鏜 銑床進(jìn)給軸速度給定系統(tǒng)研究

山西 百一機械設(shè)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(jìn)給軸，進(jìn)刀量可以通過電控系統(tǒng)進(jìn)行寬廣的調(diào)節(jié)。這要求驅(qū)動該進(jìn)給軸的電動機的調(diào)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(tǒng)提出了苛刻的要求。通常伺服驅(qū)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(fù)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(jìn)給軸的驅(qū)動電動機最高轉(zhuǎn)速要求為1666r/min，電動機每轉(zhuǎn)的進(jìn)刀量為1.5 mm/r，驅(qū)動器的速度給定范圍為DC 0～10 V。工藝要求的速度擋位、進(jìn)給量、電動機速度、伺服系統(tǒng)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(qū)動器的速度給定通道上，是無法實現(xiàn)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(dǎo)線，分別焊到電位器的32個靜觸點上，動觸點端接驅(qū)動器的速度給定端子。當(dāng)電位器手柄旋轉(zhuǎn)時，帶動動觸點在各個靜觸點上滑動，給出相應(yīng)的速度給定電壓。

工藝參數(shù)表

手柄停留在第N擋上，相應(yīng)的速度給定電壓為

這32個電阻的阻值符合下列關(guān)系

（2）采用PLC數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：如圖3所示，采用一個32位的數(shù)字波段開關(guān)，將32級速度信號編碼為5位二進(jìn)制代碼，然后傳送給PLC I/O模塊。PLC內(nèi)部程序?qū)λ俣染幋a進(jìn)行譯碼，將對應(yīng)的速度值寫入D/A轉(zhuǎn)換模塊。D/A模塊轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的模擬電壓，再經(jīng)雙絞屏蔽線送給驅(qū)動器速度給定端子。

實際應(yīng)用中，例如PLC主機選用OMRONCQ M1H，D/A模塊選用OMRON CQM1－DA021，其轉(zhuǎn)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(jù)編碼開關(guān)傳來的5位二進(jìn)制碼，將一個十六進(jìn)制數(shù)寫入CQM1－DA021的地址。CQM1－DA021輸入十六進(jìn)制數(shù)與輸出模擬電壓之間的關(guān)系曲線如圖4所示。數(shù)字波段開關(guān)的5位二進(jìn)制碼與CQM1－DA021的十六進(jìn)制數(shù)寫入值以及與相應(yīng)的速度擋位之間的關(guān)系如附表中間部分所示。

圖1 將多圈電位器接在驅(qū)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(zhuǎn)換模塊解決方案

圖4 CQM1－DA021 D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入、輸出關(guān)系曲線

（3）采用工業(yè)現(xiàn)場總線：這是最精確的解決寬調(diào)速系統(tǒng)的速度給定問題的方法：仍然采用數(shù)字波段開關(guān)將速度指令傳入PLC，將PLC和驅(qū)動器用工業(yè)現(xiàn)場總線連接起來，如圖5所示。PLC程序?qū)λ俣戎噶钸M(jìn)行譯碼后，將相應(yīng)的速度給定值通過工業(yè)現(xiàn)場總線直接傳送給驅(qū)動器。由于整個過程都是數(shù)字式的，這就從根本上消除了干擾。

實際應(yīng)用中，比如PLC選用西門子S7－3152DP，伺服驅(qū)動器選用西門子SIMODRIVE 611U，將S7-3152DP和SIMODRIVE 611U用FROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)連接起來。在FROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)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(dá)到1/1073741824，是沒有誤差的。SIMODRIVE 611U的參數(shù)P880用來定義速度標(biāo)準(zhǔn)值，即速度給定字最大值時的轉(zhuǎn)速。本例中，P880=1666。

PLC調(diào)用子程序SFC15（“DPWR_DAT”），根據(jù)數(shù)字波段開關(guān)傳來的速度代碼，譯碼后相應(yīng)地將一個十六進(jìn)制數(shù)通過FROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 工業(yè)現(xiàn)場總線解決方案

圖6 FROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)速度給定輸入、輸出關(guān)系曲線

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

3.結(jié)語

解決鏜銑床進(jìn)給軸寬調(diào)速比驅(qū)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理簡單，結(jié)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(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的方法，由于PLC D/A轉(zhuǎn)換模塊有最小分辨率的限制，在實現(xiàn)低速要求的速度給定電壓時，存在一些誤差。采用工業(yè)現(xiàn)場總線的方法可以從本質(zhì)上消除信號的誤差和干擾。在上述實際應(yīng)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(dá)到1/1073741824，是沒有誤差的。實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)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(nèi)插板操作手冊.1999.

[2]ORMRON公司.ORMRON CQM1H系列、CQM1H內(nèi)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(xiàn)場總線工程應(yīng)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(shù)自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社.2010.