鏜 銑床進給軸速度給定系統研究

山西 百一機械設備制造有限公司（太原 030003）張晉宏

1.問題的提出

許多鏜銑床進給軸，進刀量可以通過電控系統進行寬廣的調節。這要求驅動該進給軸的電動機的調速比非常寬廣，一般都在400∶1以上，很多場合要求1000∶1以上甚至更高。這就對速度給定系統提出了苛刻的要求。通常伺服驅動器的模擬速度給定形式為0～10 V直流電壓或4～20 mA直流電流。采用電壓給定形式時，低速時速度給定電壓為毫伏級。如何精確給出一個速度給定信號，實際上是一個復雜問題。

舉一個工程實際例子來具體說明：某落地鏜銑床，某進給軸的驅動電動機最高轉速要求為1666r/min，電動機每轉的進刀量為1.5 mm/r，驅動器的速度給定范圍為DC 0～10 V。工藝要求的速度擋位、進給量、電動機速度、伺服系統的速度給定電壓要求如附表左半部分所示。

如圖1所示，將一個帶刻度指示盤的多圈電位器接在驅動器的速度給定通道上，是無法實現工藝要求的。

2.解決方案

（1）采用模擬有級電位器：如圖2所示接線，將32擋的有級電位器每個電阻的一端各引出一根導線，分別焊到電位器的32個靜觸點上，動觸點端接驅動器的速度給定端子。當電位器手柄旋轉時，帶動動觸點在各個靜觸點上滑動，給出相應的速度給定電壓。

工藝參數表

手柄停留在第N擋上，相應的速度給定電壓為

這32個電阻的阻值符合下列關系

（2）采用PLC數模轉換模塊：如圖3所示，采用一個32位的數字波段開關，將32級速度信號編碼為5位二進制代碼，然后傳送給PLC I/O模塊。PLC內部程序對速度編碼進行譯碼，將對應的速度值寫入D/A轉換模塊。D/A模塊轉換出相應的模擬電壓，再經雙絞屏蔽線送給驅動器速度給定端子。

實際應用中，例如PLC主機選用OMRONCQ M1H，D/A模塊選用OMRON CQM1－DA021，其轉換精度為11位，分辨率為1/2048，最小分辨電壓為4.88mV。

PLC程序根據編碼開關傳來的5位二進制碼，將一個十六進制數寫入CQM1－DA021的地址。CQM1－DA021輸入十六進制數與輸出模擬電壓之間的關系曲線如圖4所示。數字波段開關的5位二進制碼與CQM1－DA021的十六進制數寫入值以及與相應的速度擋位之間的關系如附表中間部分所示。

圖1 將多圈電位器接在驅動器速度給定通道上

圖2 模擬有級電位器解決方案

圖3 PLC D/A轉換模塊解決方案

圖4 CQM1－DA021 D/A轉換模塊輸入、輸出關系曲線

（3）采用工業現場總線：這是最精確的解決寬調速系統的速度給定問題的方法：仍然采用數字波段開關將速度指令傳入PLC，將PLC和驅動器用工業現場總線連接起來，如圖5所示。PLC程序對速度指令進行譯碼后，將相應的速度給定值通過工業現場總線直接傳送給驅動器。由于整個過程都是數字式的，這就從根本上消除了干擾。

實際應用中，比如PLC選用西門子S7－3152DP，伺服驅動器選用西門子SIMODRIVE 611U，將S7-3152DP和SIMODRIVE 611U用FROFIBUS－DP網絡連接起來。在FROFIBUS－DP網絡中，若速度給定由單字（NSOLL_A）給出，分辨率為1/16384；若速度給定由雙字（NSOLL_B）給出，分辨率可以達到1/1073741824，是沒有誤差的。SIMODRIVE 611U的參數P880用來定義速度標準值，即速度給定字最大值時的轉速。本例中，P880=1666。

PLC調用子程序SFC15（“DPWR_DAT”），根據數字波段開關傳來的速度代碼，譯碼后相應地將一個十六進制數通過FROFIBUS-DP網絡寫入FROFIBUS－DP從站SIMODRIVE 611U的速度給定字NSOLL_A或NSOLL_B中。速度給定字與電動機轉速之間的關系曲線如圖6所示。

圖5 工業現場總線解決方案

圖6 FROFIBUS-DP網絡速度給定輸入、輸出關系曲線

若速度給定由單字（NSOLL_A）給出，則數字波段開關的5位二進制碼與速度給定字的十六進制數寫入值以及相應的電動機轉速之間的關系如附表右半部分所示。

3.結語

解決鏜銑床進給軸寬調速比驅動器的速度給定問題，采用直接連接模擬電位器的方法是不能滿足要求的。模擬有級電位器結構復雜，原理簡單，結實耐用，由于電阻本身存在誤差，速度給定的誤差程度取決于電阻的精度。采用PLC數模轉換模塊的方法，由于PLC D/A轉換模塊有最小分辨率的限制，在實現低速要求的速度給定電壓時，存在一些誤差。采用工業現場總線的方法可以從本質上消除信號的誤差和干擾。在上述實際應用中，若速度給定由單字（NSOLL_A）給出，分辨率為1/16384。若速度給定由雙字（NSOLL_B）給出，分辨率可以達到1/1073741824，是沒有誤差的。實際應用時，應根據調速系統的精度要求選用適合的速度給定形式。

[1]ORMRON公司.ORMRON CQM1H系列、CQM1H內插板操作手冊.1999.

[2]ORMRON公司.ORMRON CQM1H系列、CQM1H內插板編程手冊.1999.

[3]ORMRON 公司.ORMRON SYSMAC CQM1系列專用I/O單元操作手冊.1998.

[4]西門子公司.SIMODRIVE 611 universal SIMODRIVE 611 universal E Control Components for Closed-Loop Spssd Control and Positioning Description of Functions.

[5]羅紅福，胡斌等.FROFIBUS-DP現場總線工程應用實例解析[M].北京：中國電力出版社.2008.

[6]陳先鋒.伺服控制技術自學手冊[M].北京：人民郵電出版社.2010.