楊宇峰

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，沈陽(yáng)110142）

0 引言

伺服刀架是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它可使數(shù)控機(jī)床在工件一次裝夾中完成多種甚至所有的加工工序，以縮短加工的輔助時(shí)間，減少加工過(guò)程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機(jī)床的加工效率和加工精度。隨著伺服數(shù)控刀架技術(shù)的成熟、性能的提高，以及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格的降低，越來(lái)越多的數(shù)控車(chē)床選擇配置伺服數(shù)控刀架[1]。此款伺服數(shù)控刀架采用絕對(duì)值伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)位，上電無(wú)需回零，就近雙向快速選刀，控制精確，定位迅速，提高轉(zhuǎn)速，有效地提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)時(shí)間[2]。本文根據(jù)伺服數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位控制過(guò)程和控制系統(tǒng)的控制功能編輯梯形圖，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)刀架的有效控制，最后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和控制參數(shù)的優(yōu)化，提高了伺服數(shù)控刀架的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

1 電氣接線圖及參數(shù)調(diào)整說(shuō)明

該刀架采用臺(tái)達(dá)A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器，搭配750 W絕對(duì)式伺服驅(qū)動(dòng)器及絕對(duì)式電動(dòng)機(jī)。此款伺服具備電池供電功能，使編碼器在伺服系統(tǒng)斷電后，仍能保持正常工作，不會(huì)因斷電后電動(dòng)機(jī)軸心被轉(zhuǎn)動(dòng)而無(wú)法得知電動(dòng)機(jī)真實(shí)位置。伺服數(shù)控刀架通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器的分度功能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)位，伺服驅(qū)動(dòng)器提供了8組輸入和5組輸出[3]，轉(zhuǎn)位過(guò)程由驅(qū)動(dòng)器的DI/DO信號(hào)控制，下面具體介紹伺服數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位的控制過(guò)程。

表1 DI/DO定義

圖1 伺服部分接線圖

DI/DO信號(hào)定義如表1所示。

刀架開(kāi)始轉(zhuǎn)位前，通過(guò)DI1～DI4組合信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)工位選取。DI1～DI 4組合信號(hào)是以二進(jìn)制的形式選取工位，即DI1～DI4全部為0時(shí)，為1工位，當(dāng)DI1為1，DI2～DI4為0時(shí)，為2工位，以此類(lèi)推。目標(biāo)工位設(shè)定后，通過(guò)工作模式切換完成刀架旋轉(zhuǎn)，工作模式由驅(qū)動(dòng)器內(nèi)DI7、DI8控制，當(dāng)DI7、DI8都為0時(shí)，為轉(zhuǎn)矩縮減模式，當(dāng)DI7為0、DI8為1時(shí)，為轉(zhuǎn)位模式，當(dāng)DI7、DI8都為1時(shí)，為緊急停止模式[4]。

DO1～DO5以二進(jìn)制組合形式輸出刀位和報(bào)警信息。當(dāng)主回路電源與控制電源接入到伺服驅(qū)動(dòng)器，但絕對(duì)坐標(biāo)位置未初始化，即未確認(rèn)一工位時(shí)，DO1為1，DO2～DO5為0。當(dāng)確認(rèn)完一工位后，DO1和DO3為1，其他DO為0，即顯示1工位。刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，DO3為1，其他DO為0。刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)到位后，顯示其相對(duì)應(yīng)的工位號(hào)（如旋轉(zhuǎn)至3工位，則到位后DO1、DO2、DO3為1）。當(dāng)前工位等于DO值減4（DO=7，當(dāng)前工位=7-4=3）[5]。當(dāng)伺服發(fā)生報(bào)警時(shí)，DO1～DO5全部為0。

伺服驅(qū)動(dòng)控制部分的電氣連接圖如圖1所示。伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)調(diào)整說(shuō)明如表2所示。

表2 參數(shù)調(diào)整說(shuō)明（主要部分）

2 設(shè)定與動(dòng)作說(shuō)明

通過(guò)手動(dòng)或軟件設(shè)定伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部參數(shù)，定義伺服電動(dòng)機(jī)的控制模式、驅(qū)動(dòng)模式、電子齒輪比、原點(diǎn)回歸偏移量、加減速時(shí)間、輸入輸出定義等參數(shù)。設(shè)定完成后需要進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試和控制參數(shù)的優(yōu)化，使刀架的運(yùn)轉(zhuǎn)更加高效可靠[8]。固定好刀架，連接好驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)后，即可對(duì)刀架進(jìn)行測(cè)試和控制參數(shù)的優(yōu)化，具體方法如下：

1）松開(kāi)、鎖緊接近開(kāi)關(guān)位置的確定。在手動(dòng)方式下進(jìn)行松開(kāi)、鎖緊切換，檢查刀架松開(kāi)、鎖緊是否異常。確認(rèn)刀架松開(kāi)、鎖緊沒(méi)有異常后，分別在刀架松開(kāi)、鎖緊的情況下調(diào)整松開(kāi)、鎖緊接近開(kāi)關(guān)與信號(hào)塊距離，檢查松開(kāi)、鎖緊接近開(kāi)關(guān)是否損壞。接近開(kāi)關(guān)與信號(hào)塊距離應(yīng)調(diào)整為2 mm左右。

2）消除報(bào)警。伺服驅(qū)動(dòng)器上電后，檢查驅(qū)動(dòng)器是否有AL011編碼器異常報(bào)警。如果有AL011報(bào)警，檢查編碼器線與伺服驅(qū)動(dòng)器CN2、電動(dòng)機(jī)編碼器兩端接線是否松脫，重新連接編碼器線。若上電后顯示AL060報(bào)警，則電池盒內(nèi)電池電量不足，應(yīng)該立刻更換電池，更換后再進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)初始化設(shè)定。

3）伺服驅(qū)動(dòng)器初始坐標(biāo)設(shè)定。伺服刀架電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)需要與機(jī)械位置吻合，在伺服驅(qū)動(dòng)器與伺服電動(dòng)機(jī)第一次上電時(shí)需要設(shè)定初始坐標(biāo)，即一工位確認(rèn)。否則會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器輸出刀號(hào)與實(shí)際刀號(hào)不符的情況，或伺服驅(qū)動(dòng)器因坐標(biāo)系統(tǒng)尚未被建立而顯示AL06A報(bào)警，該警告會(huì)在坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定后才會(huì)消失。坐標(biāo)初始化方式：首先，刀架在一工位鎖緊。其次，在驅(qū)動(dòng)器面板上輸入?yún)?shù)P2-08=271、P2-71=1，即完成坐標(biāo)初始化。

4）刀架試運(yùn)轉(zhuǎn)。在手動(dòng)模式下進(jìn)行刀架試運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查伺服刀架換刀動(dòng)作是否正常，并通過(guò)示波器監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)平均負(fù)載率，檢測(cè)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力能否滿(mǎn)足刀架的運(yùn)轉(zhuǎn)要求。如果刀架不轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)器顯示AL009位置誤差過(guò)大報(bào)警，則檢查U、V、W電源線接線是否正確，連接是否良好。若刀架在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中停止，驅(qū)動(dòng)器顯示AL006過(guò)負(fù)載報(bào)警，檢查是否由于刀架機(jī)械部分阻力過(guò)大，導(dǎo)致在刀架旋轉(zhuǎn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)外部負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載[12-13]。

5）控制參數(shù)優(yōu)化。換刀動(dòng)作實(shí)現(xiàn)后，需要對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)程中，可使用ASDA_soft軟件提供的高速實(shí)時(shí)性的監(jiān)控示波器工具提取和分析各項(xiàng)實(shí)時(shí)信息，對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行更確切的調(diào)整。對(duì)控制參數(shù)的優(yōu)化主要是對(duì)位置控制回路增益的調(diào)整。提高位置控制回路增益，能夠提升電動(dòng)機(jī)對(duì)位置命令的追隨性。使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行能夠更好地跟隨位置指令，減小位置誤差量，縮短定位整定時(shí)間。位置回路內(nèi)包含位置控制單元，速度控制單元和電流控制單元。驅(qū)動(dòng)器不開(kāi)放電流控制單元的增益調(diào)整參數(shù)，因此調(diào)整位置回路增益方法為先設(shè)定速度控制單元增益P2-04，然后再設(shè)定位置控制單元增益P2-00。位置控制單元增益不可超過(guò)速度控制單元增益，建議速度控制單元增益大于4倍位置控制單元增益。未對(duì)增益進(jìn)行調(diào)整前，速度控制單元增益和位置控制單元增益為出廠預(yù)設(shè)值，P2-00=15，P2-04=62，此時(shí)刀架啟動(dòng)停止較為緩慢，定位時(shí)間較長(zhǎng)[14-15]。逐漸增加位置控制回路增益，觀察刀架運(yùn)轉(zhuǎn)情況和命令位置，回授位置曲線，直至刀架轉(zhuǎn)位啟動(dòng)停止迅速，沒(méi)有過(guò)沖，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。此時(shí)位置回路增益為P2-00=117，P2-04=488。若繼續(xù)增大位置回路增益，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，損害電動(dòng)機(jī)。調(diào)整前后的命令位置、回授位置曲線如圖2、圖3所示。

圖2 調(diào)整前命令位置、回授位置曲線

圖3 調(diào)整后命令位置、回授位置曲線

通過(guò)波形圖可以觀察出調(diào)整增益后提高了伺服電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)性，減小了電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置誤差，改善了刀架的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。

圖4 自動(dòng)增益調(diào)整

臺(tái)達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動(dòng)器軟件中有自動(dòng)增益調(diào)整功能。通過(guò)設(shè)定負(fù)載/馬達(dá)慣量比，計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。

3 結(jié)論

通過(guò)臺(tái)達(dá)ASDA-A2絕對(duì)式伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部Pr模式，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、就近選刀、提高轉(zhuǎn)速，有效地提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)時(shí)間。由于只應(yīng)用到簡(jiǎn)單的位置定位，不需要脈沖定位模塊，所以在性?xún)r(jià)比上具有優(yōu)勢(shì)。此款伺服數(shù)控刀架已經(jīng)得到客戶(hù)的認(rèn)可。