楊宇峰

（沈陽機床股份有限公司，沈陽110142）

0 引言

伺服刀架是數(shù)控機床的重要組成部分，它可使數(shù)控機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間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機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)動系統(tǒng)價格的降低，越來越多的數(shù)控車床選擇配置伺服數(shù)控刀架[1]。此款伺服數(shù)控刀架采用絕對值伺服電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)位，上電無需回零，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)時間[2]。本文根據(jù)伺服數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位控制過程和控制系統(tǒng)的控制功能編輯梯形圖，實現(xiàn)控制系統(tǒng)對刀架的有效控制，最后對控制系統(tǒng)進行了測試和控制參數(shù)的優(yōu)化，提高了伺服數(shù)控刀架的運轉(zhuǎn)性能。

1 電氣接線圖及參數(shù)調(diào)整說明

該刀架采用臺達(dá)A2系列伺服驅(qū)動器，搭配750 W絕對式伺服驅(qū)動器及絕對式電動機。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，不會因斷電后電動機軸心被轉(zhuǎn)動而無法得知電動機真實位置。伺服數(shù)控刀架通過伺服驅(qū)動器的分度功能實現(xiàn)轉(zhuǎn)位，伺服驅(qū)動器提供了8組輸入和5組輸出[3]，轉(zhuǎn)位過程由驅(qū)動器的DI/DO信號控制，下面具體介紹伺服數(shù)控刀架轉(zhuǎn)位的控制過程。

表1 DI/DO定義

圖1 伺服部分接線圖

DI/DO信號定義如表1所示。

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

DO1～DO5以二進制組合形式輸出刀位和報警信息。當(dāng)主回路電源與控制電源接入到伺服驅(qū)動器，但絕對坐標(biāo)位置未初始化，即未確認(rèn)一工位時，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。刀盤轉(zhuǎn)動過程中，DO3為1，其他DO為0。刀盤旋轉(zhuǎn)到位后，顯示其相對應(yīng)的工位號（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)生報警時，DO1～DO5全部為0。

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

表2 參數(shù)調(diào)整說明（主要部分）

2 設(shè)定與動作說明

通過手動或軟件設(shè)定伺服驅(qū)動器內(nèi)部參數(shù)，定義伺服電動機的控制模式、驅(qū)動模式、電子齒輪比、原點回歸偏移量、加減速時間、輸入輸出定義等參數(shù)。設(shè)定完成后需要進行運轉(zhuǎn)測試和控制參數(shù)的優(yōu)化，使刀架的運轉(zhuǎn)更加高效可靠[8]。固定好刀架，連接好驅(qū)動器和電動機后，即可對刀架進行測試和控制參數(shù)的優(yōu)化，具體方法如下：

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

2）消除報警。伺服驅(qū)動器上電后，檢查驅(qū)動器是否有AL011編碼器異常報警。如果有AL011報警，檢查編碼器線與伺服驅(qū)動器CN2、電動機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，更換后再進行絕對坐標(biāo)初始化設(shè)定。

3）伺服驅(qū)動器初始坐標(biāo)設(shè)定。伺服刀架電動機的坐標(biāo)需要與機械位置吻合，在伺服驅(qū)動器與伺服電動機第一次上電時需要設(shè)定初始坐標(biāo)，即一工位確認(rèn)。否則會出現(xiàn)驅(qū)動器輸出刀號與實際刀號不符的情況，或伺服驅(qū)動器因坐標(biāo)系統(tǒng)尚未被建立而顯示AL06A報警，該警告會在坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)定后才會消失。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）刀架試運轉(zhuǎn)。在手動模式下進行刀架試運轉(zhuǎn)，檢查伺服刀架換刀動作是否正常，并通過示波器監(jiān)測電動機平均負(fù)載率，檢測電動機負(fù)載能力能否滿足刀架的運轉(zhuǎn)要求。如果刀架不轉(zhuǎn)，驅(qū)動器顯示AL009位置誤差過大報警，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)過程中停止，驅(qū)動器顯示AL006過負(fù)載報警，檢查是否由于刀架機械部分阻力過大，導(dǎo)致在刀架旋轉(zhuǎn)過程中電動機外部負(fù)載長時間超過電動機額定負(fù)載[12-13]。

5）控制參數(shù)優(yōu)化。換刀動作實現(xiàn)后，需要對伺服驅(qū)動器的參數(shù)進行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，可使用ASDA_soft軟件提供的高速實時性的監(jiān)控示波器工具提取和分析各項實時信息，對電動機的運行進行更確切的調(diào)整。對控制參數(shù)的優(yōu)化主要是對位置控制回路增益的調(diào)整。提高位置控制回路增益，能夠提升電動機對位置命令的追隨性。使電動機的運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)動器不開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。未對增益進行調(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，此時刀架啟動停止較為緩慢，定位時間較長[14-15]。逐漸增加位置控制回路增益，觀察刀架運轉(zhuǎn)情況和命令位置，回授位置曲線，直至刀架轉(zhuǎn)位啟動停止迅速，沒有過沖，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。此時位置回路增益為P2-00=117，P2-04=488。若繼續(xù)增大位置回路增益，會導(dǎo)致電動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動及噪聲，損害電動機。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

通過波形圖可以觀察出調(diào)整增益后提高了伺服電動機的響應(yīng)性，減小了電動機運轉(zhuǎn)過程中的位置誤差，改善了刀架的運轉(zhuǎn)性能。

圖4 自動增益調(diào)整

臺達(dá)ASDA-A2系列伺服驅(qū)動器軟件中有自動增益調(diào)整功能。通過設(shè)定負(fù)載/馬達(dá)慣量比，計算出相關(guān)參數(shù)，如圖4所示。

3 結(jié)論

通過臺達(dá)ASDA-A2絕對式伺服驅(qū)動器的內(nèi)部Pr模式，能實現(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)時間。由于只應(yīng)用到簡單的位置定位，不需要脈沖定位模塊，所以在性價比上具有優(yōu)勢。此款伺服數(shù)控刀架已經(jīng)得到客戶的認(rèn)可。