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数控系统采用双交流伺服电机同步控制原理与结构

2010/5/20 16:50:56  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  在工业领域的机械加工和生产过程中,经常需要实现双轴(或多轴)同步传动,如动梁式龙门铣床的横梁升降控制,龙门框架移动式加工中心的龙门框架移动控制等。采用一台电机通过传动链将运动分配到同步运动轴的方案,虽可实现同步驱动,但存在传动链较长、传动机构复杂、间隙误差大且无法补偿,以及维护困难等问 题。采用两个电机同步控制运动运动机构的两边,可以解决上述不足,但带来了两边同步驱动控制新问题。本文详细介绍在数控系统中机床双轴同步控制原理,并以法国num公司的num1040m数控系统为例介绍双轴同步控制调试及应用。

  数控系统采用双交流伺服电机同步控制原理与结构

  在数控加工中心中,常采用交流伺服电机作为同步控制的驱动单元。交流伺服驱动系统具有体积小、重量轻、动作反应快、过载能力大、调速范围宽等优点,能提供高的动态响应和扭矩,在机器人、数控机床等领域已得到非常广泛应用。

  图1所示的是采用交流伺服驱动装置的数控机床双轴运动同步控制的结构图[1-3],其基本工作原理是:将两个同方向运动的进给轴,一个设定为主动轴,另一个设定为从动轴。由一个伺服驱动器、一个伺服电机、一个位置反馈装置及cnc位置控制单元组成主动轴伺服运动控制回路,同时由另一个伺服驱动器、另一个伺服电机、另一个位置反馈装置及cnc位置控制单元组成从动轴伺服运动控制回路。cnc的位置控制单元同时向主动轴及从动轴的伺服控制回路发出位置伺服运动指令。两个位置反馈装置的反馈信号除了送回各自的伺服驱动器比较环,还送入cnc内部的一个数字比较器进行差值比较,该差值送入从动轴伺服控制回路的输入端,与cnc位置控制单元发来的位置伺服指令进行比较。两个位置反馈装置的反馈信号差值就是主动轴与从动轴的同步误差,差值为零时,表明两个轴的位置完全同步。

  图1 数控双轴位置同步控制结构示意图

  现场调试时,可设cnc位置控制单元位置参考量为脉冲单位,交流伺服驱动器为脉冲驱动,取校正系数为1;当cnc的位置控制单元同时向主动轴及从动轴的伺 服控制回路发出100个脉冲伺服运动指令,在一段时间内,驱动主动轴电机的交流伺服驱动器1向主动轴电机发出了20个脉冲,剩余:100-20=80个脉 冲,假定同时由于干扰等因素,驱动从动轴电机的交流伺服驱动器2向从动轴发出了10个脉冲,剩余90个脉冲。此时经两个位置检测装置反馈后的调整量为10 个脉冲:

  1×(20-10)=10(个)

  交流伺服驱动器2经过调整量和位置检测装置2反馈信号调整后的调整剩余脉冲为100个脉冲:

  100+10-10=100(个)

  在接下来的一段时间内,交流伺服驱动器1向主动轴发出10个脉冲,剩余脉冲70个脉冲:

  80-10=70(个)

  同时交流伺服驱动器2向从动轴发出20个脉冲,则经两个位置检测装置反馈后的调整量为-10个)脉冲:

  1×(10-20)=-10(个)

  交流伺服驱动器2经过调整量和位置检测装置2反馈信号调整后的调整剩余脉冲为70个:100+(-10)-20=70(个)

  此时,主动轴电机和从动轴电机均完成30个脉冲的指令,剩余脉冲均为70个,完成了位置的同步。

  用num数控系统实现机床双轴同步控制

  本文在开发数控玻璃雕刻加工中心时,选用法国num公司的num1040m数控系统,通过两台交流伺服电机分别驱动龙门框架的两个轴,通过参数的设置及实验调整,实现了大跨度(5米)龙门结构双轴位移的精确同步控制。

  num数控系统平台简介

  本项目研制的数控玻璃雕刻加工中心采用了龙门式结构,具有c、x、y1、y2、z五个伺服运动轴,该加工中心的磨头座沿横梁导轨往复运动,方向设定为x 轴,两横梁座沿机床床身导轨运动,方向分别为y1轴和y2轴,磨头沿磨头座垂直运动方向为z轴,c轴为磨头的旋转轴,系统具有5轴4联动功能。其中y1、 y2轴为同步运动轴,分别驱动两个交流伺服电机同步带动龙门框架运动,行程为2m,y1、y2两轴的跨度5m,如图2所示。

  图2 数控玻璃雕刻加工中心轴运动结构示意图

  num1040m数控系统p参数及设置

  该设备中选用法国num公司的mdla2型伺服驱动器、bmh型交流伺服电机、num 1040m数控系统,系统的具有很强的开放性特征,对p参数的设置是其开放性的特征之一,num1040m系统中共115个p参数,通过修改p参数就可实现对控制系统的配置。用户可在num专用软件的环境下,方便、快捷的通过p参数对系统进行配置与调整,亦可不借助任何软件及工具,在线修改p参数。nun 系统中,多轴同步控制的功能也是通过设定p参数实现的[4]。

  与同步轴控制有关的p参数有p3、p24、p27、p28等,具体含义如表1所示。

  连接好伺服轴控制电路后,通过p3可定义系统中伺服控制轴的地址,本系统中设定了c、x、y1、y2、z轴的地址分别为0、1、2、3、4。

  p24参数由65个无符号十进制数组成(字n0~n64),其中字n0~n31分别指定0~31号轴地址的同步阈值1,该值表示同步控制中的最大允许误差 (以内部测量单位表示),缺省值为160。当超过同步阀值时,系统发出超差信息,但继续驱动从动轴运动。字n32~n63指定0~31号轴的校正系数(以 1/1000为单位),其缺省值为250。无误差信号进入从动轴伺服比较环时,即表示同步过程已经完成。n64为同步阀值2,用于设定所有轴共同的最大同 步误差(用内部测量单位表示)。同步过程误差超过所设定的值时,系统报警,并停止伺服运动轴的运动。在同步控制中,参数n64的设置会影响双轴同步控制的 性能。若选用较大的阀值,会导致机床同步控制精度降低;若阀值选用过低,则会导致机床在允许加工精度范围内正常运行时,经常出现因超出同步误差阀值而报警停车的现象,从而影响机床正常运行。该值必须通过实际调试确定,在允许的加工精度前提下,n64同步阈值应尽可能取较大的值。

  p27参数用于将一个从动轴分配到所设定的主驱动轴,这种分配有三种不同的类型:

  第一, 简单关联,将主驱动轴的对应控制量复制到从动轴上;

  表1 num 1040m数控系统的同步轴控制参数

  表2 y1、y2同步轴关联分配示例

  第二,对称关联,将主驱动轴的对应控制量求反后复制到从动轴上;

  第三,同步关联。

  其运算式为“主驱动轴的对应控制量准+校正值=从动轴的对应控制量”。所研制的系统中采用简单关联类型,即将y1主驱动轴的对应控制量复制到y2从动轴 上,如表2所示。

  p28参数用于使主驱动轴和从动轴的同步功能有效,它是一个32位的十六进制数。如果同步轴关联使能位的值为1,则在参数p27中申报的从动轴与其对应的 主驱动轴同步功能状态有效,本例中要求使y2轴与y1轴的同步功能有效,因此将p28参数值设置为(二进制):

  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

  (位31)

  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

  (位0)

  十六进制形式为:$00000008。

  双轴同步控制调试方法与步骤

  初步设定好y1、y2轴的同步功能的p参数后,可进行调试实验。现场试验结果表明,当速度环的控制要求满足时,还不能实现高速率下两轴的动态精密同步进给 控制,需要对伺服驱动、数控系统的内环(速度环)及外环(位置环)参数进行综合调整,以获得好的控制性能。以下为实际中采用的调试步骤及参数选择的过程:

  初步确定伺服运动工作正常

  松开伺服电机与负载轴之间的连接,接通电源,用num公司调试伺服驱动器参数的dpm软件调整伺服驱动器的速度环控制参数。如伺服驱动器的增益、速度升降 时间常数、pid参数等,确定伺服驱动器与伺服电机的工作基本正常。

  速度环及电流环参数优化

  在伺服驱动器输入端加上约10%的速度指令值,如果电机的运动特性感觉很“硬”,则用示波器观察到的转矩电流及速度响应曲线会如图3a所示,其超调量较 大、调整时间较长。调整伺服驱动器中的控制参数(加大p.052/053的数值)可改善动态特性,如图3b所示。反之,如果电机的运动特性感觉很“软”, 示波器观察到的波形将会如图3c所示。此时需减少速度环的增益(减少p.054/055的数值),以获得如图3d所示的波形。

  调整双轴同步误差参数

  同步阈值2取默认值,将同步阈值1

  图3 伺服电机的转矩电流及速度响应曲线

  逐步减少,直至满足同步运动的特性及工作台所需的精度。该系统设定的内部测量单位为0.001mm,龙门式结构y1、y2轴的尺寸误差不大于 0.05 mm,即同步时的最大允许误差为50×0.001=0.05mm。实际调试时,y1及y2同步轴的同步误差阀值1从默认值的160逐渐减少至50,即 p24中,n2=n3=50。

  设两轴的最大同步误差为0.5m

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