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多轴控制器在鱼尾切沟机的应用应用

多轴控制器在鱼尾切沟机的应用应用

2007/11/28 10:55:00
摘要: 以多轴控制器在鱼尾切沟机的应用介绍了多轴控制器在切槽设备的应用,介绍了CAN总线控制方式的优点,以及伺服电机对于步进电机性能的改进。 关键字: 伺服电机、总线系统、稳定性、Elmo Abstract: The application of multi-axis controller on the CNC aiguille machine is informed. The advantage of CAN control and the betterment of Servo motor is introduced. Keyword: AC servo、Net work control、stability、Elmo 一、鱼尾切沟机介绍 鱼尾切沟机是一类精密的产业机械(图1),生产钻针和铣刀,用于精密PCB和BGA要求高精度,要求高精度以及低速度下的稳定性。X 、Y 、Z三轴是用作加工 Z轴为旋转轴,刀料夹在Z轴做旋转, X、Y轴为刀料坐,每次加工中通过X、Y轴的反复运动,完成刀料在不同的位置被砂轮研磨,以使刀具成型。X1、 Y1轴的作用是控制料盘处于不同位置。X1左右,Y1上下。通过X1,Y1的移动,保证取料的顺序。各轴 要求转速不高,基本在200rpm以下(不加减速机)X、Y、X1、Y1轴的丝杠长度为X: 180mm ;Y: 200mm ; X1:200mm Y1:250mm。
图1 鱼尾切沟机 二、切沟机电气配置方案
图2 切沟机电气配置方案 图2所示 新电气方案使用HMI+轴控制器(Maestro)+Elmo伺服(Basoon)5台 构架。其中在多轴控制器上扩展Wago公司的支持CAN总线DS401协议的输出模块(共16个输出点)。HMI仍然使用HITECH型号3261 10.5寸。 三、新方案的特点及优点 1)电源系统 Basoon-5/230 内部内置滤波器,回升电阻等,可极大的包括驱动器的寿命,它可以屏蔽从工厂电网传输过来的各种电压波动,确保供给稳定的直流电压,同时内置回升电阻,确保吸收驱动器在高频率启停时电机的回馈电压。同时该驱动器符合UL、CE认证。 2)总线系统 采用目前欧洲流行的CANOPEN总线,CANOPEN总线是目前应用在伺服系统最多的总线,以其传输数据的高速性和稳定性著称,而MAESTRO与ELMO驱动器之间通讯协议是以DS402(专为运动控制开发的CAN协议)为基础的特殊的ELMO自己的协议,这样就使得ELMO的驱动器与CAN通讯协议结合得更加完美,所以ELMO产品并不仅仅是一款符合CAN通讯的伺服驱动器,同时我们的语言,控制方式,和网络都是符合ELMO特色的产品, 3 )控制器(MAESTRO) MAESTRO是ELMO的控制类产品,它向上兼容以太网,RS232,通讯协议,内部使用摩托罗拉32位DSP处理芯片,和微软WINCE系统,内置64兆硬盘(丰富的存储空间),向下兼容CAN网络(DS301,DS402,ELMO协议),可控制多大256轴,同时ELMO协议,发送一组数据单元的时间仅为200微秒,同时在MAESTRO、ELMO之间含有ELMO特制的CALLBACK功能,确保数据传输的实时性,同时极大的减小了网络负载率。同时MAESTRO可使用以太网,方便的实现远程维护。 同时内置可编程I/O,并可自由编程,控制。 4)伺服系统 目前ELMO系统以其出众的稳定性,超小的体积,强大的功能,已经为中国很多军工院所,医疗机械厂家,多轴联动的厂家所采用,且得到很高的评价。 ELMO伺服采用以速度环卫标准的PIP控制,使得调试更加简单,内置64组PID确保全速率下平稳高速的运行,同时高速位置环采样时间(240微秒)、速度环采样时间(120微秒)又使得定位更加精准,速度波动更加平稳,同时内置5组滤波器,同时可以对系统进行FFT(快速傅丽叶变换)得到系统共振点,减小系统共振,并可在驱动器内部设置平滑系数,减小系统冲击。并采用载波频率为22K的开关期间,使得伺服驱动器发到伺服电机的电流特性更佳。 5)配线优点 CAN BUS对系统进行控制,可极大减少电控箱内配线,使得系统弱电信号的干扰降到最低。 6)系统搭配 整套系统均为以色列设计,以色列生产,符合欧洲标准,且均为同一公司生产制造,所以不存在任何兼容问题,可使整套系统达到无缝对接。而且MAESTRO与ELMO SIMPLIQ内控制方法,控制语言,具有对接性强,传承性,这是采用不同公司控制产品所不能比拟的。 7)提高速度 由于已经在欧洲普遍应用,所以MAESTRO内部亦含有非常丰富的功能,将运动控制发挥到极致, 决定系统速度的有很多因素,有控制方法的优化,伺服电机的性能等,而控制方法的优化很大程度取决于系统编程思路的开放性,而目前ELMO在这方面可谓是极大的开放,只要你有思路,就可以通过MAESTRO来完成。也就是说MAESTRO内部有很多控制模式PT,PVT,ECAM等等,所以我们只需要选择我们所需要的功能,即可实现我们所需要的功能。 8)提高精度 系统精度,系统的精度取决于几个因素,电机反馈精度,机械情况,应用ELMO系统可以通过各种分析对我们的系统应用进行分析,对我们提高系统的刚度,降低共振造成的不良影响。同时因为ELMO系统的高速的位置环采样时间,和高速的CAN网络传递速度,可以很大的提高我们的系统速度,举例:MAESTRO知道伺服电机的运行位置的时间为,240微妙(伺服位置环刷新时间)+200微妙(CAN网络PDO传递数据时间),即400微秒就可以完成该功能。 9)系统稳定性 ELMO公司MAESTRO采用PC BASED框架,内部各芯片均采用成熟芯片(包括CPU,CAN网络芯片),ELMO伺服驱动器采用FASST(FAST AND SOFT SWITCH SWITCH TECHNOLOGY)很大程度上减小了系统的热损等 四、结论 1. 昆豪生产的产品是切沟研磨设备,并且自己使用此设备进行生产,上图中为生产的最终产品。在进行工艺了解时,首先要对最终产品研究,以确定初期选型的方案。例如客户产品为鱼尾铣刀以及钻针,看似很复杂的产品,在与公司生产部进行讨论研究后,铣刀以及钻针的详细生产工艺如下: a. 铣刀 铣刀工艺比较简单,加工相对于铣刀比较粗,料直径>1mm。旋转轴与直线运动的合成,关键问题在于分刃,以及左旋右选的合成,每刀采用的是PTP运动,斜度是由Y轴的PVT曲线合成 b. 钻针 钻针工艺比较复杂,加工比较精细,料直径<0.45mm。最小直径的是0.15mm。包括单段式以及三段式,单段里面首先是切主沟2刀,在主沟完成后需要切边刀,边刀与主沟之间旋转一个角度,然后进行边刀切割,边刀与切沟之间有韧带是工艺上的难点。韧带的作用是在钻针工作的时候钻动的主力,相当于刀的开刃,因此非常重要,每个钻针必须有韧带,并且韧带要与主沟平行。 2. 对工艺熟悉后判断现有产品是否能满足工艺生产要求并根据现有产品进行电气配置选型 客户以前的配置是 HMI + 研华工控机 + 研华运动控制卡 + 5台东方步进电机,客户希望HMI的程序不做改动,以现有产品提出新方案 HMI + Maestro + 5台ELMO伺服。由于Maestro的输出点只有8个,驱动器的输出点2个/台,共10个,但是客户需要26个输出点,因此选择支持CANopen协议的WAGO 扩展输出点,输入点需要10个,Maestro以及驱动器上的输入点够用。 3. 根据工艺,在HMI上以及各个设备上从新规划I/O 根据Maestro与HMI的协议,在HMI上从新定义按钮,数值显示,数值输入输出等。此规划要在后续的程序编写中应用。 4. 配电盘制作 由于客户对我们的产品不熟悉,只是对以前的工控机接线方式比较熟悉,所以需要我们自己制作配电盘。根据已经规划好的各个设备上的输入输出点进行接线。要尽量与之前工控机的接线方式保持一致。把原点开关放在每个驱动器上,其它的输入输出为了编程方便以及响应快,放在Maestro以及WAGO的扩展输出上。驱动器与Maestro的接线方式是不一样的,需要接电阻值也不相同。在接线的时候首先做测试,把24V电源与输出,输入分别测试,如果输入能够被检测到,或者输出能够被控制,则证明接线正确,再做完整的接线工作。
图3 加工产品结果 5. 调试验收是项目开发中最关键的阶段,考验程序是否可靠就在这个阶段,与编写程序相同,从简单的手动运行开始,然后是空车铣刀运行,然后是空车钻针运行。接下来是铣刀实际加工,铣刀连续加工,钻针实际加工,钻针连续加工。 验收中遇到很多问题,基本属于加工工艺问题,总结如下: a. JOG过程 以前认为JOG过程不重要但是经过客户实际介绍,JOG的响应是否快,是否准确是影响加工的非常主要的一个过程,在对刀的过程中需要使用到JOG,要求在低速下响应快,如果不能加快响应速度的话在对刀的时候,Y轴很容易会撞到砂轮,造成损失。解决的方法是在轴相选择时把扫描油压输出的过程去除,这样就能保证了JOG时候的程序执行速度,从而实现实时响应。 b. 回原点过程,连续回原点与单独回原点。在开机后回原点过程,连续回原点,总是Y轴与实际运动不符,原因是回原点的设置不正确,在进行设置改动后,回原点过程完成。 c. 急停逻辑也增加了很多,急停按下后要完成的动作Y轴后退防止撞砂轮。手臂逻辑以及换刀座逻辑,砂轮停止,切削液停止等,这些逻辑是在实际操作中根据客户要求增加。 d. 在加工铣刀时候,由于最初对切沟角的计算错误,使X轴与Z轴的合成曲线实际位置错误。在实际加工出的表现为切沟角错误,从新计算了切沟角,并根据计算结果从新规划X轴与Z轴的合成曲线,即Z轴转动过的距离与X轴的走过的距离,即沟长的对应。问题得以解决。 e. 参数存储问题 参数在加工后做到实时存储。由于Flash的擦写次数有限,因此要做到实时存储,必须次数要少,在需要的时候存储。把存储的位置加在每次自动运行停止之后,减少了存储次数,并做到了实时存储。 f. 偏移量改变输入。改变偏移量输入时做到输入的数据加
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