蘆海濤，張 程，劉 航

（西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安 710089）

多軸同步控制技術(shù)是一門集成了電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、信息及控制技術(shù)的綜合性技術(shù)。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、控制理論和方法的飛速發(fā)展，多軸同步控制技術(shù)得到迅速發(fā)展，并在工程實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文介紹了一種基于PLC多軸控制技術(shù)的外翼型架上梁移動(dòng)定位裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，外翼型架上梁移動(dòng)定位裝置包括行走機(jī)構(gòu)和定位銷插接裝置2部分，行走機(jī)構(gòu)本體采用機(jī)械剛性連接，梁間距15m，采用雙電機(jī)雙邊同步驅(qū)動(dòng)方式沿兩側(cè)直線導(dǎo)軌水平方向前后移動(dòng)。電機(jī)選用數(shù)字式交流伺服電機(jī)，通過(guò)同步帶拖動(dòng)行走定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)兩側(cè)分別設(shè)置1臺(tái)定位銷插接裝置，用于型架精確定位后進(jìn)行機(jī)械位置固定，防止裝配過(guò)程中型架位置變動(dòng)。

1 方案設(shè)計(jì)及硬件選型

1.1 方案設(shè)計(jì)

在機(jī)床設(shè)備控制中，雙軸或多軸同步控制是一種常見的控制方法。根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要和生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，對(duì)同步精度的控制要求也不一樣。

對(duì)于設(shè)備之間沒有機(jī)械連接的系統(tǒng)，可以采用群拖控制方式，即由1臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)。由于所有電機(jī)的速度都由同1臺(tái)變頻器的輸出頻率控制，所以理論上所有電機(jī)的速度是一致的，并且能保證同時(shí)升速與降速。但由于電機(jī)制造上的差異，或者電機(jī)所帶負(fù)載大小的不同，實(shí)際上每臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行速度是有差異的，且控制系統(tǒng)無(wú)法糾正這種差異，因此這種方式只能適用于簡(jiǎn)單的要求速度同步控制的場(chǎng)所。

對(duì)于設(shè)備之間通過(guò)機(jī)械相連接的系統(tǒng)或者對(duì)速度同步精度要求比較高的沒有機(jī)械連接的系統(tǒng)，可以采用比例同步控制方式。在比例同步控制系統(tǒng)中，每個(gè)電機(jī)都有1臺(tái)控制變頻器，各臺(tái)變頻器的最高輸出頻率一致，而各臺(tái)變頻器的頻率輸入指令由PLC根據(jù)工藝要求換算后給定。為了使控制設(shè)備同步，各臺(tái)設(shè)備之間需要有速度反饋裝置如編碼器等，這種系統(tǒng)的運(yùn)行精度大大提高，可以適用于大多數(shù)要求速度同步的場(chǎng)所。

位置同步是要求最高的同步控制系統(tǒng)，對(duì)電機(jī)控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和速度控制精度要求非常高，通過(guò)變頻器很難完成此種同步控制任務(wù)，因此需要采用伺服控制系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高、過(guò)載能力強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)、定位精度高，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后可適用于絕大多數(shù)要求速度和位置同步的場(chǎng)所。

本文所述的外翼型架上梁移動(dòng)定位裝置，行走機(jī)構(gòu)本體采用機(jī)械剛性連接。由于跨巨大（梁間距15m），采用雙電機(jī)雙邊驅(qū)動(dòng)方式，要求行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退時(shí)電機(jī)速度和位置必須保持同步，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，選擇伺服控制方案比較合理。

1.2 硬件選型

電控系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC可編程控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)以及CANOPEN總線通訊電纜等部分組成，系統(tǒng)硬件組成及連接框圖如圖1所示。

PLC選用臺(tái)達(dá)公司DVP-10MC可編程運(yùn)動(dòng)控制器，DVP-10MC可編程運(yùn)動(dòng)控制器是臺(tái)達(dá)公司推出的一款總線型多軸運(yùn)動(dòng)控制主機(jī)，采用CANOPEN總線方式可實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制，接線簡(jiǎn)單、調(diào)試方便。

圖1 系統(tǒng)硬件組成及連接框圖

觸摸屏選用臺(tái)達(dá)公司DOP-B系列10英寸彩色觸摸屏，支持RS232/RS485、以太網(wǎng)及USB等接口，可滿足各種不同應(yīng)用需求。

伺服驅(qū)動(dòng)器選用臺(tái)達(dá)公司ASDA-A2交流伺服驅(qū)動(dòng)器，ASDA-A2驅(qū)動(dòng)器整合了部分上位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能，內(nèi)含電子凸輪與龍門控制功能，配置20b-bit編碼器，可實(shí)現(xiàn)精確定位。支持CANOPEN標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)總線連接及控制。

伺服電機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器配套，選用ECMA永磁式交流伺服電機(jī)，配絕對(duì)值編碼器。

主要成品件清單如表1所示。

表1 主要成品件清單

2 硬件參數(shù)配置

2.1 通訊參數(shù)設(shè)定

電控系統(tǒng)共有4臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器和PLC可編程控制器之間通過(guò)CANOPEN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和位置控制，為避免數(shù)據(jù)沖突應(yīng)分別為每臺(tái)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置不同的通訊參數(shù)（站地址）。本項(xiàng)目中，行走機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器站地址分別設(shè)為1和2，2臺(tái)定位銷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器站地址分別設(shè)為3和4。主要參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 驅(qū)動(dòng)器主要參數(shù)表

2.2 電子齒輪比及機(jī)械減速比設(shè)定

電子齒輪比用于行程比例變更，即改變1個(gè)脈沖輸入當(dāng)量所對(duì)應(yīng)的機(jī)械負(fù)載移動(dòng)的距離。雙擊驅(qū)動(dòng)器圖標(biāo)打開驅(qū)動(dòng)器屬性設(shè)置窗口，在參數(shù)屬性窗口中分別輸入電子齒輪比分子、電子齒輪比分母，并根據(jù)電機(jī)減速機(jī)銘牌數(shù)據(jù)輸入齒輪箱分子、齒輪箱分母等參數(shù)值。具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 電機(jī)及減速機(jī)參數(shù)表

2.3 參數(shù)優(yōu)化

伺服電機(jī)運(yùn)行前，需要根據(jù)使用需求在空載下對(duì)控制模式、旋轉(zhuǎn)方向等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，在電機(jī)連接負(fù)載后需要對(duì)伺服系統(tǒng)的位置控制增益、速度控制增益、電機(jī)和負(fù)載慣量比等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。具體流程如圖2所示。

圖2 參數(shù)優(yōu)化流程圖

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

外翼型架上梁移動(dòng)定位裝置包括行走機(jī)構(gòu)和定位銷插接裝置兩部分，行走機(jī)構(gòu)和定位銷互為連鎖，行走機(jī)構(gòu)行走前，應(yīng)確保定位銷退回原點(diǎn)位置（負(fù)限位指示燈亮）。若定位銷未退回到原點(diǎn)位置，需手動(dòng)將定位銷退回原點(diǎn)位置。同理，定位銷伸出時(shí)，應(yīng)確保行走機(jī)構(gòu)位于導(dǎo)軌前終端處，使定位銷對(duì)準(zhǔn)定位孔。

因行走機(jī)構(gòu)為機(jī)械剛性連接沿導(dǎo)軌移動(dòng)，因此行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退時(shí)兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須保持速度和位置同步。程序設(shè)計(jì)中需實(shí)時(shí)讀取2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置參數(shù)并進(jìn)行在線監(jiān)控比較，超出允許誤差時(shí)停止運(yùn)行并輸出報(bào)警信號(hào)。

行走機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌前后兩端分別設(shè)有機(jī)械限位開關(guān)，用于行走機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)和運(yùn)行安全保護(hù)，同時(shí)在電機(jī)減速機(jī)輸出軸上安裝有扭矩檢測(cè)保護(hù)裝置，如果超出設(shè)定扭矩，則電機(jī)與負(fù)載脫開并輸出報(bào)警信號(hào)。

3.2 控制流程

如圖3所示，行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)時(shí)，先檢測(cè)定位銷位置，若定位銷未退回到原點(diǎn)位置，先手動(dòng)將定位銷退回原點(diǎn)位置。然后按下控制柜操作面板上的“前進(jìn)”或“后退”按鈕，控制行走機(jī)構(gòu)前進(jìn)或后退。行走過(guò)程中PLC實(shí)時(shí)讀取并監(jiān)控比較2臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的坐標(biāo)位置參數(shù)，若同步超差則報(bào)警并停止運(yùn)行。行走機(jī)構(gòu)正向行走到導(dǎo)軌終端位置（撞塊處）時(shí)壓下行走限位開關(guān)，行走機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行到位后，按下控制柜操作面板上的“定位銷伸出”按鈕，定位銷伸出插入定位孔，完成定位操作。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

4 監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

如圖4所示，監(jiān)控畫面主要用于行走電機(jī)和定位銷電機(jī)的使能控制以及行走機(jī)構(gòu)和定位銷插接裝置的限位開關(guān)位置狀態(tài)信息監(jiān)控，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)。

圖4 監(jiān)控畫面

5 結(jié)束語(yǔ)

外翼型架上梁移動(dòng)定位裝置共2套，左右件對(duì)稱，用于機(jī)翼壁板零件裝配，現(xiàn)該裝置已安裝、調(diào)試完畢并交付使用，操作簡(jiǎn)單，故障少，運(yùn)行狀況良好。該設(shè)備采用了高性能數(shù)字伺服電動(dòng)機(jī)和同步運(yùn)行定位控制方式，與傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)控制方式相比較，設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)、定位精度和運(yùn)行效率更高、安全保護(hù)措施更加完善，良好地滿足了生產(chǎn)使用需求。