HTX200數(shù)顯回轉(zhuǎn)工作臺伺服改造

金德華

（上海鍋爐廠有限公司 上海）

一、問題

HTX200數(shù)顯回轉(zhuǎn)工作臺具有回轉(zhuǎn)（C軸）和軸向（X軸）兩個運動軸，兩軸配置1個兩軸數(shù)顯裝置，顯示X軸和C軸位置，C軸和X軸的位置反饋元件分別是角度編碼器和直線光柵尺。兩軸由1臺交流電機驅(qū)動，通過機械手柄切換不同的傳動鏈，選擇驅(qū)動X軸或C軸，機械傳動鏈由普通齒輪齒條構(gòu)成。這種機械傳動結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式，使設(shè)備存在很大問題，盡管數(shù)顯裝置可準(zhǔn)確顯示兩軸當(dāng)前位置，但異步交流電機驅(qū)動控制性能較差，操作者不能使兩軸快速準(zhǔn)確定位在所需要的目標(biāo)位置上，給使用帶來很大不便。特別是在需要多達(dá)上百個分度角度的應(yīng)用場合，幾乎無法完成加工任務(wù)。為此改造HTX200數(shù)顯回轉(zhuǎn)工作臺驅(qū)動定位系統(tǒng)，使其具備伺服定位功能，可根據(jù)加工要求，準(zhǔn)確快速進(jìn)行定位，以滿足多分度角度使用場合的加工要求。根據(jù)實際加工要求和操作方式，改造后的數(shù)顯回轉(zhuǎn)工作臺應(yīng)具有6項功能。

（1）可根據(jù)給定的位置指令值快速準(zhǔn)確進(jìn)行定位。

（2）具備人機界面，用于輸入位置指令及其他控制要求并反映當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)。

（3）可編制輸入簡易的多分度定位程序，并可根據(jù)定位指令定位到給定位置。

（4）系統(tǒng)具有點動、增量和程序等多種工作方式。

（5）系統(tǒng)具有基本的停電位置記憶功能，即在受控的正常停電情況下，能夠記憶當(dāng)前位置，記憶誤差不超過位置傳感器的單位分辨率。

（6）系統(tǒng)具有簡單的手搖脈沖功能。

二、數(shù)顯回轉(zhuǎn)工作臺伺服系統(tǒng)配置

1.改造方案

整個控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，觸摸屏為人機界面，用于輸入加工數(shù)據(jù)；C軸角度編碼器和X軸直線光柵尺的位置信號、手搖脈沖信號、操作按鈕和現(xiàn)場限位信號均輸入到PLC；PLC根據(jù)人機界面輸入的加工數(shù)據(jù)、操作指令以及位置反饋數(shù)據(jù)，通過控制程序運算輸出，控制伺服電機運動，實現(xiàn)所需要的定位操作。

圖1 系統(tǒng)框架

2.控制平臺PLC

PLC是系統(tǒng)的控制核心，改造后，PLC必須滿足下列條件：具有較高運算速度，保證較短PLC掃描周期，提高位置控制精度；具有強大浮點運算能力，以實現(xiàn)位置控制所需要的大量數(shù)據(jù)運算；應(yīng)具有內(nèi)置多軸定位功能，以實現(xiàn)定位控制；具有多通道高速計數(shù)器，實現(xiàn)X軸和C軸的位置反饋輸入；高速計數(shù)接口應(yīng)具有差分輸入接口，以保證與原有角度編碼器和直線光柵尺輸出接口相匹配；定位脈沖輸出接口應(yīng)為差分輸出接口，以保證良好抗干擾能力。為此選用臺達(dá)DVP-32EH00M3 PLC。

3.伺服系統(tǒng)及定位控制

伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)精確位置控制的必要條件。綜合考慮驅(qū)動性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，選用臺達(dá)伺服系統(tǒng)。

4.角度編碼器、直線光柵尺與位置閉環(huán)控制

由于設(shè)備X軸和C軸機械傳動鏈精度較差，不能利用伺服電機內(nèi)置脈沖編碼器采用半閉環(huán)的位置控制方案，必須采用全閉環(huán)的位置控制方式。本次改造，利用設(shè)備原有位置傳感器—直線光柵尺和角度編碼器，構(gòu)建全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，為此必須考慮3個技術(shù)條件。

（1）位置傳感器的精度與分辨率。由于原數(shù)顯裝置的測量精度和分辨率能滿足加工要求，因此在本次改造中也能滿足要求。

（2）位置傳感器的輸出接口必須與PLC輸入接口相匹配。直線光柵尺和角度編碼器的信號輸出接口為5 V差分輸出，PLC提供了兩通道差分輸入的高速計數(shù)器輸入接口，兩者硬件接口匹配。

（3）位置傳感器脈沖輸出頻率必須與PLC高速計數(shù)器最高計數(shù)頻率相匹配。臺達(dá)DVP-32EH00M3 PLC內(nèi)置的高速計數(shù)器HHSC0和HHSC1最高計數(shù)頻率為200 kHz。根據(jù)伺服電機最高速度、傳動鏈機械速比及位置傳感器的分辨率計算得出，直線光柵尺和角度傳感器在設(shè)備最高速時的反饋脈沖頻率均＜50 kHz，遠(yuǎn)＜200 kHz。

5.手搖脈沖發(fā)生器與手搖脈沖移動功能

為方便操作人員定位操作，特別是在手動將工作臺移動至所需位置的應(yīng)用場合，如移到第一個加工位置，設(shè)備需要具備手搖脈沖功能。本次改造，采用一個標(biāo)準(zhǔn)手搖脈沖發(fā)生器連接到PLC的高速計數(shù)器HHSC2的輸入端。由于HHSC2的輸入接口不支持差分輸入，因此選用集電極開路輸出的手搖脈沖發(fā)生器。另外，HHSC2的最高計數(shù)頻率為200 kHz，遠(yuǎn)高于手搖脈沖發(fā)生器的實際最高輸出頻率，兩者可匹配。

6.開關(guān)量輸入輸出信號

操作指令、現(xiàn)場限位信號等開關(guān)量輸入信號連接到PLC的開關(guān)量輸入端。伺服驅(qū)動器的控制信號、工作臺潤滑電機和潤滑電磁閥等開關(guān)量輸出信號連接到PLC的開關(guān)量輸出端。

7.人機界面

人機界面用于輸入定位數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。人機界面采用觸摸屏，通過RS485接口與控制器PLC相連接。為方便操作和調(diào)試，本次改造共設(shè)置監(jiān)控畫面、分度設(shè)置、分度明細(xì)、設(shè)置幫助和調(diào)試設(shè)置等5個畫面，其中兩個畫面見圖 2、圖 3。

圖2 主監(jiān)控畫面

圖3 分度設(shè)置畫面

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.全閉環(huán)位置控制

圖4 PLC位置伺服原理框圖

（1）PLC位置伺服控制原理（圖4）。PLC根據(jù)定位參數(shù)（包括目標(biāo)位置值和定位速度），發(fā)出給定數(shù)量的指令脈沖，控制器同時接收來自運動部件位置傳感器的反饋脈沖，兩者相比較得到跟蹤誤差ΔS，ΔS送入位置調(diào)節(jié)器。位置調(diào)節(jié)器實際是1個比例放大器，由乘法指令實現(xiàn)，其作用是根據(jù)指令脈沖與反饋脈沖的差值，通過比例運算，輸出1個速度指令Ps，Ps=ΔS×Kp。Kp（位置環(huán)增益）值在調(diào)試時確定，在確保運行平穩(wěn)無振蕩前提下，盡量調(diào)大一些，以使定位時間縮短。Ps是伺服驅(qū)動器的速度指令，可通過可變速脈沖指令DPLSV在Y0/Y1上以脈沖串/方向的形式輸出到伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電機及運動部件運動。當(dāng)指令脈沖總量與反饋脈沖總量相等時，ΔS=0、Ps=0，伺服系統(tǒng)速度指令也為0，定位完成。

（2）位置伺服的實現(xiàn)。臺達(dá)DVP-32EH00M3 PLC在定位控制和高速脈沖輸出方面具有強大功能。本次改造，采用其內(nèi)置的絕對定位指令DDRVA和相對定位指令DDRVI作為脈沖指令的發(fā)生指令。高速計數(shù)器C251和C252分別作為X軸和C軸的位置反饋計數(shù)器。比較環(huán)節(jié)由減法指令實現(xiàn)，DDRVA（I）指令對應(yīng)的脈沖指令當(dāng)前值與C251或C252當(dāng)前值之差即為ΔS。

2.手搖脈沖定位控制

PLC手搖脈沖功能控制模型見圖5，可變頻率脈沖發(fā)生指令DPLSV用于在Y0/Y1端輸出定位脈沖，PLC內(nèi)置的高速計數(shù)器Cx讀入來自手搖脈沖發(fā)生器MPG的脈沖增量信號。Cx的計數(shù)值經(jīng)過倍率運算后作為后續(xù)控制環(huán)節(jié)的指令值。該指令值與Y0進(jìn)行比較形成跟蹤誤差，經(jīng)比例放大后作為DPLSV指令的速度頻率給定值。DPLSV指令根據(jù)該頻率值發(fā)出定位脈沖，驅(qū)動伺服系統(tǒng)。當(dāng)手搖脈沖發(fā)生器的位置指令與脈沖當(dāng)前值一致時，速度頻率值D4=0，Y0脈沖停止，X軸也停止運動。若手搖脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動速度較高，則位置指令與當(dāng)前位置值差值較大，D4也較大，輸出脈沖的頻率和運動軸速度也較高。軸運動距離取決于手搖脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)，軸運動速度取決于手搖脈沖發(fā)生器輸出脈沖的頻率，即其轉(zhuǎn)動速度。

圖5 PLC手搖脈沖功能控制模型

四、控制軟件編制

根據(jù)改造目標(biāo)、操作方式及相關(guān)要求，設(shè)備有JOG（手動）、INC（增量）、單一定位、程序定位和手搖脈沖移動等5種工作模式。與此對應(yīng)，整個控制程序大致分為7個功能模塊，其中5個功能模塊分別對應(yīng)于5種工作模式，另外2個功能模塊為分度角度計算功能模塊及伺服定位功能模塊。伺服定位模塊是核心關(guān)鍵模塊，除了JOG（手動）模式之外，其他4種工作模式均需要調(diào)用該模塊來實現(xiàn)操作功能。

1.伺服定位功能模塊

該模塊用于實現(xiàn)對于給定位置目標(biāo)值的定位，根據(jù)前面所述全閉環(huán)伺服位置控制原理及其實現(xiàn)方法，以指令形式體現(xiàn)出來，涉及DDRVI、DDRVA、DPLSV和四則運算等功能指令。限于篇幅，不作詳細(xì)介紹，僅給出功能框圖（圖6），當(dāng)該程序塊輸入目標(biāo)位置值、運動速度值并接收到激活指令后，執(zhí)行該程序塊指令。程序塊輸出脈沖指令Y0/Y1，驅(qū)動伺服系統(tǒng)和運動部件，同時接收位置反饋值，判別定位是否完成。

圖6 伺服定位功能模塊功能框圖

2.手搖脈沖移動功能模塊（圖7）

圖7 手搖脈沖移動模塊功能框圖

手搖脈沖功能用于手動準(zhǔn)確移動工件到目標(biāo)位置，與JOG模式的點動動作相比，該操作功能可通過控制搖脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖數(shù)來控制移動距離，操作更為方便。當(dāng)該程序塊激活后，接收來自手搖脈沖發(fā)生器的脈沖，經(jīng)過運算處理，在Y0/Y1上送出與輸入頻率和輸入脈沖數(shù)成線性關(guān)系的定位脈沖及定位方向。倍率信號用于設(shè)置每個手搖脈沖對應(yīng)的實際移動距離，本次改造有X1、X10和X100等3擋。在本程序塊中，涉及高速計數(shù)器、DPLSV和四則運算等功能指令。

手搖脈沖定位功能不是全閉環(huán)控制定位，加之設(shè)備機械傳動精度較差，因此每個手搖脈沖的移動距離與實際的移動距離有一定誤差。此處是利用手搖脈沖功能的移動可控性，實際的定位操作需要依靠人機界面上顯示的實際位置來幫助定位。

3.分度角度計算功能模塊（圖8）

圖8 分度角度計算功能模塊框圖

本次改造主要目的是多角度情況下實現(xiàn)自動分度定位。一般地，有多個不同等分角度區(qū)域，在一個等分區(qū)域，其角度分布是等分的。在多角度情況下，為方便操作者輸入分度數(shù)據(jù)，對于每個等分區(qū)域，系統(tǒng)只需要操作者輸入起始角度值、結(jié)束角度值及等分?jǐn)?shù)。本功能模塊用于計算每個分度角度值，并將每個分度值存入指定寄存器區(qū)域。

4.主程序模塊（ 圖 9）

圖9 主程序模塊結(jié)構(gòu)

在主程序模塊中，系統(tǒng)將根據(jù)操作者選擇的操作模式，調(diào)用各對應(yīng)子程序（功能模塊），為節(jié)約篇幅，這里采用類梯形圖的表示方式。

五、應(yīng)用效果

HTX200數(shù)顯回轉(zhuǎn)工作臺改造后，極大提高了精確定位方面的設(shè)備性能，X軸和C軸的定位精度均能滿足產(chǎn)品制造要求。系統(tǒng)提供了多種操作模式，方便操作。在分度數(shù)為200°的實際工件加工中，設(shè)備定位精度和可操作性得到驗證。