西門子伺服系統(tǒng)時(shí)序在垂直軸控制中的研究與應(yīng)用

肖巍

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

1 概述

數(shù)控機(jī)床垂直軸控制往往伴隨著伺服系統(tǒng)使能控制，在實(shí)際應(yīng)用中常見的故障問題以垂直軸非受控下落最為常見，通過合理的伺服系統(tǒng)時(shí)序調(diào)整以及PLC 變量控制，才能夠達(dá)到機(jī)床穩(wěn)定可靠運(yùn)行的目的。

2 原理與實(shí)現(xiàn)方法

SIEMENS840D 系統(tǒng)常用的使能控制方式分為內(nèi)部和外部兩種，外部使能以電源模塊和伺服驅(qū)動(dòng)器的外部端子形式引入，一般作為處理外部急停信號(hào)，安全邏輯控制，模塊自檢結(jié)果等功能的檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警或者按下急停開關(guān)時(shí)，機(jī)床伺服模塊要處理幾個(gè)重要的信號(hào)。一般來講，機(jī)床對(duì)于伺服的控制包含有對(duì)電源模塊上的三個(gè)端子T63、T64 和T48 的控制，對(duì)伺服模塊上的T663 端子的控制。各端子的具體含義：T63 電源板脈沖使能；T64 電源板控制使能；T48 電源板接觸器控制；T63 伺服板脈沖使能。正常設(shè)計(jì)方案對(duì)T63、T64、T48 三個(gè)端子的上電和下電時(shí)序進(jìn)行控制，上電順序?yàn)門64→T63→T48，下電順序?yàn)門48→T63→T64，時(shí)間間隔均為50ms。內(nèi)部使能控制主要是驅(qū)動(dòng)使能和脈沖使能，是通過NC、PLC 內(nèi)部運(yùn)算邏輯處理后，形成的內(nèi)部數(shù)據(jù)塊信號(hào)，是用于控制各驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩和轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)條件，通常與外部抱閘、鎖緊壓力、安全聯(lián)鎖等功能相關(guān)聯(lián)。在機(jī)床設(shè)計(jì)中，外部使能信號(hào)控制方式較為單一，最主要的應(yīng)用是在急停回路的控制方面。在機(jī)床啟動(dòng)過程中，伺服驅(qū)動(dòng)得弱電進(jìn)行自檢，自檢結(jié)果最終由外部繼電器輸出給電源模塊，允許接入強(qiáng)電為直流母排供電，期間有多個(gè)延時(shí)設(shè)定，用于信號(hào)發(fā)出和反饋。內(nèi)部使能信號(hào)則在機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制上起主要作用，最常見的軸選功能，就是給不同的軸賦予內(nèi)部脈沖使能和驅(qū)動(dòng)使能，通過驅(qū)動(dòng)總線串行連接。在機(jī)床自動(dòng)換刀、交換工作臺(tái)等復(fù)雜連續(xù)運(yùn)動(dòng)中，往往結(jié)合條件邏輯和安全要求對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 制動(dòng)裝置及輔助功能

一臺(tái)五軸加工中心，結(jié)構(gòu)形式為A 軸擺頭和B 軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)式。垂直軸為Y 軸，分離式電磁離合器抱閘，電機(jī)型號(hào)為1FT6105-1AC71-1AG1，無內(nèi)置抱閘?？刂葡到y(tǒng)為SIEMENS 840D PL，伺服模塊采用611D。機(jī)床Y 軸在出現(xiàn)報(bào)警時(shí)會(huì)發(fā)生下落，下落距離為20mm 以上。無論是PLC 報(bào)警還是伺服報(bào)警都會(huì)引起Y 軸下落。通過常規(guī)檢查方法，首先對(duì)Y 軸平衡系統(tǒng)進(jìn)行檢查，一旦平衡壓力不足且機(jī)床突然急?；蛘叱霈F(xiàn)報(bào)警時(shí)，Y 軸電機(jī)迅速失去扭矩，抱閘裝置未能夠及時(shí)響應(yīng)，可能導(dǎo)致Y 軸下落。檢查平衡壓力后，壓力處于正常值范圍內(nèi)。為了更準(zhǔn)確的判斷平衡系統(tǒng)是否運(yùn)行可靠，采用了電流監(jiān)測(cè)的方法，在SIEMENS 診斷界面中SERVICE DISPLAY 子界面監(jiān)測(cè)Y 軸電機(jī)的負(fù)載的變化，結(jié)果為Y 軸在上限位負(fù)載為11%，下限位負(fù)載為0.35%，可判斷為平衡系統(tǒng)運(yùn)行正常。第二步對(duì)Y 軸抱閘進(jìn)行檢查。該機(jī)床Y 軸電機(jī)沒有內(nèi)置剎車機(jī)構(gòu)，剎車裝置是由一個(gè)分離式的電磁離合器抱閘來實(shí)現(xiàn)的。該離合器是斷電抱緊，給電松開的結(jié)構(gòu)。對(duì)抱閘的檢查是通過調(diào)整抱閘摩擦片間隙來測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示摩擦片間隙過小時(shí)，Y 軸運(yùn)動(dòng)容易出現(xiàn)輪廓監(jiān)控誤差報(bào)警，說明抱閘在運(yùn)動(dòng)時(shí)表面處于接觸狀態(tài)，增大了運(yùn)動(dòng)負(fù)載，將間隙逐漸調(diào)整增大后，Y 軸下落距離未發(fā)生顯著變化。由此判斷抱閘并非導(dǎo)致Y 軸下落的原因。隨后對(duì)抱閘的控制回路進(jìn)行檢查，并陸續(xù)更換了抱閘回路的續(xù)流二極管、中間繼電器以及PLC 輸出模塊，下落問題仍未得到改善。

3.2 控制回路

經(jīng)過上述檢查工作之后，Y 軸下落現(xiàn)象依然沒有得到明顯改善。下一步將對(duì)電源模塊的幾個(gè)重要掉電信號(hào)進(jìn)行研究。

在了解控制時(shí)序后，通過控制回路檢查電源模塊各端子的信號(hào)來源，發(fā)現(xiàn)在急?；芈分性O(shè)置有延時(shí)斷開繼電器，延時(shí)5秒。在5 秒延時(shí)期間，T64、T63、T48 端子的電壓能夠保持24V 不變，但在延時(shí)的前2 秒內(nèi)Y 軸就已經(jīng)下落了20mm，可見Y 軸下落與電氣的控制時(shí)序沒有直接關(guān)系。

3.3 PLC 時(shí)序控制

基于上面的檢查，外部原因已能夠排除，現(xiàn)將問題點(diǎn)鎖定在系統(tǒng)內(nèi)部。通過解讀PLC 程序，找到軸控制的兩個(gè)使能變量，伺服使能DB3*.DBX2.1，脈沖使能DB3*.DBX21.7。對(duì)應(yīng)Y 軸就是DB32.DBX2.1 和DB32.DBX21.7。

從上面PLC 程序中得出，Y 軸的伺服掉電過程由功能塊FB31 來控制。當(dāng)PLC 接到NC 的急停信號(hào)“NC”.I_EmergStop時(shí)，就會(huì)打開Y 軸對(duì)應(yīng)的DB 塊，將Y 軸的脈沖使能DB32.DBX21.7 切斷，從而切斷Y 軸的使能信號(hào)#Axis_enable，在功能塊FB31 的程序段6 中看到，變量#Axis_enable 信號(hào)的消失將直接導(dǎo)致Y 軸抱閘信號(hào)“Brake_off”的消失，從而釋放抱閘抱緊Y軸，在功能塊FB31 的程序段8 中看到。為了能夠改善使能響應(yīng)速率，通過更改PLC 程序中使能掉電時(shí)序，使得在Y 軸使能信號(hào)還沒有消失，即Y 軸的扭矩還沒有取消時(shí)，將Y 軸的外部抱閘復(fù)位鎖緊。改進(jìn)的方案是將Y 軸的使能信號(hào)延時(shí)一段時(shí)間消失，給予Y 軸抱閘足夠的響應(yīng)時(shí)間，因此可以對(duì)功能塊FB31 進(jìn)行框圖中的程序修改。更改之后，下落距離有所改善，Y 軸下落距離在8mm 以內(nèi)，但仍未達(dá)到預(yù)期效果。反復(fù)調(diào)節(jié)定時(shí)器T65的延時(shí)時(shí)間，延時(shí)時(shí)間在2 秒以上時(shí)，Y 軸下落的距離沒有顯著變化。

3.4 控制使能優(yōu)化

系統(tǒng)診斷界面對(duì)使能信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，service drive 界面下T63、T64、T48 信號(hào)能夠延時(shí)5 秒斷開，而Speed controller enable NC 信號(hào)依然迅速斷電，從而切斷Y 軸扭矩。該問題是由于系統(tǒng)會(huì)在PLC 中觸發(fā)DB10.DBX56.1 變量，該變量將PLC 的急停信號(hào)傳遞到NC，NC 經(jīng)過一些功能的處理，包括：零件程序的運(yùn)行停止、IS “方式組準(zhǔn)備好信號(hào)”(DB11.DBX6.3) 復(fù)位、IS“EMERGENCY STOP active”(DB10.DBX106.1)激活等。再次檢索PLC 程序，尋找到急停輸入信號(hào)DB10.DBX56.1 和NC 急停響應(yīng)信號(hào)DB10.DBX106.1。在功能塊FC81 的程序段2 中有相關(guān)的程序：

根據(jù)以上原理分析，在報(bào)警信號(hào)DB2.DBD180、DB2.DBD184與報(bào)警變量DB10.DBX56.1 之間加入定時(shí)器，使得Y 軸電機(jī)扭矩保持一定的時(shí)間；同時(shí)報(bào)警信號(hào)直接觸發(fā)抱閘釋放信號(hào)，調(diào)整定時(shí)器就可以使得NC 速度控制器使能信號(hào)延時(shí)消失，可以達(dá)到理想效果。具體修改如框圖內(nèi)。經(jīng)過以上更改后，Y 軸下落距離只有0.04mm，達(dá)到了合理的下落距離。

4 結(jié)論

以上案例可以看出，合理利用使能控制，可以對(duì)機(jī)床垂直軸的制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行有效改善，通過設(shè)定延時(shí)達(dá)到機(jī)械抱閘與電氣控制的完美配合，提高垂直軸在異常停止或在急停狀態(tài)下的位置保持穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中可廣泛應(yīng)用。