鄧雄飛，胡旭東，魯文其，劉 虎，王 瑋

(浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引 言

拉床是一種用拉刀加工工件并實現(xiàn)各種大批量復(fù)雜內(nèi)外成形的金屬切削設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶艦艇、農(nóng)機、工程機械、航天航空及軍工等領(lǐng)域，是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)不可或缺的一種重要加工設(shè)備［1-2］。按工作性質(zhì)的不同，可分為內(nèi)拉床和外拉床;按主運動的方向不同，分為立式拉床和臥式拉床;按驅(qū)動的形式不同，又分為液壓拉床和電伺服拉床［3］。目前國內(nèi)拉床主要是液壓拉床，由于其采用液壓驅(qū)動，機床運行中油泵電機會有大量的空轉(zhuǎn)，存在能源的浪費和加工成本的問題;液壓驅(qū)動力不恒定造成加工過程中的振動，易影響工件光潔度和精度，并減少了刀具的壽命;液壓拉床的加工速度不高，生產(chǎn)效率相對較低;液壓系統(tǒng)的液壓油額外增加了機床所占空間，同時液壓拉床有油污滲出，影響工作環(huán)境。相對液壓拉床而言，電伺服拉床除了能克服上述缺點外，還具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，其采用交流伺服電機來直接驅(qū)動，近而擁有控制精度高、響應(yīng)速度快、過載能力強等許多優(yōu)越的性能。采用雙伺服電機同步驅(qū)動的拉床除了擁有電伺服驅(qū)動拉床的優(yōu)勢，還彌補了電伺服驅(qū)動力和功率不足的缺點［4］。隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)加工的要求也逐步增高，電伺服拉床將廣泛應(yīng)用于高精度的工業(yè)生產(chǎn)加工中。

本研究先給出雙電機同步驅(qū)動的立式內(nèi)拉床的機構(gòu)圖，主要闡述主溜板同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)、調(diào)刀伺服驅(qū)動系統(tǒng)和拉床軟件系統(tǒng)設(shè)計方案，并通過實驗測試?yán)残阅堋?/p>

1 拉床整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

電伺服驅(qū)動拉床硬件結(jié)構(gòu)由電氣控制柜、拉床機構(gòu)和人機界面3部分組成。電氣控制柜包含控制器、伺服驅(qū)動器、外圍接線及保護電路部分?？刂破鞑捎肍X3u系列PLC，拉削伺服采用高性能伺服驅(qū)動器，調(diào)刀伺服采用臺達的ASDA-B2系列伺服驅(qū)動器;機構(gòu)部分包括床身、雙大功率伺服電機、雙減速器、雙滾珠絲桿、單伺服電機、單減速器、拉刀、工作臺、溜板、底座、換刀部分和排屑冷卻部分。拉床的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該拉床采用兩個對稱的床身結(jié)構(gòu)，以雙高性能伺服電機作為主驅(qū)電機來同步驅(qū)動;主驅(qū)伺服電機采用18位絕對式位置編碼器，能精確反映出電機旋轉(zhuǎn)位置;拉削伺服經(jīng)由高精度減速器和滾珠絲杠副驅(qū)動主溜板帶動工作臺，對工件進行加工。本研究在滾珠絲桿末端裝有2 000線旋轉(zhuǎn)編碼器來反映絲桿轉(zhuǎn)動位置，確保實時反映同步性能，并能實時保護拉床。調(diào)刀伺服安裝在對稱床身中心，由滾珠絲杠副驅(qū)動輔溜板完成提刀、送刀動作，采用精度相對較高的伺服系統(tǒng)可以保障刀具的安全和提送刀位置精準(zhǔn)。為了確保選用兩個對稱床身結(jié)構(gòu)，使得工作臺受力更加平衡，從而保證了工件的高精度和光潔度;相對于單電機驅(qū)動拉床，雙電機驅(qū)動拉床能夠獲得雙倍的驅(qū)動功率，既減少了開發(fā)成本，又降低了電氣布線的難度和干擾［5］。

圖1 拉床的結(jié)構(gòu)圖

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

電伺服驅(qū)動拉床控制系統(tǒng)主要包含拉削伺服控制系統(tǒng)和調(diào)刀伺服控制系統(tǒng);該拉床由雙伺服電機同步驅(qū)動，雙伺服的同步性能直接關(guān)乎拉床的加工精度和可靠性，因而拉削伺服的控制顯得尤為關(guān)鍵。

2.1 主溜板同步驅(qū)動伺服系統(tǒng)設(shè)計

正如前文中所述，電伺服驅(qū)動拉床的控制關(guān)鍵就是保證雙拉削伺服良好的同步性能;同時又要確保實際實現(xiàn)的可能性，因此該拉床的拉削伺服系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單的主令式同步控制策略，即雙拉削伺服共享指令［6］;由于拉床的刀具昂貴，而且極易損壞，拉床的可靠性與安全性顯得尤為關(guān)鍵。兼顧多方面的考慮本研究采用工控性能穩(wěn)定的PLC作為控制器。主溜板伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。拉削伺服系統(tǒng)由PLC同一個高速脈沖輸出口發(fā)送指令脈沖，經(jīng)過繼電器J3和J4分別發(fā)送到伺服系統(tǒng)1和伺服系統(tǒng)2的伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器再將指令脈沖與反饋脈沖在偏差計數(shù)器中累加之后形成速度指令，然后再與速度反饋累加形成電流指令控制PWM回路，驅(qū)動伺服電機。該系統(tǒng)通過減速器和滾珠絲桿的硬連接傳動將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為主溜板的直線運動，而兩個主溜板通過工作臺硬連接耦合，最終完成拉削與返程的加工動作。指令脈沖的發(fā)送采用差分傳輸方式，并用屏蔽雙絞線作為信號傳輸線，從而避免了指令脈沖在傳輸過程中引入干擾脈沖;伺服系統(tǒng)采用高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，電機反饋脈沖分辨率262 144 p/r，以確保電機動作精準(zhǔn);同時選用高精度的減速器和滾珠絲桿副，承載力等方面設(shè)計計算留有充足的裕量;在滾珠絲桿副的末端安裝2 000線的旋轉(zhuǎn)編碼器來反映絲桿旋轉(zhuǎn)位置，計算出兩個主溜板的同步情況，當(dāng)兩主溜板位置差大于0.05 mm時，整個拉床控制系統(tǒng)會及時報警，繼電器和伺服系統(tǒng)都會做出相應(yīng)的動作來保護滾珠絲桿副和刀具。主溜板同步驅(qū)動系統(tǒng)要保證兩個主溜板在加工過程中位置同步，對于設(shè)定的加工位置要確保精準(zhǔn)定位，故設(shè)置伺服驅(qū)動器1和伺服驅(qū)動器2的工作模式為位置控制模式［7］;在自動化生產(chǎn)模式下，主溜板同步驅(qū)動伺服系統(tǒng)需帶大負(fù)載在高速運轉(zhuǎn)下的啟停和頻繁的正、反轉(zhuǎn)切換，需要采用外置再生電阻，還需對電子齒輪比進行計算，位置分辨率是由伺服電機每轉(zhuǎn)進給量ΔS和編碼器反饋脈沖分辨率pt決定，計算方式如下:

圖2 主溜板伺服系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

式中:CMX—伺服驅(qū)動器電子齒輪比分子，CDV—伺服驅(qū)動器電子齒輪比分母，Δl—位置控制模式中電機的每個反饋脈沖進給量，Δl0—位置控制模式中每個指令沖的進給量，ΔS—伺服電機每轉(zhuǎn)進給量，pt—伺服電機編碼器的分辨率，pb—滾珠絲杠螺紋距，n—減速器齒輪比。

再根據(jù)速度指令頻率的計算可以確定電子齒輪比:

式中:Nm—電機的最高轉(zhuǎn)速，fm—位置控制模式下電機運行在最高速度時控制系統(tǒng)的輸入脈沖頻率。

電伺服驅(qū)動拉床設(shè)計除了要滿足位置精度外，還要考慮拉削和返程的高速運動。因此，本研究先設(shè)電子齒輪比為1時計算電機在最大運轉(zhuǎn)速度下的指令脈沖頻率。

由式(4)得:

該方案計算出來的fm=8 738 133，三菱PLC輸出脈沖最大頻率:差動驅(qū)動方式為200 kHz，開集電極輸出為100 kHz。而驅(qū)動器差動線性驅(qū)動的最大指令脈沖頻率值為1 Mpps，實際驅(qū)動器輸入指令脈沖要低于1 Mpps。顯然電子齒輪比設(shè)置要考慮高速運轉(zhuǎn)的情況，則應(yīng)先設(shè)置PLC輸出脈沖最高頻率fm(fm設(shè)置應(yīng)該留有裕量)，由式(4)計算出電子齒輪比，代入式(1～3)可計算出Δl0，看是否滿足拉床精度要求。如果滿足，則以該電子齒輪比比值設(shè)置即可;如果不滿足精度要求，則參照精度要求直接設(shè)置指令脈沖進給量Δl0，由式(1～3)可計算出電子齒輪比。該方案經(jīng)過速度指令頻率計算出的電子齒輪比滿足系統(tǒng)精度要求。對于同步誤差閾值設(shè)置，需要計算出雙絲桿反饋脈沖當(dāng)量l1的值，其公式如下:

式中:Ps—絲桿上旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率。

指令脈沖與雙絲桿反饋脈沖的比值關(guān)系公式為:

所有設(shè)置完成后，便可導(dǎo)出工作臺速度計算公式，即工件加工速度為:

式中:V—工作臺速度，N—伺服電機速度。

電機速度由給定指令脈沖頻率f決定，由式(4)得:

聯(lián)合式(8)得出:

通過上式可計算工作臺的速度［8-9］。

2.1.1 單伺服初始定位設(shè)計

電氣原點位置的定位精準(zhǔn)度直接決定伺服系統(tǒng)的定位準(zhǔn)確性，伺服定位是否精準(zhǔn)也關(guān)乎位置的同步性能。因此，單伺服的初始定位顯得十分關(guān)鍵。

主溜板同步驅(qū)動伺服系統(tǒng)單伺服初始定位采用帶DOG搜索功能的原點回歸方式，該原點回歸方式還擁有DOG信號邏輯反轉(zhuǎn)、使用零點信號來提高精準(zhǔn)性和零點信號邏輯反轉(zhuǎn)的優(yōu)勢，其過程如圖3所示。當(dāng)主溜板得到原點回歸指令，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前位置進行判斷并確定運行的方向，然后開始原點回歸。先從零速直接上升到基底速度，從基底速度進行加速到原點回歸速度運行，直到原點感應(yīng)器感應(yīng)到DOG上升沿信號則開始減速到爬行速度運行。主溜板以爬行速度運行到系統(tǒng)接收到旋轉(zhuǎn)編碼器的Z相脈沖上升沿信號立刻停止。其中爬行速度應(yīng)該設(shè)置的盡量小，從基底速度上升到最高速度的時間為加速時間，反之為減速時間，該參數(shù)需根據(jù)系統(tǒng)實際情況進行設(shè)置。該方案中，系統(tǒng)定位控制采用增量方式(相對地址)和絕對方式(絕對地址);增量方式即以當(dāng)前位置為起始位置，按指定的方向和移動量(相對地址)進行定位;絕對方式是以原點為基準(zhǔn)按指定位置(絕對地址)進行定位。主溜板同步驅(qū)動系統(tǒng)單邊JOG運行定位以增量方式定位控制，雙伺服同步運行時定位采用絕對方式定位。

圖3 原點回歸過程圖

2.1.2 同步故障保護設(shè)計

主溜板同步驅(qū)動伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵是處理同步故障問題，一旦出現(xiàn)同步故障，如果拉床控制系統(tǒng)不能及時反應(yīng)并做出相應(yīng)的保護動作，那損失可能較大。因此，對于同步故障保護的設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。為了最大程度上保護拉床，主溜板同步驅(qū)動伺服系統(tǒng)采用多重保護:首先，發(fā)揮滾珠絲桿末端安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器的作用，對雙伺服的反饋脈沖進行作差以計算出同步誤差，一旦誤差超過閾值，繼電器立刻動作，關(guān)斷指令脈沖，同時觸發(fā)控制系統(tǒng)給出同步故障報警顯示，并采用電磁制動器鎖住拉床，該保護措施能夠直觀做出同步故障動作，并第一時間鎖住拉床保護刀具和滾珠絲桿;其次，利用伺服系統(tǒng)本身的特性和同步故障表現(xiàn)出來的現(xiàn)象進行監(jiān)控保護，伺服輸出轉(zhuǎn)矩是等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩(在額定轉(zhuǎn)速下)，當(dāng)出現(xiàn)同步故障，主溜板偏置較大時，兩伺服系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩會相差很大，甚至?xí)袉芜呥^載的情況。因此，對伺服系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置限制，一旦超過設(shè)定的限制值，控制系統(tǒng)立刻保護住拉床。另外，為了保護拉削伺服電機，還采用伺服電機自帶溫度保護功能，當(dāng)溫度過高時會觸發(fā)繼電器動作給控制系統(tǒng)信號來停止拉床運行，防止過熱而燒壞電機。

2.2 調(diào)刀伺服驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

調(diào)刀伺服系統(tǒng)的主要作用是配合電伺服拉床生產(chǎn)工序，完成提刀和送刀動作;調(diào)刀伺服系統(tǒng)只有一個伺服系統(tǒng)組成，其控制相對簡單，要求精度相對較低。調(diào)刀伺服系統(tǒng)采用臺達伺服系統(tǒng)，由PLC另一個高速脈沖輸出口發(fā)送指令脈沖，指令脈沖包含脈沖PUL和方向脈沖DIR，采用單端傳輸方式，I/O信號包括伺服使能信號SON2，清零信號CR2，調(diào)刀伺服緊急停止信號EMG2和伺服報警信號ALM3。調(diào)刀伺服主回路和控制回路圖如圖4所示。

圖4 調(diào)刀伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，1X3、3X3和4X3線與 N間電壓為交流220 V，伺服驅(qū)動器控制線是由1X3和N組成;主回路控制線是3X3和N，串聯(lián)著繼電器J7常開觸點、緊急停止按鈕聯(lián)動常閉觸點EMG2、啟動按鈕ON2和停止按鈕OFF以及交流接觸器KM3的線圈。KM3的常開觸點和啟動按鈕并聯(lián)，形成自鎖。電磁制動器控制回路由24 V開關(guān)電源供電控制，將J7另一個常開觸點、緊急停止按鈕聯(lián)動另一個常閉觸點EMG2和手動使能旋鈕開關(guān)串聯(lián)在線路中，J7線圈由伺服驅(qū)動器報警信號控制，當(dāng)伺服驅(qū)動器出現(xiàn)報警、緊急停止按鈕被按下或者使能旋鈕開關(guān)關(guān)斷后，電磁制動器失電制動鎖緊調(diào)刀伺服系統(tǒng)［10-12］。

調(diào)刀伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置和拉削伺服驅(qū)動器的設(shè)置一樣，需要計算電子齒輪比和設(shè)置工作模式等，在此不再冗述。調(diào)刀伺服在JOG運行定位時采用相對定位方式，正/反轉(zhuǎn)連續(xù)運行定位采用絕對定位方式，單滾珠絲桿末端未安裝旋轉(zhuǎn)編碼器反饋，也就缺少零位信號，故調(diào)刀伺服原點回歸不帶自動搜索DOG功能的形式，控制系統(tǒng)在檢測到原點感應(yīng)器上升沿信號后，減速到爬行速度運行，一旦檢測到下降沿信號立刻停止。

2.3 全伺服拉床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含控制器的控制程序和人機界面程序，控制器采用PLC，其控制程序設(shè)計簡單，安全可靠性高，邏輯性較強?？紤]到拉床的安全性和連續(xù)自動生產(chǎn)的邏輯性要求，本研究確定了采用PLC作為控制器。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計流程圖

開機后，系統(tǒng)初始化包括控制器初始化和觸摸屏初始化，初始化完成后觸摸屏與PLC進行通訊連接;通訊連接正常，開始系統(tǒng)參數(shù)寄存器初始化，并傳輸?shù)接|摸屏上進行狀態(tài)顯示，上次斷電前的狀態(tài)與數(shù)據(jù)都采用掉電存儲到特殊寄存器，以便保持?jǐn)嚯娗盃顟B(tài)。手動打開使能開關(guān)(伺服使能和電磁制動器)，系統(tǒng)才會判斷拉床當(dāng)前是否有故障，否則拉床不會判別故障。觸摸屏畫面可以切換，但是不能進入系統(tǒng)畫面進行工序操作。打開使能開關(guān)，若有故障則拉床會發(fā)出蜂鳴警示聲音，并顯示紅燈，觸摸屏畫面也將顯示在報警畫面，并提醒故障報警類型。排除故障即可進入系統(tǒng)畫面，進入畫面后即可進行工序操作，系統(tǒng)會判斷是否符合工序要求，符合才能進行全自動和半自動生產(chǎn)，否則需進入點動畫面進行調(diào)整。這個掃描周期時間為4.6 ms，每次掃描進行拉床顯示數(shù)據(jù)更新，每次動作之前都會先對故障進行判別［13］。

3 實驗測試

本研究介紹的電伺服拉床控制系統(tǒng)，經(jīng)過可行性理論分析后，與某公司合作進行實際試驗并測試生產(chǎn)加工工件。其結(jié)果表明，本研究設(shè)計的該拉床系統(tǒng)可拉削負(fù)載力達20 t，主溜板雙伺服同步精度誤差小于0.05 mm，定位精度誤差小于0.01 mm，加工工件精度和光潔度比較優(yōu)良，主溜板(工作臺)速度可以在0～10 m/min間真正無極調(diào)節(jié)運行速度，并在觸摸屏界面設(shè)置23個報警警示來保護拉床。本研究對主溜板同步驅(qū)動的伺服系統(tǒng)相電流進行檢測，并以此計算在加工工程兩伺服的輸出轉(zhuǎn)矩。筆者采用霍爾傳感器來檢測伺服電機的相電流，原、副邊扎數(shù)比為1∶2 000，測試電阻經(jīng)計算選擇為30 Ω，由調(diào)理電路推導(dǎo)伺服電機相電流計算公式［14］:

示波器1號探頭監(jiān)測的是對應(yīng)拉床伺服1軸的U相相電流的測量電阻的電壓，圖中的S1.U相即伺服1軸U相電流，2號探頭對應(yīng)的是拉床伺服1軸V相，即S1.V相，3號探頭監(jiān)測的是對應(yīng)拉床伺服2軸的U相相電流的測量電阻的電壓，即S2.U相，4號探頭對應(yīng)的是拉床伺服2軸的V相，即S2.V相。加工負(fù)載力為20 t時的波形圖如圖6所示，經(jīng)過計算，伺服1的相電流為37.71 A，輸出轉(zhuǎn)矩為69.46 N·m，伺服2的相電流為45.26 A，輸出轉(zhuǎn)矩為83.37 N·m。首先從圖6中看出兩個伺服系統(tǒng)的相電流經(jīng)過霍爾傳感器的反應(yīng)波形差別還是比較小的，基本可以看作出力平衡。再從數(shù)據(jù)的值來看，20 t重大負(fù)載力情況下，轉(zhuǎn)矩相差也不大，基本可以表明同步性能較良好。

圖6 負(fù)載力為20 t的波形

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計了電伺服同步驅(qū)動拉床的PLC控制系統(tǒng)，介紹了電伺服同步驅(qū)動拉床的軟件設(shè)計方案，并以雙電機同步驅(qū)動的立式內(nèi)拉床為對象進行了實驗測試。實驗結(jié)果表明拉床同步性能穩(wěn)定，定位精準(zhǔn)，邏輯性嚴(yán)密，能夠做到真正無極調(diào)速運行，完全展現(xiàn)了電伺服驅(qū)動的優(yōu)勢。而且該方案的控制系統(tǒng)開發(fā)簡單，周期短，實現(xiàn)較容易，倘若進口國外同類型拉床價格特別昂貴，因此開發(fā)該類電伺服驅(qū)動拉床是工業(yè)發(fā)展的大勢所趨。同時，該方案采用的雙電機驅(qū)動克服了伺服驅(qū)動功率不足的缺點，更具有市場吸引力。

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