電子齒輪的分子和分母。

參數(shù)Pn002.3 的定義如表1 所示。

在本次改造中，沒(méi)有使用有零點(diǎn)的光柵尺。根據(jù)IBV 輸出的差分信號(hào)的方向，設(shè)置Pn002.3 的參數(shù)值為1。

電子齒輪的設(shè)定主要是根據(jù)控制系統(tǒng)的控制指令精度和光柵尺反饋信號(hào)的精度關(guān)系來(lái)決定設(shè)定值。在本次拉床改造中，直線軸光柵尺的信號(hào)周期為40μm，經(jīng)過(guò)IBV 10 倍細(xì)分轉(zhuǎn)換和伺服驅(qū)動(dòng)的4 倍細(xì)分后，精度為1 μm，同時(shí)控制系統(tǒng)的指令脈沖精度也為1μm，故直線軸伺服驅(qū)動(dòng)的電子齒輪參數(shù)設(shè)置值如表2 所示。

表2 直線軸電子齒輪參數(shù)設(shè)置值

2.5 伺服系統(tǒng)性能調(diào)整

在系統(tǒng)閉環(huán)完成后，還需要對(duì)伺服的性能參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使機(jī)床能實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)，更小的跟蹤誤差。

在進(jìn)行性能參數(shù)調(diào)整前，先通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)的在線自動(dòng)調(diào)諧功能計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比，并寫入?yún)?shù)Pn103 中。之后，就需要對(duì)增益和積分時(shí)間調(diào)整，以達(dá)到較好性能。需要調(diào)整的參數(shù)如表3 所示。

表3 調(diào)整伺服性能的參數(shù)

以上3 個(gè)參數(shù)調(diào)整的基本原則是速度環(huán)增益和位置環(huán)增益的值越大越好，速度環(huán)積分時(shí)間參數(shù)的值越小越好。調(diào)整順序是先調(diào)整速度環(huán)增益和速度環(huán)積分時(shí)間參數(shù)，在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)不振動(dòng)的情況下，再增大位置環(huán)增益的值，直到達(dá)到滿意的效果。

至此，通過(guò)∑Ⅱ伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)功能實(shí)現(xiàn)了拉床的全閉環(huán)數(shù)控化改造。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在拉床的數(shù)控化改造中使用安川∑Ⅱ伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)功能，實(shí)現(xiàn)拉床的全閉環(huán)控制，使改造后的拉床在精度和可靠性上都有了保證，同時(shí)也使拉床的使用更具靈活性，大大提高了用戶的加工效率。這種方法在一些精度要求較高但控制功能相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)床數(shù)控化改造中有積極的推廣意義，在降低整機(jī)的成本、大大節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試時(shí)間和難度的同時(shí)，系統(tǒng)也具有較高的可靠性和可維護(hù)性。

［1］蔡旺，杜道白，李從心.交流伺服電機(jī)及其控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］楊黎明，艾紅，厲虹.伺服技術(shù)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［3］田宇.伺服與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.