交流伺服系統(tǒng)選型       
     選用三菱HC-SFS502型電機(jī)，它的額定轉(zhuǎn)矩為23.9Nm，******轉(zhuǎn)矩為71.6Nm，功率為5kW，屬中慣量、中功率類(lèi)型電機(jī)。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;  
******轉(zhuǎn)速:3000r/min;  
允許瞬間速度:3450r/min;

l高精度絕對(duì)值光電編碼器:17位編碼器的分辨率為每轉(zhuǎn)217=131072個(gè)脈沖。
l非常齊全的保護(hù)功能:具有過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)載、電機(jī)過(guò)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(guò)大等各種保護(hù)。

PLC及定位單元的選型  

     三菱FX2N-PLC是FX系列中*********的超級(jí)微型PLC，具有高速、高性能的特性:一條基本指令運(yùn)算時(shí)間為0.08μs;一條應(yīng)用指令運(yùn)算時(shí)間約為1.52 ~ 100μs。FX2N-80MR的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均為40點(diǎn)。

    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(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ);
不僅能處理單速定位和中斷定位，而且能進(jìn)行多速運(yùn)行等復(fù)雜的控制;
******可輸出2路200kHz的高速脈沖。
可以不連接PLC而獨(dú)立運(yùn)行，功能非常強(qiáng)大，特別適用于數(shù)控金屬切削機(jī)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(yùn)行。
20GM定位單元的脈沖當(dāng)量(即每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的進(jìn)給量)由設(shè)置軟件設(shè)定，最高設(shè)定可達(dá)到位移1μm / 脈沖或旋轉(zhuǎn)0.001°/ 脈沖，比PLC主機(jī)脈沖高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。
能夠接受“手動(dòng)脈沖發(fā)生器”的信號(hào)，可以在動(dòng)態(tài)時(shí)對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行非常精細(xì)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(hào)，特性如下:
采用磁通矢量控制，能實(shí)現(xiàn)1Hz運(yùn)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(jìn)而控制槍鉆電機(jī)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(jì)算
“電子齒輪”即“指令脈沖倍率”是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)。它的表達(dá)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(jī)型而異，MR-J2S系列為:1/50＜CMX / CDV＜500，具體計(jì)算方法如下:

已知機(jī)械規(guī)格:
滾珠絲桿進(jìn)給量:Pb=8mm;
減速機(jī)減速比:未使用減速機(jī)，n=1;
伺服電機(jī)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(jī)械加工精度，未采用△L=1μm精度);
計(jì)算:

表1 MR-J2S-100A 伺服放大器主要參數(shù)實(shí)際設(shè)定表

定位單元20GM的設(shè)置及PLC編程

     三菱FX2N-20GM(簡(jiǎn)稱(chēng)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(hào)塊組成，用“有向連線”連接，具有形象、直觀、簡(jiǎn)潔、易用的特點(diǎn)。雙擊對(duì)應(yīng)的指令符號(hào)塊即出現(xiàn)“參數(shù)設(shè)置”的形象化對(duì)話框，可以很方便地進(jìn)行操作。(參見(jiàn)圖3)
FX-VPS-E軟件共有三個(gè)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(diǎn)開(kāi)關(guān))、START(啟動(dòng))、STOP(停止)、ZRN(原點(diǎn)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(diǎn)擊相應(yīng)的參數(shù)框，即可驅(qū)動(dòng)定位單元，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。(參見(jiàn)圖2)

參數(shù)設(shè)置窗口  

     該窗口可以對(duì)定位單元的定位參數(shù)(含單位體系、機(jī)械零點(diǎn)、速度等)、1 / O參數(shù)(含編號(hào)、M代碼、手動(dòng)脈沖發(fā)生器、絕對(duì)位置等)和系統(tǒng)參數(shù)(含系統(tǒng)、子任務(wù)等)進(jìn)行形象化設(shè)置。(參見(jiàn)圖4)
定位參數(shù)的單位體系設(shè)置分為三種:單位機(jī)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(gè)大類(lèi)的流程圖符號(hào)用“有向連線”按順序控制的流程連接，非常方便。(參見(jiàn)圖3)
20GM定位單元與PLC主機(jī)通訊程序編制

     在20GM定位單元與PLC主機(jī)之間的通訊數(shù)據(jù)由FROM / TO指令控制。在20GM中有專(zhuān)門(mén)用于通訊的緩沖存儲(chǔ)器BFM，每個(gè)BFM由16個(gè)位(一個(gè)字)組成。BFM編有號(hào)碼，對(duì)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(xiě)"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。

深孔組合鉆床使用TO指令的PLC程序?qū)嵗?
LD   M8000; 特殊輔助繼電器;
TO  K0  K20  K4M100  K1  PLC的M100~M115對(duì)應(yīng)20GM的緩沖存儲(chǔ)器#20;
TO  K0  K21  K4M200  K1  PLC的M200~M215對(duì)應(yīng)20GM的緩沖存儲(chǔ)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(guò)PLC向20GM發(fā)出各種操作命令:
  X軸      Y軸 
Step run(單步運(yùn)行)   M100      M200
Start(啟動(dòng))   M101     M201
Stop(停止) M102    M202
M code off(M代碼關(guān)) M103     M203
Zero return(原點(diǎn)回歸) M104    M204
FWD Jog(正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng))  M105    M205
RVS Jog(反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng))  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?
LD   M8000 特殊輔助繼電器;
FROM  K0  K23  K4M300  K1        20GM的緩沖存儲(chǔ)器#23對(duì)應(yīng)PLC的M300~M315;
FROM  K0  K25  K4M400  K1        20GM的緩沖存儲(chǔ)器#25對(duì)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(duì)應(yīng)的PLC輔助繼電器反映20GM的運(yùn)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(cè))   M302   M402
M code on(M代碼開(kāi))      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(dòng)運(yùn)行)     M307   M407
Zero completed(回零完成)    M308    M408

系統(tǒng)調(diào)試

     現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試系統(tǒng)時(shí)，先用一臺(tái)電腦用軟件檢測(cè)監(jiān)視伺服放大器狀態(tài)，另一臺(tái)電腦用軟件視窗驅(qū)動(dòng)20GM定位單元，同時(shí)觀察伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以驗(yàn)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(kāi)關(guān)按鈕進(jìn)行操作，驗(yàn)證所有程序的正確性。

     我們?cè)O(shè)計(jì)的“機(jī)械零點(diǎn)回歸”控制方案是:伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力頭在返回原點(diǎn)碰到DOG近點(diǎn)開(kāi)關(guān)后，開(kāi)始降速，并繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)一圈后，開(kāi)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(jiàn)圖2)。但在實(shí)際調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)Y軸動(dòng)力頭碰到DOG近點(diǎn)開(kāi)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(jī)定位數(shù)據(jù)與理論計(jì)算有較大出入。經(jīng)過(guò)對(duì)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(wèn)題:因?yàn)榻狱c(diǎn)多而細(xì)密，容易接觸不良，使個(gè)別數(shù)據(jù)線開(kāi)路而無(wú)法正常通訊，造成了上述故障。于是另行購(gòu)置了型號(hào)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(jì)算數(shù)值。這個(gè)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(jiǎn)便，其調(diào)試結(jié)果也令人非常滿意。

結(jié)束語(yǔ)

     從深孔組合鉆床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)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(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。與機(jī)床專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)CNC比，有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì);與傳統(tǒng)的單片計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)相比，有穩(wěn)定可靠、編程靈活的優(yōu)勢(shì)。

     現(xiàn)在數(shù)控金屬切削機(jī)床以及各行各業(yè)的專(zhuān)用機(jī)械，越來(lái)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(jī)械控制的各種類(lèi)型中，如X-Y工作臺(tái)控制、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)控制、進(jìn)給控制、同步給進(jìn)控制、輥道送進(jìn)控制、復(fù)雜軌道運(yùn)動(dòng)控制等等，其具體控制形式表現(xiàn)為:直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、等速軌道控制、高速高精度軌道運(yùn)算、速度切換控制、速度-位置控制、定尺送進(jìn)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(yùn)動(dòng)控制器與交流伺服電機(jī)構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)，以求得技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的******解決方案。