深孔組合鉆床的自控系統(tǒng)選型
交流伺服系統(tǒng)選型
選用三菱HC-SFS502型電機，它的額定轉(zhuǎn)矩為23.9Nm，最大轉(zhuǎn)矩為71.6Nm，功率為5kW，屬中慣量、中功率類型電機。配套伺服放大器為MR-J2S-500A。該系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下:
額定轉(zhuǎn)速:2000r/min;
最大轉(zhuǎn)速:3000r/min;
允許瞬間速度:3450r/min;
l高精度絕對值光電編碼器:17位編碼器的分辨率為每轉(zhuǎn)217=131072個脈沖。
l非常齊全的保護功能:具有過電流、過電壓、過載、電機過熱、編碼器故障、再生故障、欠電壓或瞬間電源故障、超速、誤差過大等各種保護。
PLC及定位單元的選型
三菱FX2N-PLC是FX系列中最先進的超級微型PLC，具有高速、高性能的特性:一條基本指令運算時間為0.08μs;一條應(yīng)用指令運算時間約為1.52 ~ 100μs。FX2N-80MR的輸入點和輸出點均為40點。
FX2N-20GM系列定位單元。它具有如下特性:
能提供2路脈沖輸出并能實現(xiàn)直線插補和圓弧插補;
不僅能處理單速定位和中斷定位，而且能進行多速運行等復(fù)雜的控制;
最大可輸出2路200kHz的高速脈沖。
可以不連接PLC而獨立運行，功能非常強大，特別適用于數(shù)控金屬切削機床。
采用彩色可視化的定位參數(shù)設(shè)置軟件，可以非常方便地設(shè)置參數(shù)和監(jiān)控定位運行。
20GM定位單元的脈沖當(dāng)量(即每個脈沖對應(yīng)的進給量)由設(shè)置軟件設(shè)定，最高設(shè)定可達到位移1μm / 脈沖或旋轉(zhuǎn)0.001°/ 脈沖，比PLC主機脈沖高出一個數(shù)量級。
能夠接受“手動脈沖發(fā)生器”的信號，可以在動態(tài)時對定位系統(tǒng)進行非常精細的調(diào)整。
變頻器的選型
選用小型高性能的FR-E540-3.7K-CH型號，特性如下:
采用磁通矢量控制，能實現(xiàn)1Hz運行150%轉(zhuǎn)矩輸出;
具有PID調(diào)節(jié)、15段速度等多功能選擇。深孔組合鉆床就是采用PLC控制變頻器的多段速度，進而控制槍鉆電機的旋轉(zhuǎn)速度。
伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、定位單元設(shè)置和PLC編程
伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
“電子齒輪”的計算
“電子齒輪”即“指令脈沖倍率”是伺服系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。它的表達式是:指令脈沖倍率分子/ 指令脈沖倍率分母= CMX / CDV。它的設(shè)定范圍因機型而異，MR-J2S系列為:1/50＜CMX / CDV＜500，具體計算方法如下:
已知機械規(guī)格:
滾珠絲桿進給量:Pb=8mm;
減速機減速比:未使用減速機，n=1;
伺服電機編碼器分辨率:Pt=131072(脈沖 / 轉(zhuǎn));
脈沖當(dāng)量:△L=10μm=10×10-3 mm(考慮機械加工精度，未采用△L=1μm精度);
計算:
因此設(shè)定CMX=4096 CDV=25
表1 MR-J2S-100A 伺服放大器主要參數(shù)實際設(shè)定表
定位單元20GM的設(shè)置及PLC編程
三菱FX2N-20GM(簡稱20GM)是一種小型智能化定位單元，它完備的功能完全可以與大中型PLC定位模塊媲美。20GM采用FX-VPS-E軟件，它的流程圖窗口由可視化的各種彩色符號塊組成，用“有向連線”連接，具有形象、直觀、簡潔、易用的特點。雙擊對應(yīng)的指令符號塊即出現(xiàn)“參數(shù)設(shè)置”的形象化對話框，可以很方便地進行操作。(參見圖3)
FX-VPS-E軟件共有三個窗口:監(jiān)視窗口、參數(shù)設(shè)置窗口和流程圖窗口。
監(jiān)視窗口
該窗口設(shè)置有X軸 / Y軸的DOG(近點開關(guān))、START(啟動)、STOP(停止)、ZRN(原點回歸)、FWD(正轉(zhuǎn))、RVS(反轉(zhuǎn))以及Ready(就緒)、Completed(完成)、Error(故障)、Zero Completed(回零完成)等參數(shù)。操作者可以在軟件視窗上用鼠標(biāo)點擊相應(yīng)的參數(shù)框，即可驅(qū)動定位單元，進而驅(qū)動伺服系統(tǒng)并且可以進行實時監(jiān)測。(參見圖2)
 圖2 FX-VPS-E軟件的組合鉆床“操作、監(jiān)視”窗口
參數(shù)設(shè)置窗口
該窗口可以對定位單元的定位參數(shù)(含單位體系、機械零點、速度等)、1 / O參數(shù)(含編號、M代碼、手動脈沖發(fā)生器、絕對位置等)和系統(tǒng)參數(shù)(含系統(tǒng)、子任務(wù)等)進行形象化設(shè)置。(參見圖4)
定位參數(shù)的單位體系設(shè)置分為三種:單位機械體系、單位電氣體系和單位綜合體系。
流程圖窗口
該窗口將三個大類的流程圖符號用“有向連線”按順序控制的流程連接，非常方便。(參見圖3)
20GM定位單元與PLC主機通訊程序編制
在20GM定位單元與PLC主機之間的通訊數(shù)據(jù)由FROM / TO指令控制。在20GM中有專門用于通訊的緩沖存儲器BFM，每個BFM由16個位(一個字)組成。BFM編有號碼，對應(yīng)地在PLC中分配有輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器以及特殊輔助繼電器等。
使用TO指令從PLC傳送數(shù)據(jù)"寫"到20GM的數(shù)據(jù)設(shè)備中，使用FROM指令從20GM中傳送數(shù)據(jù)"讀"到PLC的數(shù)據(jù)寄存器中。
 圖3 FX-VPS-E軟件的組合鉆床“流程圖”
深孔組合鉆床使用TO指令的PLC程序?qū)嵗?span>:
LD M8000; 特殊輔助繼電器;
TO K0 K20 K4M100 K1 PLC的M100~M115對應(yīng)20GM的緩沖存儲器#20;
TO K0 K21 K4M200 K1 PLC的M200~M215對應(yīng)20GM的緩沖存儲器#21 。
以上PLC程序建立了20GM與PLC輔助繼電器(觸摸屏)的聯(lián)系，可以從觸摸屏或者外部按鈕通過PLC向20GM發(fā)出各種操作命令:
X軸 Y軸
Step run(單步運行) M100 M200
Start(啟動) M101 M201
Stop(停止) M102 M202
M code off(M代碼關(guān)) M103 M203
Zero return(原點回歸) M104 M204
FWD Jog(正轉(zhuǎn)點動) M105 M205
RVS Jog(反轉(zhuǎn)點動) M106 M206
Error reset(故障復(fù)位) M107 M207
Zero return axis(回零軸控制)
M108 M208
深孔組合鉆床使用FROM指令的PLC程序?qū)嵗?span>:
LD M8000 特殊輔助繼電器;
FROM K0 K23 K4M300 K1 20GM的緩沖存儲器#23對應(yīng)PLC的M300~M315;
FROM K0 K25 K4M400 K1 20GM的緩沖存儲器#25對應(yīng)PLC的M400~M415。
以上程序建立20GM與PLC輔助繼電器的聯(lián)系，可以從觸摸屏對應(yīng)的PLC輔助繼電器反映20GM的運行狀態(tài);
X軸 Y軸
Ready/Busy(就緒/占用) M300 M400
Completed(完成) M301 M401
Error detection(故障檢測) M302 M402
M code on(M代碼開) M303 M403
M code waiting(M代碼等待) M304 M404
M00 waiting(M00等待) M305 M405
Stop waiting(停止等待) M306 M406
Auto running(自動運行) M307 M407
Zero completed(回零完成) M308 M408
系統(tǒng)調(diào)試
現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)時，先用一臺電腦用軟件檢測監(jiān)視伺服放大器狀態(tài)，另一臺電腦用軟件視窗驅(qū)動20GM定位單元，同時觀察伺服電機的運動，以驗證伺服系統(tǒng)和定位單元的自身接線是否正確。然后用觸摸屏和外部相關(guān)開關(guān)按鈕進行操作，驗證所有程序的正確性。
我們設(shè)計的“機械零點回歸”控制方案是:伺服電機驅(qū)動的動力頭在返回原點碰到DOG近點開關(guān)后，開始降速，并繼續(xù)向后運動一圈后，開始爬行一段距離，再行停止。相關(guān)參數(shù)如可以在軟件中設(shè)置(參見圖2)。但在實際調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)Y軸動力頭碰到DOG近點開關(guān)后就立即停止，與參數(shù)設(shè)置不符;另外發(fā)現(xiàn)Y軸伺服放大器"電子齒輪"所決定的電機定位數(shù)據(jù)與理論計算有較大出入。經(jīng)過對硬件設(shè)備的多次檢查，發(fā)現(xiàn)自行焊接的伺服放大器與20GM的通訊電纜有些問題:因為接點多而細密，容易接觸不良，使個別數(shù)據(jù)線開路而無法正常通訊，造成了上述故障。于是另行購置了型號為E-GMJ2-200CAB1A的三菱原裝電纜，系統(tǒng)才正常工作，包括“電子齒輪”也恢復(fù)到理論計算數(shù)值。這個教訓(xùn)非常深刻，值得引以為戒:在工程中切不可“因小失大”。
由于系統(tǒng)采用了20GM智能化定位單元和高品質(zhì)的三菱伺服系統(tǒng)等，系統(tǒng)調(diào)試也較為簡便，其調(diào)試結(jié)果也令人非常滿意。
結(jié)束語
從深孔組合鉆床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)中，我們看到了觸摸屏、PLC、定位單元和交流伺服系統(tǒng)的配合，具有編程靈活、使用方便、性能可靠、價格低廉等優(yōu)點。與機床專用數(shù)控系統(tǒng)CNC比，有較大的價格優(yōu)勢;與傳統(tǒng)的單片計算機控制系統(tǒng)、多軸運動控制卡系統(tǒng)相比，有穩(wěn)定可靠、編程靈活的優(yōu)勢。
 圖4 FX-VPS-E軟件的“機械零點參數(shù)”設(shè)置窗口
現(xiàn)在數(shù)控金屬切削機床以及各行各業(yè)的專用機械，越來越多地采用本文介紹的通用自控系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)配合的方案。在機械控制的各種類型中，如X-Y工作臺控制、回轉(zhuǎn)工作臺控制、進給控制、同步給進控制、輥道送進控制、復(fù)雜軌道運動控制等等，其具體控制形式表現(xiàn)為:直線插補、圓弧插補、等速軌道控制、高速高精度軌道運算、速度切換控制、速度-位置控制、定尺送進等等，所有這些控制要求都可以采用不同檔次的觸摸屏、PLC、定位控制單元甚至運動控制器與交流伺服電機構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，以求得技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理的最佳解決方案。
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產(chǎn)品類別：工程案例