微加工中心交流伺服定位控制技術

黃菊生 劉軍安 劉玉松

(湖南工程學院機械工程學院，湖南湘潭 411101)

在運動控制系統中，全數字式交流伺服應用越來越多，其發展趨勢是用交流伺服驅動取代傳統的液壓、直流和步進驅動，廣泛應用于激光加工、機器人、數控機床、大規模集成電路制造等。交流伺服一般都有三種控制方式，即位置控制方式、速度控制方式和轉矩控制方式。速度控制和轉矩控制都是用模擬量來控制的，而位置控制是通過發脈沖來控制的，在控制方式上常用脈沖串和方向信號實現?，F代交流伺服在位置控制中的應用越來越廣泛，采用脈沖+方向的方法控制簡單方便，易于用PLC直接控制。本文以高校機電一體化設備微加工中心為例，討論用PLC作控制器，控制松下交流伺服控制系統的控制接口、參數設置及位置定位控制技術［1］。

1 微加工中心的組成

在臥式微加工中心中，主軸水平進給，加工工件的垂直面，無機械手圓盤形刀庫的旋轉軸與主軸平行，通過刀庫的移動將刀具送到主軸上換刀，其組成如圖1所示。兩軸定位模塊20 GM控制X軸、Z軸步進電動機實現兩軸聯動作直線或圓弧插補加工;單軸定位模塊1 PG和液壓驅動系統控制刀庫移動及旋轉實現選刀換刀;Y軸由交流伺服電動機驅動，拖動主軸整體前后移動完成點動對刀、進給加工等工作。此外還有C軸旋轉工作臺、主軸變頻器及主軸電動機。

在微加工中心的控制中，需要各部件有機配合、準確定位，其中Y軸伺服的定位控制更是系統安全高效工作的保證。如在兩軸聯動自動加工中，需要控制Y軸伺服前后移動對刀及進退刀操作;在自動換刀操作中，需要Y軸伺服自動回原位、前進/后退配合完成換取刀具，不發生機械碰撞。系統中Y軸伺服采用了松下MINAS A系列伺服控制，它由交流伺服驅動器MSMA042A1G、小慣量交流伺服電動機MSDA043A1A及反饋電動機速度及位置的高精度旋轉編碼器組成。該編碼器為增量式旋轉編碼器，每轉脈沖數為2 500 P/r，分辨率為10 000，引出線為11線，可以輸出 A、B、Z三組方波脈沖。

2 位置伺服控制接口

伺服驅動器參數設置為位置控制模式、脈沖/方向方式時，其控制信號CN I/F的接線如圖2所示。

3(PULS1)、4(PULS2)為脈沖信號輸入端子，驅動器內部為高速光電耦合器接收此信號。其中PULS1為光電耦合器發光二極管的直流電源正極，接外部直流電源最大24 V、10 mA。PULS1接24 V+，需外部串接2 kΩ左右的限流電阻(內部電阻220 Ω)，PULS2接PLC的脈沖輸出端Y1。

5(SIGN1)、6(SIGN2)為方向信號輸入端子，內部電路與脈沖信號輸入端子PULS一樣為高速光電耦合器。SIGN1接24 V+，SIGN2接PLC的方向信號輸出端Y3，同樣需串接2 kΩ左右的限流電阻。

29(SRV－0N)為伺服使能信號，接PLC的伺服使能信號輸出端Y4。SRV－ON在驅動器接通電源后2 s鐘起有效。當Y4=1，伺服使能信號有效，伺服電動機可以接收脈沖信號運轉。

7(COM+)為控制信號電源(+)，接外部電源直流24 V+。41(COM－)為控制信號電源(－)，接外部電源直流24 V－。COM+、COM－連接的24VDC為伺服驅動器控制信號提供電源。

8(CWL)為CW驅動禁止輸入，是CW極限開關，外接常閉型接近開關傳感器，用于順時針方向超限位控制。9(CCWL)為CCW驅動禁止輸入，是CCW極限開關，外接常閉型接近開關，用于反時針方向超限位控制。

Y1、Y3、Y4的公共端COM1和COM2與伺服驅動器的控制信號公共端41(COM－)連接在一起，構成控制信號回路。以上信號線連接好后，伺服電動機即可根據PLC輸出的脈沖/方向信號運轉。其它信號端子，如伺服報警、偏差計數清零、定位完成等可根據系統要求接入控制器，構成更完善的控制系統。

3 伺服驅動器參數設置

松下A系列驅動器參數設置項目很多，針對位置控制的參數設置有功能選擇參數00～0F、位置控制參數40～4F，其它參數是為速度控制、轉矩控制、全閉環等設置的。位置控制的參數中，大多可以直接用默認值，本系統用的MSDA043A1A驅動器需要設置的主要參數如下。

Pr02為控制模式選擇，設置值Pr02=0，選擇位置控制模式。

Pr04為行程限位信號輸入有效選擇，設置值Pr04=0，確定為限位開關輸入有效。系統交流伺服Y軸用接近開關設置有兩個極限限位開關，一個正極限(或稱前極限)設置為正轉CW的極限限位，另一個負極限(或稱后極限)為反轉CCW的極限限位，都要求用常閉型。當擋塊移動到極限開關處，斷開常閉觸點，由驅動器控制自動停止伺服電動機，避免設備超限損壞。

Pr42為指令脈沖輸入方式選擇，設置值Pr42=3，選擇單脈沖輸入方式，即脈沖+方向控制(PULS+SIGN或稱CP+DIR)。選定3(PULS1)、4(PULS2)為脈沖輸入端子，5(SIGN1)、6(SIGN2)為方向信號輸入端子。

Pr43為指令脈沖禁止輸入無效，設置值Pr43=1，使指令脈沖可以輸入，電動機可以運轉。

這些參數設置好后，Y軸伺服系統就能夠正常用于位置伺服驅動控制。

4 伺服驅動控制

Y軸交流伺服驅動系統的控制包括點動、回原位及位置定位控制。點動控制完成加工前的對刀操作、系統的調試調整，回原位控制用于確定Y軸的工作起始點;位置定位控制用于在自動控制操作中(如自動加工，自動換刀)Y軸前進/后退或進退刀距離的準確定位。

4.1 自動回原位控制

以自動換刀過程為例，換刀動作依次為:Y軸和刀庫回原位→Y軸后退→刀庫前進→主軸松刀→Y軸后退→刀庫旋轉選刀→Y軸前進→主軸夾刀→刀庫后退→Y軸前進，換刀后進入工件加工控制。每次換刀都需要Y軸回原位，以原點作為換刀時Y軸的起點，以保證后續動作位置的準確［2］。

一般20 GM、1 PG等定位模塊都有原位開關(DOG)的輸入接口、回原位操作的設置和控制功能，不需要控制器PLC為回原位設計專門程序，只要發一條回原位的指令即可，回原位過程全部由定位模塊控制完成。雖然MSDA043A1A伺服驅動器有前后極限信號的輸入接口和控制功能，但沒有原位信號的輸入接口及回原位的控制功能，原位開關只能接到PLC的輸入端，由PLC控制回原位?；卦徊僮鞯腜LC程序設計成與20 GM、1 PG等定位單元控制回原位的操作那樣，按Y軸回原位前起始位置的不同設計不同的回原位程序。為此，Y軸設置了三個限位接近開關，分別是Y軸前極限(常閉型)、Y軸后極限(常閉型)、Y軸原位(常開型)，分別接在 PLC輸入端的 X10、X11、X12。由圖2可知，前極限、后極限同時也接到了伺服驅動器的8(CWL)、9(CCWL)，用伺服驅動器進行自動極限限位保護。

按回原位前起始位置點的不同，Y軸回原位的運動軌跡有兩種時序。

(1)起始點在原位開關與前極限開關之間時，回原位過程是:①Y軸后退，后退到常開型原位開關X12由OFF變為ON(前端);②Y軸降速到爬行速度繼續后退，到原位開關X12由ON變為OFF(后端)，停下。

(2)起始點位于原位開關與后極限位置之間時，回原位的過程是:①Y軸后退，后退到常閉型后極限開關X11由ON變為OFF;②Y軸前進，到原位開關X12由ON變為OFF(前端);③Y軸降速到爬行速度后退，到X12由ON變為OFF(后端)，停下。

無論Y軸起始位置在哪，經過回原位操作后，Y軸的位置都會準確地在原點位置的同一點處，其回原位的順序功能圖如圖3所示。初始步S2在選擇手動Y軸或者選擇自動啟動條件下驅動，通過按手動回原位按鈕X4或者在自動控制中用指令回原位驅動M240，啟動自動回原位操作，回原位后將已回到原位標志M242 置 1，作為自動控制程序繼續運行的條件［3，4］。

4.2 Y軸驅動

Y軸驅動就是對脈沖信號Y1、方向信號Y3、伺服使能信號Y4的控制，控制Y軸前進或后退。Y軸伺服驅動占用PLC三個輸出點，即Y1接驅動器的脈沖信號輸入端4，控制輸出脈沖;Y3接方向信號控制端6，控制伺服電動機的正/反轉，作Y軸進退控制;Y4接伺服使能信號端29，控制伺服驅動有效。在Y4得電的情況下，Y軸伺服驅動有效，它由啟動按鈕驅動定時器T1定時2 s后始終有效，如圖4所示。

微加工中心的操作設計有多種工作方式，用選擇開關選擇手動/自動工作方式，選擇當前要點動調整的Y軸。手動時，通過正向按鈕X2、反向按鈕X3進行自動加工前的點動對刀操作，用回原位按鈕X4驅動回原位操作;在自動控制時，用程序指令驅動M240使Y軸回原位。此外，自動控制程序中常需要Y軸進行多次設定移動量的前進/后退、進刀/退刀等定位操作。前進/后退的距離通過PLC的高速脈沖輸出指令PL-SY控制，向Y軸輸出指定數量的脈沖實現。Y軸伺服電動機的脈沖當量為0.001 6 mm，每接受2 500個脈沖帶動絲杠旋轉一周，使Y軸走4 mm。

圖4是將點動、回原位、位置定位控制三項控制功能綜合在一起的PLC梯形圖，其中，回原位與定位控制的設計方法相似，都是要驅動Y軸前進或者后退。Y軸前進/后退控制用到了32位脈沖輸出指令“DPLSY D102 D100 Y001”，其功能是以通用數據寄存器D102的值為脈沖頻率，從PLC的輸出端Y1輸出D100個脈沖。Y軸的移動距離由輸出的脈沖數決定，用D100乘以脈沖當量0.001 6 mm得到。Y軸前進時，程序驅動M243=1、M244=1(回原位時，驅動M220=1，M225=1);Y軸后退時，程序驅動 M243=1、M244=0(回原位時，驅動M220=1，M225=0)。無論前進或后退，M243(M220)始終為1，用于驅動Y軸移動，而Y軸移動的方向則是用M244(M225)來控制，為1前進，為0后退。Y軸每次的移動量和移動速度在驅動前用DMOV指令賦值。指令如下:

當指定脈沖數寄存器D100為0時，則持續產生脈沖，在點動正向/反向、回原位控制中就是這樣，持續不斷地從Y1輸出脈沖，直到松開點動按鈕或碰到限位開關為止。在Y軸定位過程中，PLC通過監視專用數據寄存器D8142，用比較指令“DCMP D100 D8142

M10”判斷定位是否結束。專用數據寄存器D8142中存放著已從Y1輸出的脈沖數，當D8142中記錄的已輸出脈沖數等于設定的脈沖數D100時，表示定位結束，則比較結果M11接通。然后，在自動控制程序中用M11驅動程序進行下一步操作。每次定位前都要對D8142清零一次，用脈沖執行型指令DMOVP，以確保D8142在連續計數過程中不會被清0。

5 結語

交流伺服控制系統由于采用了帶高精度的旋轉編碼器構成閉環控制系統，其控制精度高，使微加工中心自動加工、自動換刀等控制操作得到了很好的保證。MINAS A系列交流伺服電動機驅動器通過參數設置，除了能應用于高精度位置控制，還能用于速度控制和轉矩控制，構成全方位的伺服控制系統，具有廣泛的實際應用前景。雖然驅動器本身缺乏1 PG等定位模塊那樣完善的點動(JOG)、回原位(DOG)等控制功能，但可以通過控制器強大的順序控制功能來共同實現，這也是在運動控制系統設計中常采用的一種設計方法。

1 廖常初.FX系列PLC編程及應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

2 黃菊生，吳晨曦，劉軍安.微加工中心刀庫定位控制技術［J］.制造技術與機床，2009，(4):25 ～28

3 潘紅斌，曹志照.交流伺服系統在演示系統中的應用［J］.機械制造與自動化，2006，35(1):83 ～85

4 柴曉飛，郭文.沖床自動送料控制系統的設計［J］.工業控制計算機，2007，20(3):76 ～77