三菱交流伺服系统在数控深孔组合钻床中的应用

简介： 本文叙述的“数控深孔组合钻床”的全 称是“数控气缸体油孔双轴枪钻组合机床”。这种“枪钻”加工技术是为了解决加工深孔而发展起来的。枪钻一次进刀便可加工出高精度(孔径精度、位置精度、几何精度)及 ...
本文叙述的“数控深孔组合钻床”的全 称是“数控气缸体油孔双轴枪钻组合机床”。这种“枪钻”加工技术是为了解决加工深孔而发展起来的。枪钻一次进刀便可加工出高精度(孔径精度、位置精度、几何精度)及高光洁度的深孔。枪钻钻头是一种特制的中空钻头，长度为1000mm不等，其前端非刃口部分设有通孔管道，与外部冷却液泵相通，用以冷却和冲屑。 作者采用三菱电机公司的可编程控制器(PLC)、定位单元、人机界面(触摸屏)、变频器配合两套交流伺服系统驱动滚珠丝杆和动力头，从导轨左右两侧向中心位置的气缸体工件推动进刀，实现了枪钻钻头进刀的精确定位和工件的高精度加工。(参见图1)

图1 深孔组合钻床示意图
深孔组合钻床的自控系统选型
交流伺服系统选型
选用三菱HC-SFS502型电机，它的额定转矩为23.9Nm，最大转矩为71.6Nm，功率为5kW，属中惯量、中功率类型电机。配套伺服放大器为MR-J2S-500A。该系统的技术参数如下:
额定转速:2000r/min;
最大转速:3000r/min;
允许瞬间速度:3450r/min;
l高精度绝对值光电编码器:17位编码器的分辨率为每转217=131072个脉冲。
l非常齐全的保护功能:具有过电流、过电压、过载、电机过热、编码器故障、再生故障、欠电压或瞬间电源故障、超速、误差过大等各种保护。
PLC及定位单元的选型
三菱FX2N-PLC是FX系列中最先进的超级微型PLC，具有高速、高性能的特性:一条基本指令运算时间为0.08μs;一条应用指令运算时间约为1.52 ~ 100μs。FX2N-80MR的输入点和输出点均为40点。
FX2N-20GM系列定位单元。它具有如下特性:
能提供2路脉冲输出并能实现直线插补和圆弧插补;
不仅能处理单速定位和中断定位，而且能进行多速运行等复杂的控制;
最大可输出2路200kHz的高速脉冲。
可以不连接PLC而独立运行，功能非常强大，特别适用于数控金属切削机床。
采用彩色可视化的定位参数设置软件，可以非常方便地设置参数和监控定位运行。
20GM定位单元的脉冲当量(即每个脉冲对应的进给量)由设置软件设定，最高设定可达到位移1μm / 脉冲或旋转0.001°/ 脉冲，比PLC主机脉冲高出一个数量级。
能够接受“手动脉冲发生器”的信号，可以在动态时对定位系统进行非常精细的调整。
变频器的选型
选用小型高性能的FR-E540-3.7K-CH型号，特性如下:
采用磁通矢量控制，能实现1Hz运行150%转矩输出;
具有PID调节、15段速度等多功能选择。深孔组合钻床就是采用PLC控制变频器的多段速度，进而控制枪钻电机的旋转速度。
伺服系统参数设置、定位单元设置和PLC编程
伺服系统参数设置
“电子齿轮”的计算
“电子齿轮”即“指令脉冲倍率”是伺服系统的一个重要参数。它的表达式是:指令脉冲倍率分子/ 指令脉冲倍率分母= CMX / CDV。它的设定范围因机型而异，MR-J2S系列为:1/50＜CMX / CDV＜500，具体计算方法如下:
已知机械规格:
滚珠丝杆进给量b=8mm;
减速机减速比:未使用减速机，n=1;
伺服电机编码器分辨率t=131072(脉冲 / 转);
脉冲当量:△L=10μm=10×10-3 mm(考虑机械加工精度，未采用△L=1μm精度);
计算:
因此设定CMX=4096 CDV=25
表1 MR-J2S-100A 伺服放大器主要参数实际设定表

定位单元20GM的设置及PLC编程
三菱FX2N-20GM(简称20GM)是一种小型智能化定位单元，它完备的功能完全可以与大中型PLC定位模块媲美。20GM采用FX-VPS-E软件，它的流程图窗口由可视化的各种彩色符号块组成，用“有向连线”连接，具有形象、直观、简洁、易用的特点。双击对应的指令符号块即出现“参数设置”的形象化对话框，可以很方便地进行操作。(参见图3)
FX-VPS-E软件共有三个窗口:监视窗口、参数设置窗口和流程图窗口。
监视窗口
该窗口设置有X轴 / Y轴的DOG(近点开关)、START(启动)、STOP(停止)、ZRN(原点回归)、FWD(正转)、RVS(反转)以及Ready(就绪)、Completed(完成)、Error(故障)、Zero Completed(回零完成)等参数。操作者可以在软件视窗上用鼠标点击相应的参数框，即可驱动定位单元，进而驱动伺服系统并且可以进行实时监测。(参见图2)
图2 FX-VPS-E软件的组合钻床“操作、监视”窗口
参数设置窗口
该窗口可以对定位单元的定位参数(含单位体系、机械零点、速度等)、1 / O参数(含编号、M代码、手动脉冲发生器、绝对位置等)和系统参数(含系统、子任务等)进行形象化设置。(参见图4)
定位参数的单位体系设置分为三种:单位机械体系、单位电气体系和单位综合体系。
流程图窗口
该窗口将三个大类的流程图符号用“有向连线”按顺序控制的流程连接，非常方便。(参见图3)
20GM定位单元与PLC主机通讯程序编制
在20GM定位单元与PLC主机之间的通讯数据由FROM / TO指令控制。在20GM中有专门用于通讯的缓冲存储器BFM，每个BFM由16个位(一个字)组成。BFM编有号码，对应地在PLC中分配有输入继电器、输出继电器、辅助继电器以及特殊辅助继电器等。
使用TO指令从PLC传送数据"写"到20GM的数据设备中，使用FROM指令从20GM中传送数据"读"到PLC的数据寄存器中。
图3 FX-VPS-E软件的组合钻床“流程图”
深孔组合钻床使用TO指令的PLC程序实例:
LD M8000; 特殊辅助继电器;
TO K0 K20 K4M100 K1 PLC的M100~M115对应20GM的缓冲存储器#20;
TO K0 K21 K4M200 K1 PLC的M200~M215对应20GM的缓冲存储器#21 。
以上PLC程序建立了20GM与PLC辅助继电器(触摸屏)的联系，可以从触摸屏或者外部按钮通过PLC向20GM发出各种操作命令:
X轴 Y轴
Step run(单步运行) M100 M200
Start(启动) M101 M201
Stop(停止) M102 M202
M code off(M代码关) M103 M203
Zero return(原点回归) M104 M204
FWD Jog(正转点动) M105 M205
RVS Jog(反转点动) M106 M206
Error reset(故障复位) M107 M207
Zero return axis(回零轴控制)
M108 M208
深孔组合钻床使用FROM指令的PLC程序实例:
LD M8000 特殊辅助继电器;
FROM K0 K23 K4M300 K1 20GM的缓冲存储器#23对应PLC的M300~M315;
FROM K0 K25 K4M400 K1 20GM的缓冲存储器#25对应PLC的M400~M415。
以上程序建立20GM与PLC辅助继电器的联系，可以从触摸屏对应的PLC辅助继电器反映20GM的运行状态;
X轴 Y轴
Ready/Busy(就绪/占用) M300 M400
Completed(完成) M301 M401
Error detection(故障检测) M302 M402
M code on(M代码开) M303 M403
M code waiting(M代码等待) M304 M404
M00 waiting(M00等待) M305 M405
Stop waiting(停止等待) M306 M406
Auto running(自动运行) M307 M407
Zero completed(回零完成) M308 M408
系统调试
现场调试系统时，先用一台电脑用软件检测监视伺服放大器状态，另一台电脑用软件视窗驱动20GM定位单元，同时观察伺服电机的运动，以验证伺服系统和定位单元的自身接线是否正确。然后用触摸屏和外部相关开关按钮进行操作，验证所有程序的正确性。
我们设计的“机械零点回归”控制方案是:伺服电机驱动的动力头在返回原点碰到DOG近点开关后，开始降速，并继续向后运动一圈后，开始爬行一段距离，再行停止。相关参数如可以在软件中设置(参见图2)。但在实际调试时，发现Y轴动力头碰到DOG近点开关后就立即停止，与参数设置不符;另外发现Y轴伺服放大器"电子齿轮"所决定的电机定位数据与理论计算有较大出入。经过对硬件设备的多次检查，发现自行焊接的伺服放大器与20GM的通讯电缆有些问题:因为接点多而细密，容易接触不良，使个别数据线开路而无法正常通讯，造成了上述故障。于是另行购置了型号为E-GMJ2-200CAB1A的三菱原装电缆，系统才正常工作，包括“电子齿轮”也恢复到理论计算数值。这个教训非常深刻，值得引以为戒:在工程中切不可“因小失大”。
由于系统采用了20GM智能化定位单元和高品质的三菱伺服系统等，系统调试也较为简便，其调试结果也令人非常满意。
结束语
从深孔组合钻床数控系统的设计开发中，我们看到了触摸屏、PLC、定位单元和交流伺服系统的配合，具有编程灵活、使用方便、性能可靠、价格低廉等优点。与机床专用数控系统CNC比，有较大的价格优势;与传统的单片计算机控制系统、多轴运动控制卡系统相比，有稳定可靠、编程灵活的优势。
图4 FX-VPS-E软件的“机械零点参数”设置窗口
现在数控金属切削机床以及各行各业的专用机械，越来越多地采用本文介绍的通用自控系统和交流伺服系统配合的方案。在机械控制的各种类型中，如X-Y工作台控制、回转工作台控制、进给控制、同步给进控制、辊道送进控制、复杂轨道运动控制等等，其具体控制形式表现为:直线插补、圆弧插补、等速轨道控制、高速高精度轨道运算、速度切换控制、速度-位置控制、定尺送进等等，所有这些控制要求都可以采用不同档次的触摸屏、PLC、定位控制单元甚至运动控制器与交流伺服电机构成数控系统，以求得技术上先进、经济上合理的最佳解决方案。