磁性編碼器和倍福伺服系統(tǒng)在砂型3D 打印機(jī)中的應(yīng)用

（共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司，寧夏 銀川 750021）

砂型3D 打印機(jī)顛覆了傳統(tǒng)的鑄造工藝，因其具有污染小，精度高，易定制等特點(diǎn)，在鑄造行業(yè)的應(yīng)用日趨成熟。砂型3D 打印機(jī)采用逐層打印疊加的方法打印出砂型，然后直接組合澆鑄，完成鑄造過程。砂型3D 打印機(jī)因其特殊的工藝方法，對(duì)設(shè)備的的穩(wěn)定性和精度要求很高。若中間打印中斷或者精度不夠，打印的產(chǎn)品層與層之間疊加不齊，甚至造成層與層之間錯(cuò)位，打印的產(chǎn)品將報(bào)廢。因此，砂型3D 打印機(jī)各伺服軸運(yùn)動(dòng)精度是設(shè)計(jì)過程中必須考慮的關(guān)鍵因素。倍?？刂葡到y(tǒng)因其具有很好的開放性，兼容性，易于配置，其基于EtherCAT 通信協(xié)議穩(wěn)定可靠，成為自動(dòng)化行業(yè)新的解決方案，本3D打印機(jī)X 軸使用倍福伺服驅(qū)動(dòng)器和直線電機(jī)的控制方案，并使用磁柵尺作為位置反饋傳感器，經(jīng)過調(diào)試配置測(cè)試，使用穩(wěn)定可靠，達(dá)到了很好的效果。

1 系統(tǒng)硬件選擇

1.1 電機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器的選擇

砂型3D 打印機(jī)X 軸運(yùn)行距離較長(zhǎng)，使用絲桿模組加旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝精度難以保證，而且因?yàn)楸诚兜挠绊懀颠\(yùn)動(dòng)過程中位置誤差不易消除，傳動(dòng)系統(tǒng)中的磨損造成的誤差也是不可避免的。采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的方式，可有效消除機(jī)械傳動(dòng)帶來的誤差。電機(jī)選擇倍福直線電機(jī)，型號(hào)是AL2006-0000-0001，伺服驅(qū)動(dòng)器選用同一家產(chǎn)品AX5000，使伺服驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)能夠很好地匹配。

AX5000 系列伺服驅(qū)動(dòng)器開創(chuàng)了驅(qū)動(dòng)性能的新標(biāo)準(zhǔn)。這種全新系列的伺服驅(qū)動(dòng)器除了支持單通道和多通道技術(shù)之外，更在性能和經(jīng)濟(jì)性方面得到了飛躍。其所集成的快速控制技術(shù)使得電流控制周期最快可達(dá)31.25 μs，支持快速及高動(dòng)態(tài)性定位任務(wù)。此款驅(qū)動(dòng)器采用EtherCAT 作為高性能通訊系統(tǒng)，為基于PC 的控制技術(shù)提供了一個(gè)理想的平臺(tái)，同時(shí)，還支持與其他現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的連接[1]。

在本控制系統(tǒng)中，選擇AX5000 系列數(shù)字緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器AX5106-0000-0200，1 軸模塊，100…480 V AC，額定輸出電流6 A，具有高速EtherCAT接口，結(jié)構(gòu)緊湊，便于控制柜安裝，寬電壓，集成電源過濾器等特點(diǎn)。AX5000 提供了靈活、通用的接口選項(xiàng)。本系統(tǒng)使用穩(wěn)定且可靠的BISS_C 協(xié)議用作編碼器的反饋，因此需要配置AX5721-0000 BISS_C 協(xié)議接口卡。

1.2 編碼器選擇

因砂型3D 打印機(jī)特殊的工況，細(xì)小顆粒砂子及灰塵較多，因此選擇抗污能力強(qiáng)的磁柵作為反饋器件，本系統(tǒng)選擇了雷尼紹的LA11 系列磁性絕對(duì)線性編碼器，此編碼器信號(hào)質(zhì)量高、尺寸小，具有LED 功能指示和狀態(tài)指示燈，而且使用穩(wěn)定可靠，安裝時(shí)可通過背膠直接粘貼在導(dǎo)軌平面上，使用簡(jiǎn)便。

本系統(tǒng)選擇的磁性絕對(duì)線性編碼器型號(hào)是LA11DCA2D0KA10CA00，分辨率達(dá)到1μm，完全可以滿足實(shí)際的測(cè)量要求。

2 系統(tǒng)參數(shù)配置

參數(shù)配置涉及編碼器參數(shù)配置，電機(jī)參數(shù)配置和PID 參數(shù)調(diào)節(jié)等，需要再倍福編程軟件Twin-CAT3 中完成，配置完成后下載后配置生效，也可以在線配置，具體配置如下。

2.1 編碼器的參數(shù)配置

2.1.1 編碼器參數(shù)配置準(zhǔn)備

本砂型3D 打印機(jī)系統(tǒng)使用了雷尼紹BISS_C協(xié)議的磁性絕對(duì)線性編碼器，AX5000 驅(qū)動(dòng)器固件需使用2.06.27 或2.10.14，在參數(shù)配置前，需要準(zhǔn)備以下內(nèi)容：

1）確定編碼器供電方式，采用外置供電還是采用接口卡直接供電，本系統(tǒng)中，磁性絕對(duì)線性編碼器的供電使用編碼器接口卡AX5721-0000 上的5 V電源；

2）確定磁性絕對(duì)線性編碼器最大消耗電流，按照手冊(cè)，磁性絕對(duì)線性編碼器的最大消耗電流為150 mA，編碼器接口卡AX5721-0000 的輸出電流可達(dá)250 mA，因此完全滿足要求，另外還要考慮供電電壓因?yàn)榫€路壓降造成的影響；

3）信號(hào)的種類，本系統(tǒng)選擇BISS_C 協(xié)議，需配置編碼器接口卡AX5721-0000；

4）編碼器數(shù)據(jù)位數(shù)，本系統(tǒng)選擇的雷尼紹磁性絕對(duì)線性編碼器26 位數(shù)據(jù)位，左對(duì)齊，最低有效位，2 位狀態(tài)位（觸發(fā)為低電平），6 位奇偶校驗(yàn)位；

5）直線編碼器信號(hào)周期長(zhǎng)度：2 000 000 nm；

6）直線編碼器的分辨率：1 μm.

2.1.2 編碼器參數(shù)配置

1）選擇反饋 在倍福TwinCAT 軟件中，完成對(duì)連接的硬件掃描后，選擇雷尼紹讀頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，如圖1 所示。

圖1 第三方編碼器選擇

2）電源設(shè)置在配置參數(shù)Power settings 參數(shù)中，配置好Correct voltage 為5V 供電，Wait time after power up 參數(shù)設(shè)置為1 000 ms.

3）過程通道設(shè)置 對(duì)于直線編碼器，請(qǐng)以納米為單位設(shè)置“每個(gè)信號(hào)周期的長(zhǎng)度”。如果沒有sin/cos 信號(hào)，對(duì)于直線電機(jī)和電機(jī)與直線編碼器系統(tǒng)，極距=每個(gè)信號(hào)周期的長(zhǎng)度x 每個(gè)旋轉(zhuǎn)的信號(hào)周期。

4）參數(shù)通道設(shè)置

一般情況，參數(shù)通道設(shè)置值是通過直線編碼器配置文件直接加載到參數(shù)表中，不需要單獨(dú)設(shè)置。

2.1.3 時(shí)鐘頻率的限制

伺服驅(qū)動(dòng)器固件大于V2.10 build 0015 允許設(shè)置不同的頻率值，要置的時(shí)鐘頻率的可能值：2 000、2 500、3 333、50 00 kHz，如果設(shè)置了其他值，則軟件將使用下一個(gè)可能更低的值。時(shí)鐘頻率越低，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間越長(zhǎng)。

對(duì)于BISS_C 協(xié)議，在“Ack”周期內(nèi)，編碼器準(zhǔn)備傳輸實(shí)際的位置值。在“Start”的上升沿，意味著系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后開始傳輸數(shù)據(jù)。

在倍福系統(tǒng)中，由于其內(nèi)部循環(huán)周期，在位置開始讀取后，AX5000 需要在特定的時(shí)間點(diǎn)到達(dá)特定的位置。這意味著從第一時(shí)鐘信號(hào)的上升時(shí)間最后CRC 位不得超過18 μs.

因?yàn)椴煌瑥S家或者相同廠家在選型時(shí)不同直線編碼器允許的時(shí)鐘頻率不同，而且數(shù)據(jù)位也不同，因此在傳輸過程中可能存在傳輸周期大于18 μs的情況，可以通過設(shè)置“Pretrigger time encoder to sync”參數(shù)來補(bǔ)償，但此值不能超過15 μs.

2.2 電機(jī)參數(shù)配置

AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器需要計(jì)算的相關(guān)變量有峰值電流的時(shí)間限制（P-0-0052），通道的峰值電流（P-0-0090），通道的額定電流（P-0-0091），配置通道峰值電流（P-0-0092）和配置通道額定電流（P-0-0093），這些參數(shù)在伺服驅(qū)動(dòng)器中主要起安全功能，最大允許過流范圍I×tmax 與驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)有關(guān)。伺服驅(qū)動(dòng)器在計(jì)算時(shí)間tmax 內(nèi)可能超過額定電流，超過額定電流的時(shí)間應(yīng)該被限制到tmax 內(nèi)。這取決于不同電機(jī)不同的峰值和額定電流，具體的：最大允許過流范圍（I×tmax）=（峰值電流－額定電流）×計(jì)算時(shí)間（tmax）[2]，因此，通過減小峰值電流，可以使額定電流超出更長(zhǎng)時(shí)間。

2.3 控制參數(shù)整定

2.3.1 速度環(huán)控制 PID 參數(shù)調(diào)節(jié)（Ziegler-Nichols 方法）

在PID 參數(shù)整定前，請(qǐng)將控制模式切換到2：速度控制模式下進(jìn)行，并關(guān)閉跟隨誤差報(bào)警開關(guān)，如圖2 所示。

速度控制器主要參數(shù)為比例增益Kp（S-0-0100）和積分動(dòng)作時(shí)間Tn（S-0-0101），在選擇電機(jī)時(shí)，將設(shè)置默認(rèn)值，如圖3 所示，使電機(jī)能夠在沒有負(fù)載的情況下安全運(yùn)行。在調(diào)試期間，應(yīng)該調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)，以便在驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)性（控制器帶寬）和噪聲產(chǎn)生之間找到一個(gè)好的折中。

下面介紹的方法初步確定了控制回路的穩(wěn)定性極限。然后根據(jù)Ziegler-Nichols 方法，將確定的增益值與一個(gè)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的因子相乘，以獲得一個(gè)穩(wěn)定的控制回路。在調(diào)整過程中，軸必須能夠在兩個(gè)方向上移動(dòng)，而不需要到達(dá)機(jī)械端停止。例如，應(yīng)該手動(dòng)將其推到行程的中心。

在大多數(shù)情況下，AX5000 工作在“11：位置控制反饋1”模式下工作。為了消除位置控制器的影響，Kv 在位置控制器的整定過程中應(yīng)取0.此外，在速度控制器中將Tn 設(shè)置為0.

應(yīng)該禁用NC 軸的后續(xù)錯(cuò)誤監(jiān)視，或者將其設(shè)置為一個(gè)較大的值，以便在接下來的測(cè)試中不會(huì)觸發(fā)它。

為了確定穩(wěn)定性極限，當(dāng)軸處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在速度控制器中分小步驟增加Kp，直到軸開始振蕩。根據(jù)軸的類型和軸所處的環(huán)境，根據(jù)噪聲的產(chǎn)生來確定穩(wěn)定極限可能就足夠了。當(dāng)Kp達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，許多軸開始發(fā)出“吱吱”聲。在有噪聲的環(huán)境中，對(duì)于必須避免振蕩的軸，應(yīng)使用雙視示波器。

圖2 控制模式切換到速度模式

圖3 控制器主要參數(shù)配置

設(shè)置TwinCAT 的Scope 視圖，使用功能文件→添加→新項(xiàng)目來添加“TwinCAT Measurement”工程的“Scope YT NC Project”，此處不再贅述[4]。

開始測(cè)試動(dòng)作在“NC Functions”下選擇功能“Velo Step Sequence”，要使軸反轉(zhuǎn)，必須用不同的符號(hào)表示兩個(gè)速度。輸入1 秒作為“Idle time”，以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)。

對(duì)示波器圖形進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)軸反轉(zhuǎn)時(shí)，用示波器觀察軸的特性，如圖4 所示，上部的示波器圖案顯示了設(shè)置速度值和實(shí)際速度值，下部的波器圖案顯示了扭矩反饋值。左右兩側(cè)劃分了Kp 值增加之前和增加之后的不同狀態(tài)，右側(cè)顯示在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生了共振.

圖4 不同參數(shù)值扭矩曲線對(duì)比圖

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的不同，達(dá)到的值的極限，視為Kpcrit，還是Kp可以進(jìn)一步增加，直到速度值也出現(xiàn)振蕩，這是系統(tǒng)也將發(fā)出聲音。例如在有滾珠絲杠的應(yīng)用中，電流信號(hào)的振蕩開始于Kp=0.22，只能聽到輕微的“吱吱聲”，在嘈雜的環(huán)境中是聽不到的。在Kp=0.25 時(shí)，速度信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)振蕩。

降低Kp，根據(jù)Ziegler-Nichols 方法，應(yīng)該使用以下公式來確定Kp的正確值，即：Kp=0.45 x Kpcrit[3].

確定Tn，Tn決定積分控制器的積分動(dòng)作時(shí)間。Tn越小，積分控制器的增益越大。Tn的正確值主要取決于電機(jī)與負(fù)載之間耦合的類型。許多應(yīng)用程序在默認(rèn)值Tn=8 ms 時(shí)運(yùn)行得令人滿意。在剛性耦合下，如果跟蹤誤差太大，Tn可以達(dá)到5 ms.

2.3.2 位置環(huán)參數(shù)調(diào)節(jié)

位置環(huán)的比例調(diào)節(jié)。增加Kv可以減小位置跟隨誤差，和加速度前饋配合使用比較合適。需要注意的是位置環(huán)增益的帶寬大概為速度環(huán)增益Kp帶寬的四分之一。（Kv和Kp單位不一樣，所以不是一般意義上數(shù)值的四分之一）。所以Kv的調(diào)節(jié)需要在Kp的基礎(chǔ)上增加，并且如果Kv數(shù)值增大后，速度發(fā)生振蕩，則需要將該值降低。

3 編寫控制程序

倍福TwinCAT3 集多任務(wù)PLC、NC 與編程環(huán)境于一體，使配置、編程等工作在一個(gè)軟件中完成，方便快捷[5，6]。在砂型打印機(jī)應(yīng)用中，各軸主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制方式，可以控制單軸定位或者定速運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)兩軸之間的電子齒輪同步。對(duì)于絕對(duì)值伺服系統(tǒng)而言，常用的軸控制程序包括使能（MC_Power），如圖5 所示；點(diǎn)動(dòng)（MC_Jog）、絕對(duì)位置移動(dòng)（MC_MoveAbsolute），如圖6 所示；運(yùn)動(dòng)停止（MC_Stop）、回零點(diǎn)（MC_Home）和復(fù)位（MC_Reset），如圖7 所示等功能塊[7]。

4 結(jié)論

在砂型3D 打印機(jī)使用過程中，需要注意因磁尺上附著磁性物質(zhì)而造成的反饋失效問題，為了避免此問題，可以在磁性絕對(duì)線性編碼器讀數(shù)頭兩側(cè)安置毛刷，運(yùn)行時(shí)清掃兩側(cè)磁尺上粘貼的磁性物質(zhì)，避免因反饋失效造成的故障停機(jī)問題。

圖5 使能功能塊調(diào)用

圖6 調(diào)用移動(dòng)到絕對(duì)位置功能塊

圖7 調(diào)用復(fù)位功能塊

伺服系統(tǒng)PID 參數(shù)也是影響運(yùn)動(dòng)精度的主要因素，PID 參數(shù)配置不合理，會(huì)造成電機(jī)嘯叫、機(jī)械振動(dòng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響伺服系統(tǒng)運(yùn)行精度；伺服系統(tǒng)的電壓也是影響運(yùn)動(dòng)性能的一個(gè)因素，雖然倍福伺服驅(qū)動(dòng)器電壓范圍較寬，但電壓太低影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能。

本文以倍?？刂葡到y(tǒng)和倍福AX5000 系列伺服驅(qū)動(dòng)器作為控制系統(tǒng)的硬件，搭建了一套基于直線電機(jī)和BISS_C 協(xié)議的磁性絕對(duì)線性編碼器控制系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行配置優(yōu)化，對(duì)伺服軸進(jìn)行編程，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能滿足精度要求，使用穩(wěn)定可靠。