基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的交流同步伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在伺服刀架上的應(yīng)用

□ 楊文博 □ 曹奕剛

1．上海開(kāi)通數(shù)控有限公司 上海 200233

2．上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062

轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控機(jī)床的核心部件,隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,由液壓轉(zhuǎn)塔刀架、編碼器反饋的電動(dòng)轉(zhuǎn)塔刀架發(fā)展至今天的伺服控制轉(zhuǎn)塔刀架。伺服控制轉(zhuǎn)塔刀架的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)位速度快、轉(zhuǎn)位精度高、穩(wěn)定性好。伺服控制轉(zhuǎn)塔刀架是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)的首選設(shè)備，其核心控制技術(shù)是伺服刀架的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的伺服刀架控制系統(tǒng)由人機(jī)界面+數(shù)控系統(tǒng)+可編程邏輯控制器PLC+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電動(dòng)機(jī)組成（見(jiàn)圖1原方案一和原方案二）。

傳統(tǒng)的刀架控制系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)成本高、接線繁瑣、抗干擾能力弱、可靠性差等缺點(diǎn)，已逐漸不能適應(yīng)先進(jìn)裝備制造業(yè)快速發(fā)展的要求。而基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服刀架專用驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以很好地解決這一系列的問(wèn)題，將刀架控制所需的邏輯控制功能在系統(tǒng)中集成，大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的集成性、可靠性、維護(hù)性和抗干擾能力。在KT系列伺服驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服刀架專用交流同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)（見(jiàn)圖1新方案）。

1 開(kāi)放式結(jié)構(gòu)伺服刀架控制系統(tǒng)介紹

▲圖1 方案比較

▲圖2 伺服刀架專用驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖

基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服刀架專用交流同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)開(kāi)放、軟件功能集成、外部模塊可以擴(kuò)展、強(qiáng)大的實(shí)時(shí)通信功能、豐富靈活的編程語(yǔ)言等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。

整個(gè)系統(tǒng)由輸入輸出信號(hào)模塊、邏輯控制單元、位置控制單元、交流永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，具體組成如圖2所示。

1．1 系統(tǒng)特性

（1） 功率范圍 0．4～2．2kW，最高轉(zhuǎn)速 3000r/min，電動(dòng)機(jī)定位精度1/10000轉(zhuǎn)，調(diào)速比1∶5000。

（2）具有回原點(diǎn)（零點(diǎn)）功能，可設(shè)置上電自動(dòng)、外部控制2種回原點(diǎn)模式，原點(diǎn)偏移可通過(guò)參數(shù)設(shè)置。

（3）具有多種轉(zhuǎn)位控制方式：自動(dòng)最短路徑定位、自動(dòng)單方向定位、點(diǎn)動(dòng)定位控制模式。

（4）4～16檔位任意可選，高低定位速度可以任意設(shè)定，具有自動(dòng)加減速功能。

（5）具有刀架專用機(jī)械減速比設(shè)置參數(shù)，可以配合多種刀架機(jī)械減速裝置。

（6）標(biāo)配8輸入、4輸出接口，通過(guò)擴(kuò)展模塊可再增加8輸入、4輸出接口。

（7）具有完善的保護(hù)功能（有過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、位置超差、編碼器信號(hào)異常等多種報(bào)警保護(hù)）。

（8）具有RS485通信接口 （符合MODBUS-RTU通信協(xié)議），通過(guò)與上位機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)伺服控制、參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控等多種通信功能。

（9）最大行程為-10000轉(zhuǎn)～10000轉(zhuǎn)。

1．2 輸入信號(hào)

（1）具有4個(gè)刀架位置選擇輸入信號(hào)，可以最多選擇16個(gè)刀架位置，在選擇了刀架位置后，配合ST1啟動(dòng)輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)選刀操作，見(jiàn)表1。

表1 刀架選擇輸入信號(hào)

（2）具有MD0、MD1模式選擇輸入信號(hào)，可以靈活地選擇不同的刀架控制模式和工作工藝，具體操作見(jiàn)表2。

在碎片化學(xué)習(xí)的時(shí)代，學(xué)習(xí)者必須突破淺層學(xué)習(xí)的局限，以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。碎片化學(xué)習(xí)中信息的片段化拾取往往是零碎的甚至閑散的，這樣的信息獲取往往缺乏對(duì)內(nèi)容的深入思考，不能建立信息的廣泛聯(lián)系，學(xué)習(xí)僅僅停留在淺層面，不易進(jìn)行學(xué)習(xí)的推理。如果學(xué)習(xí)只能停留在這種無(wú)組織、孤立的知識(shí)片段層面，也就難以超越碎片化導(dǎo)致的淺層學(xué)習(xí)局限。超越碎片化實(shí)現(xiàn)深層學(xué)習(xí)，是探索解決碎片化問(wèn)題的要義。

表2 控制模式選擇輸入信號(hào)

輸入信號(hào)可以由外部擴(kuò)展模塊擴(kuò)展，這樣控制程序可以根據(jù)外部擴(kuò)展的輸入信號(hào)使刀位數(shù)得以擴(kuò)展，可以方便地適用于不同工位的刀架。

1．3 輸出信號(hào)

系統(tǒng)具有4個(gè)（PS0—PS3）刀架位置輸出信號(hào)，可以表明當(dāng)前的刀架位置，便于位置顯示和控制，見(jiàn)表3。

表3 刀架位置輸出信號(hào)

1．4 正常運(yùn)行模式

（1）自動(dòng)就近運(yùn)行模式，在伺服刀架控制器收到啟動(dòng)信號(hào)（ST1）后，根據(jù)位置選擇信號(hào) （DI3～DI0），刀架按照最短路徑運(yùn)行到達(dá)指定工位。

（2）自動(dòng)單方向運(yùn)行模式，在伺服刀架控制器收到啟動(dòng)信號(hào)（ST1）后，根據(jù)位置選擇信號(hào)（DI3～DI0），刀架按照方向信號(hào)開(kāi)關(guān)選擇的方向路徑運(yùn)行到達(dá)指定工位。

（3）單方向點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行模式，在伺服刀架控制器收到啟動(dòng)信號(hào)（ST1）后，刀架按照方向信號(hào)開(kāi)關(guān)選擇的方向路徑運(yùn)行到下一個(gè)指定工位。

（4）回原點(diǎn)（零點(diǎn)）運(yùn)行模式，上電自動(dòng)找到這個(gè)系統(tǒng)起始位置。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 可編程輸入、輸出接口（可以擴(kuò)展）

可編程單元有8個(gè)可編程多功能輸入信號(hào)和4個(gè)可編程多功能輸出信號(hào)，每一個(gè)輸入與輸出信號(hào)都可以根據(jù)參數(shù)設(shè)置來(lái)選定其功能。同時(shí)每一個(gè)輸入與輸出信號(hào)的有效信號(hào)（高電平、低電平、上升沿、下降沿）都可以根據(jù)用戶的需要來(lái)設(shè)置，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性，為用戶的操作提供了極大的便利，也提高了系統(tǒng)對(duì)于不同外圍硬件的適應(yīng)性。

2．2 系統(tǒng)編程

可以通過(guò)計(jì)算機(jī)專用編程軟件進(jìn)行編程 （界面如圖3所示），若采用靈活的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接位置編程模式，只需輸入目標(biāo)位置的坐標(biāo)和運(yùn)行速度，即可完成一步點(diǎn)到點(diǎn)的位置編程。同時(shí)可以在位置指令間插入PLC（可編程邏輯控制）指令，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制的完美結(jié)合。在完成指令編程后，可以通過(guò)指令編譯、目標(biāo)連接，形成可執(zhí)行代碼，并通過(guò)RS485通信接口下載到控制系統(tǒng)中。

▲圖3 軟件編程界面

2．3 指令系統(tǒng)

2．4 中斷優(yōu)先控制

整個(gè)可編程單元有16級(jí)不同優(yōu)先級(jí)別的中斷，每一級(jí)中斷可以由任何一個(gè)輸入信號(hào)來(lái)觸發(fā)，這樣保證了系統(tǒng)中斷的靈活性，也使用戶的編程有了更多的選擇，為實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能提供了強(qiáng)有力的保證。

2．5 通信功能

整個(gè)系統(tǒng)還提供了RS485通信接口,嚴(yán)格遵循Modbus-RTU通信協(xié)議，可以通過(guò)由上海開(kāi)通數(shù)控有限公司開(kāi)發(fā)的基于PC的軟件來(lái)監(jiān)控被控對(duì)象的運(yùn)行工作狀態(tài)，整個(gè)通信系統(tǒng)還可以連成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的聯(lián)控與群控。

2．6 伺服刀架控制功能程序設(shè)計(jì)

考慮到伺服刀架的運(yùn)行工藝，在編程時(shí)將整個(gè)程序分成初始化模塊、主循環(huán)模塊與中斷響應(yīng)程序模塊。

在初始化模塊中，主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一些配置，然后進(jìn)行系統(tǒng)回原點(diǎn)操作。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所帶的電機(jī)是增量式光電編碼器，所以整個(gè)系統(tǒng)在初始上電的過(guò)程中，必須進(jìn)行回原點(diǎn)操作，找到系統(tǒng)的初始定位原點(diǎn)。

主循環(huán)程序模塊又可分成多個(gè)子程序模塊，根據(jù)不同的輸入信號(hào)來(lái)調(diào)用不同的子程序，以完成不同的伺服刀架的控制動(dòng)作。

主循環(huán)程序中，程序不斷地掃描系統(tǒng)的輸入信號(hào)，一旦收到輸入信號(hào)后，程序就調(diào)用對(duì)應(yīng)功能的子程序，然后將對(duì)應(yīng)的數(shù)控子程序放在后臺(tái)運(yùn)行，主程序繼續(xù)執(zhí)行對(duì)輸入信號(hào)的掃描，這樣可以保證系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)最大的實(shí)時(shí)掃描性。

在中斷響應(yīng)程序模塊中，主要是處理刀架的位置控制功能、粗定位和精定位功能以及系統(tǒng)保護(hù)功能，系統(tǒng)程序主框圖如圖4所示。

3 應(yīng)用結(jié)果

▲圖5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服刀架專用交流同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中比傳統(tǒng)的刀架控制效率明顯提升，可靠性也有了顯著提高，功能更完善，保護(hù)措施也進(jìn)一步提高，完全達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平（圖5為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況）。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)器在工業(yè)控制與自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服刀架專用交流同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在一些集成度要求較高的工控領(lǐng)域，完全可以替代中小型的PLC和簡(jiǎn)易數(shù)控，取得更為經(jīng)濟(jì)有效實(shí)用的控制效果。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，基于開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的伺服刀架專用交流同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)必定會(huì)在不同的工控與自動(dòng)化領(lǐng)域取得更為廣泛的應(yīng)用，取得更為顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 楊文博，方杰，郁敏杰．開(kāi)放式結(jié)構(gòu)交流同步伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)在單軸機(jī)器人、機(jī)械臂上的應(yīng)用［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2013（9）．

［2］ 楊文博，郁敏杰，項(xiàng)恩畢．可編程交流同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)門(mén)機(jī)上的應(yīng)用［J］．伺服與運(yùn)動(dòng)控制，2008（4）．

［3］ 阮毅．運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2006．