臺(tái)達(dá)自動(dòng)化在大幅面激光切割機(jī)上的應(yīng)用

■山西省運(yùn)城市新絳縣橫橋中學(xué) （043100） 張 勇

臺(tái)達(dá)自動(dòng)化在大幅面激光切割機(jī)上的應(yīng)用

■山西省運(yùn)城市新絳縣橫橋中學(xué) （043100） 張 勇

摘要：本文以龍門(mén)激光切割機(jī)為案例，詳述了如何利用A2伺服獨(dú)有的龍門(mén)同驅(qū)功能，僅以一路脈沖命令作為命令來(lái)源，即可實(shí)現(xiàn)2個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)之間的高精度同步控制方案。

在CNC技術(shù)和激光加工切割新技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬、皮革、廣告雕刻等切割加工領(lǐng)域的今天，采用新型的龍門(mén)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的大幅面機(jī)器，幅面跨度可達(dá)到3m×5m有效的加工行程，使用了安裝在床身側(cè)的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，激光頭縱向位移軸就可以方便的以門(mén)字形結(jié)構(gòu)跨坐在橫向位移導(dǎo)軌上，同時(shí)位移由橫向兩個(gè)伺服馬達(dá)同步位移驅(qū)動(dòng)兩根絲桿來(lái)完成橫向位移。如圖1所示，這樣負(fù)載重量就由2邊導(dǎo)軌和絲桿分開(kāi)承受，很好的解決了大幅面機(jī)械的幅面過(guò)大、機(jī)械剛性不足的問(wèn)題。

解決了上述問(wèn)題后，那怎么樣才能很好的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使兩邊的伺服馬達(dá)能夠保持高精度的位置同步呢？本文就以龍門(mén)激光切割機(jī)為案例，詳述了如何利用A2伺服獨(dú)有的龍門(mén)同驅(qū)功能，僅以一路脈沖命令作為命令來(lái)源，即可實(shí)現(xiàn)2個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)之間的高精度同步控制方案。

1. 臺(tái)達(dá)高精度龍門(mén)同驅(qū)方案

傳統(tǒng)的龍門(mén)同驅(qū)電動(dòng)機(jī)控制，一般都需要上位控制器的配合，需要獨(dú)立的兩路命令通道才能夠控制兩軸同驅(qū)。與傳統(tǒng)龍門(mén)同驅(qū)控制架構(gòu)相比，新的A2控制方式，無(wú)需修改上位控制器的硬件接口設(shè)置和參數(shù)設(shè)計(jì)，只需要改變上位控制器和A2伺服接線，以及設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)即可以實(shí)現(xiàn)雙伺服同驅(qū)功能，這是A2伺服運(yùn)動(dòng)控制的一大特色功能。

2. 龍門(mén)同驅(qū)的控制架構(gòu)和具體接線

（1）控制器選型。龍門(mén)同驅(qū)須使用A2-m/u/l型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器必須具有cn5接口，因?yàn)檫@一個(gè)接口可支持A2驅(qū)動(dòng)器接受除自身編碼器反饋之外的、來(lái)自于另外一顆伺服的第二路編碼器反饋。

（2）控制器架構(gòu)。①上位控制器給軸1的伺服di/do信號(hào)。②上位控制器給軸2的伺服di/do信號(hào)。③上位控制器給兩軸的一路脈沖命令信號(hào)。④軸1pg信號(hào)輸出給軸2的cn5信號(hào)。⑤軸2pg信號(hào)輸出給軸1的cn5信號(hào)（見(jiàn)圖1）。

（3）具體接線如下，以軸1伺服為例（見(jiàn)圖2）。

圖1

3. 方案的實(shí)施

（1）伺服基本參數(shù)設(shè)定-電子齒輪比設(shè)定。當(dāng)接線接好，檢查確認(rèn)無(wú)誤后，即可進(jìn)行伺服參數(shù)的設(shè)置。首先，取消相關(guān)無(wú)用的di，解除報(bào)警信息ale13、ale14、ale15，同時(shí)需要設(shè)定上位控制器對(duì)伺服命令的電子齒輪比參數(shù)，設(shè)定對(duì)正確的電子齒輪比是伺服正確運(yùn)動(dòng)的前提，切記兩軸的電子齒輪比設(shè)定的數(shù)值要保

持一致。

圖2

設(shè)定數(shù)值p1-44電子齒輪比分子，出廠設(shè)定值為128。

設(shè)定數(shù)值p1-45電子齒輪比分母，出廠設(shè)定值為10，即伺服驅(qū)動(dòng)器接到10萬(wàn)pulse，馬達(dá)才運(yùn)轉(zhuǎn)一圈，建議根據(jù)上位控制器發(fā)送脈沖的脈沖能力，以及最高運(yùn)動(dòng)速度，還有絲桿的螺距等因素綜合考慮。

這里舉例假設(shè)為p1-45=1，即10 000pulse，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一圈。公式如下

1 280 000×p1-45÷p1-44=1 280 000×1÷128=10 000 （pulse）

（2）伺服慣量比測(cè)定。伺服慣量比的估測(cè)和伺服增益的調(diào)整，步驟如下：①先將龍門(mén)機(jī)構(gòu)解除，檢查所有的機(jī)構(gòu)及伺服上的設(shè)定，如急停以及左右極限等，確認(rèn)是否正常有效。②將兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器上的面板監(jiān)視調(diào)整為j -l（p0-02=15監(jiān)測(cè)慣量用）。③上位控制器下達(dá)脈波指令，先以慢速來(lái)回移動(dòng)龍門(mén)機(jī)構(gòu)，確定機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)沒(méi)有問(wèn)題，慢慢加快來(lái)回移動(dòng)速度，觀看驅(qū)動(dòng)器上的慣量顯示。④等顯示穩(wěn)定后，將慣量比分別寫(xiě)入到各自控制器的p1-37參數(shù)（當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)不對(duì)稱時(shí)，各自的慣量比有可能不同）。⑤慣量比是伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算基礎(chǔ)，此值務(wù)必正確。

（3）p1-46 pg分周比參數(shù)設(shè)定和p1-72光學(xué)尺閉環(huán)解析度設(shè)定，p1-46為伺服驅(qū)動(dòng)器cn1自身輸出到另一顆同驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的cn5的編碼器反饋值，此數(shù)值大小和前面p1-44、p1-45并無(wú)實(shí)質(zhì)的關(guān)系，為馬達(dá)自身輸出解析。設(shè)定數(shù)值越大，解析越高，越有利龍門(mén)的控制，但是超出一定控制的范圍的話，將影響兩軸間位置誤差計(jì)算的正確性。限制公式為

馬達(dá)轉(zhuǎn)速÷60×p1-46×4 < 8×1 000 000

p 1 - 7 2為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)c n 5應(yīng)該接收到多少數(shù)值。為4倍頻之后的數(shù)值，其數(shù)值為另一顆伺服軸的p 1 -46×4得到的數(shù)值。舉例，如軸1的p1-46=10 000pulse，則軸2的p1-72相應(yīng)等于 p1-72=2 500×4=40 000（pulse）。通常兩個(gè)軸的這兩組參數(shù)要設(shè)定一致！

（4）p1-73光學(xué)尺全閉環(huán)回授位置、馬達(dá)編碼器之間位置誤差過(guò)大的錯(cuò)誤保護(hù)范圍設(shè)定當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器從cn5接收到的另一驅(qū)動(dòng)器數(shù)值與自身編碼器接口cn2反饋來(lái)的數(shù)值差值到該設(shè)定數(shù)值后，驅(qū)動(dòng)器即發(fā)生ale40報(bào)警，在設(shè)定此值時(shí)，務(wù)必考慮實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)所能承受兩軸間的錯(cuò)位誤差，如誤差值設(shè)定超過(guò)實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)所能承受的能力，可能會(huì)損壞機(jī)械系統(tǒng)！

還以上述為例，p1-46= 10 000pulse，p1-72=40 000pulse。p1-73=400pulse，絲桿的螺距為10mm，則兩軸允許的誤差為：

400÷40 000×10=0.1mm，當(dāng)兩軸誤差達(dá)到0.1mm時(shí)，伺服系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息ale40。

需要注意的是這個(gè)值設(shè)定在設(shè)定時(shí)并非越小越好，還要考慮兩軸因?yàn)樨?fù)載情況不可能完全相同，在加速或減速過(guò)程中，產(chǎn)生較大的同步誤差，因此要被考慮，后續(xù)章節(jié)會(huì)描述。

（5）同步設(shè)定檢查。使用a2-sfot軟件示波器功能（見(jiàn)圖3）。①將示波器下方的ch1的adr 及32bit勾選，并在黃格內(nèi)鍵入0x3f9060，此值為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光學(xué)尺cn5的回授脈波量，此變數(shù)為32位元數(shù)值(監(jiān)視同動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)方向)。②將ch2的32bit勾選，并在白色方格內(nèi)選擇“回授位置”，此為馬達(dá)本身回授的脈波量(監(jiān)視連接到示波器之驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)方向)。③命令上位控制器下達(dá)位置命令，使兩顆馬達(dá)同時(shí)移動(dòng)，并觀察pc示波器的變化，訊號(hào)如下圖，ch1與ch2增加量是相反的，如不將cn5的輸入信號(hào)反向，只要龍門(mén)同動(dòng)控制一啟動(dòng)，就會(huì)馬上產(chǎn)生兩軸位置誤差過(guò)大的警報(bào)，若將本機(jī)上的p1-74設(shè)定改為10x，即可將cn5接收到的回授信號(hào)將反相。④如果設(shè)定正確，訊號(hào)會(huì)如同圖3，增加量是同向的（圖中黃色的鋸齒訊號(hào)，屬正常現(xiàn)象，因?yàn)榭刂破鲀?nèi)部，

為避免溢位，執(zhí)行數(shù)值重置的動(dòng)作）。⑤完成后，將示波器接到另一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，察看另一臺(tái)脈波回授相位是否正確。

圖3

試運(yùn)轉(zhuǎn)以及p1-73誤差值的修正：使用A2-sfot軟件增益計(jì)算功能，2臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器先設(shè)定相同的伺服頻寬設(shè)定，以避免兩軸的增益參數(shù)設(shè)定不一致而引起馬達(dá)反應(yīng)速度不同，產(chǎn)生較大的誤差（見(jiàn)圖4）。

圖4

使用A2-sfot軟件示波器功能：設(shè)定適當(dāng)?shù)乃欧l寬后(由小到大調(diào)整)，讓上位控制器下達(dá)位置命令，并透過(guò)PC軟件示波器，觀察兩軸之間的位置誤差及同步情形。如下圖設(shè)定，勾選ch1，ADR及32BIT，并輸入位址0x3f9f98，此數(shù)值為兩軸之間的位置誤差量，單位為PULSE，兩軸間若位置誤差量大過(guò)設(shè)定值P1 -73，則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。所以上位控制器最后給定的加減速指令，必須調(diào)整到伺服在加減速過(guò)程中，能夠滿足0x3f9f98

p1-74龍門(mén)同步功能的開(kāi)啟：當(dāng)上述參數(shù)檢查和設(shè)定完畢后，將參數(shù)p1-74設(shè)定等于2即可實(shí)現(xiàn)龍門(mén)同驅(qū)功能。

p2-57同步增益頻寬的設(shè)定（見(jiàn)圖5）。

圖5

當(dāng)使用中發(fā)現(xiàn)兩軸同步后，跟隨誤差還是較大時(shí)，建議適當(dāng)?shù)脑黾觩2-57的數(shù)值，該數(shù)值為同步控制頻寬，設(shè)定該數(shù)值后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的計(jì)算出p2-54～p2 -58等一系列同步頻寬PID調(diào)節(jié)參數(shù)。此數(shù)值設(shè)定越大，其兩軸同步的效果就越好（見(jiàn)圖6）。

圖6

但是需要注意的是，當(dāng)系統(tǒng)的速度環(huán)頻寬+同動(dòng)控制頻寬>系統(tǒng)自身的允許頻寬時(shí)，機(jī)構(gòu)就會(huì)共振產(chǎn)生嘯叫，因此在調(diào)整同動(dòng)頻寬時(shí)，要由小到大慢慢的調(diào)整。

4. 其他因素對(duì)同步精度影響

對(duì)于下述問(wèn)題是一個(gè)十分有必要討論的問(wèn)題，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題對(duì)同步精度起影響作用，甚至有時(shí)左右到方案的結(jié)果。

（1）2臺(tái)驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有安裝在同一個(gè)金屬層板，導(dǎo)致不能等電位，引起驅(qū)動(dòng)器cn5脈沖受干擾。

實(shí)際證明發(fā)現(xiàn)，有些客戶的驅(qū)動(dòng)器安裝在膠木板上或者將金屬底板噴漆，當(dāng)采用的底線不夠規(guī)格時(shí)，同時(shí)監(jiān)控兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，其中一臺(tái)編碼器回授不增加，但是另一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的3F9060地址位數(shù)值卻不斷變化，顯示有脈沖進(jìn)入，這就是雜訊干擾引起。

解決的方法是：①減少cn5到cn1接線長(zhǎng)度，采用屏蔽雙絞線。②使用金屬底板。③采用正確的接地，或者將兩顆伺服接地端子，使用金屬銅編織帶跨接。

（2）兩軸同步時(shí)機(jī)械使用絲桿和齒輪齒條的效果差異。當(dāng)采用絲桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)械的剛性較高，因此可以獲得較好的同步效果，而使用齒輪齒條時(shí)，需要兩邊齒條嚴(yán)格對(duì)位，這樣對(duì)安裝有了較高的要求，加上齒輪傳動(dòng)的間隙問(wèn)題，所以結(jié)構(gòu)剛性不如絲桿，同步效果也會(huì)差些，但這是機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，伺服電動(dòng)機(jī)在電氣上仍保持高精度的位置同步。

5. 結(jié)語(yǔ)

本案只是A2高解析智能伺服龍門(mén)同驅(qū)功能的一個(gè)典型應(yīng)用。目前A2系列伺服除龍門(mén)同驅(qū)功能外，其他系列機(jī)型還包含有CAN -O P E N總線機(jī)型，全閉環(huán)機(jī)型，以及擴(kuò)展I/O機(jī)型，可以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合和控制需求，相信隨著市場(chǎng)的不斷深入，我們可以為客戶實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高性價(jià)比的伺服運(yùn)動(dòng)控制控制方案。

收稿日期：（20150115）