《伺服與運(yùn)動控制》2012第1期 浙江工業(yè)大學(xué) 李坤  供稿

第一章引言

　　真空成型機(jī)是一種采用熱成型工藝對冰箱內(nèi)膽進(jìn)行加工生產(chǎn)的大型設(shè)備。成型機(jī)的設(shè)計(jì)和制造在它的生產(chǎn)涉及了控制理論,、熱成型工藝學(xué),、材料學(xué)、紅外輻射、熱傳導(dǎo),、總線通信,、氣壓液壓傳動以及機(jī)械傳動等多學(xué)科的知識，成型機(jī)是多學(xué)科知識交叉和融合的集中體現(xiàn),。長期以來,，我國塑料加工成型機(jī)的技術(shù)水平一直落后于日本、美國,、德國等國家,。雖然我國也能進(jìn)行成型機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，但是在設(shè)備的自動化程度,、安全性,、穩(wěn)定性和速度等指標(biāo)上還遠(yuǎn)達(dá)不到歐美日等國家的水平，這使得國內(nèi)高端成型機(jī)的市場長期被幾大國外品牌所占據(jù),，造成了大量的外匯開支,。

　　針對當(dāng)前我國各行各業(yè)雖然比較齊全，但是設(shè)計(jì)水平還不是很高的現(xiàn)狀,，國家提出了建設(shè)創(chuàng)新型社會的號召,，鼓勵(lì)對于國外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，以改變我國各行業(yè)大而不強(qiáng)的面貌,。本項(xiàng)目的實(shí)施和本文的最終完成就是在這種大環(huán)境下進(jìn)行的,。本文重點(diǎn)并詳細(xì)介紹了真空成型機(jī)控制系統(tǒng)中傳動部分的控制方法。

　　第二章工藝流程及控制要求

　　真空成型機(jī)是對薄軟非金屬材料（主要是熱塑性塑料）用模具進(jìn)行熱成型加工的大型設(shè)備,。在電冰箱生產(chǎn)線,，主要用于生產(chǎn)電冰箱和半導(dǎo)體電子冰箱的內(nèi)膽（冷藏室和冷凍室箱體），是冰箱生產(chǎn)線上的重要設(shè)備,。由于真空成型機(jī)體型龐大,、工藝復(fù)雜，并且涉及到電氣,、機(jī)械,、氣壓與液壓傳動等多學(xué)科的知識，使得成型機(jī)具有投資大,、控制難度高,、維護(hù)要求高等特點(diǎn)。目前高質(zhì)量的真空成型機(jī)主要依賴進(jìn)口,。

　　如圖1所示為四工位真空成型機(jī),。

　　四工位真空成型機(jī)，“四工位”我們可以理解為四個(gè)工段,，即一張片材要先后經(jīng)過四個(gè)工段的加工后才能得到制品,，也就是冰箱內(nèi)膽,。這四個(gè)工段分別是



　　下面我將分別介紹一下這四個(gè)工段，以使讀者對四工位真空成型機(jī)有一個(gè)大概的了解,。



　　圖1四工位真空成型機(jī)圖樣

　　上料工位

　　上料工位用于存放設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)所用的片材（主要是ABS和HIPS兩種熱塑性材料,，加工尺寸最大為1860*900mm，最小為1100*535mm）,，并按照一定的生產(chǎn)工序要求,，將片材送到下一工位：預(yù)加熱工位。上料工位主要包括兩部分,，一是移載車,，二是供給車。移載車做橫向運(yùn)動,，用于將分布在設(shè)備兩側(cè)的片材放置到供給車上；供給車做縱向運(yùn)動,用于將片材送到下一工位：預(yù)加熱工位,。

　　預(yù)加熱工位

　　預(yù)加熱工位用來對從上料工位運(yùn)來的,，待加工成型的片材進(jìn)行預(yù)加熱，以使片材能得到初步軟化,，并節(jié)省最終加熱時(shí)間,，見圖2(a)。對片材加熱所用加熱器為淺野研究所開發(fā)出的快速反應(yīng)加熱器（PAT）,，這種加熱器以紅外加熱瓦為基本單位,，采取了遠(yuǎn)紅外線輻射的方式對塑料進(jìn)行加熱，不需熱傳介質(zhì)傳遞,，熱效率良好,，并可以根據(jù)加熱狀況和控制條件隨時(shí)調(diào)整發(fā)熱量，節(jié)約電能,。

　　在預(yù)加熱工位,，加熱是由上、下加熱器共同作用的,，上,、下加熱器各有98塊加熱瓦（0.4kw），功率分別為39.2kw,。加熱工位片材在預(yù)加熱工位得到了初步的加熱,，并有所軟化，在經(jīng)過一定的加熱時(shí)間后,，片材進(jìn)入加熱工位,。在這里，片材在上,、下兩塊加熱器的共同作用下,，得到更進(jìn)一步的,、深度的加熱。通過這種深度的加熱,，可以使片材最終的軟化程度達(dá)到成型的要求,，這時(shí)，片材的中間部位軟化最為嚴(yán)重,，這個(gè)區(qū)域會向下彎曲,，使得片材形狀呈碗形，參見圖2(b),。

　　加熱工位所用加熱器與預(yù)加熱工位相同,，只是加熱瓦數(shù)量比預(yù)加熱工位更多，功率也比預(yù)加熱工位更大,。在加熱工位,，上、下加熱器分別有144塊加熱瓦,，功率分別為57.6kw,。

　　3.成型定位

　　加熱工位的下一個(gè)工段是成型工位。片材在經(jīng)過預(yù)加熱工位和加熱工位的加熱,，并且片材的軟化程度達(dá)到成型規(guī)定的要求后,，將會在成型工位處得到加工，并最終得到冰箱內(nèi)膽制品,。

　　成型工位部分主要包括上,、下平臺，凸,、凹模具,，以及配套的真空、壓空,、冷卻系統(tǒng)等,。其中，凸,、凹模具能互相吻合,，凸模具固定在上平臺，凹模具固定在下平臺上,，平臺的移動靠液壓系統(tǒng)來控制,，模具隨著平臺的運(yùn)動而運(yùn)動。當(dāng)軟化后的片材移動到成型工位并固定后,，上,、下平臺相向運(yùn)動，下平臺首先與片材接觸并形成一個(gè)密閉的空間,，并抽真空,，使得片材進(jìn)一步彎曲,，對片材起到預(yù)拉伸的作用，當(dāng)上平臺也與片材接觸并形成密閉空間后,，抽真空,，同時(shí)下平臺改為充入壓縮氣體，使片材緊貼在模具上,，最后冷卻,，脫模，得到內(nèi)膽制品,。具體成型過程可參見圖2(c)(d)(e),。

　　2.3控制要求

　　1.設(shè)備具有手動和自動兩種狀態(tài)。

　　手動狀態(tài)下,，操作人員可以通過按鈕來控制成型機(jī)的動作,，如移載車前進(jìn)、







　　圖2片材成型過程示意圖

　　后退,；供給車前進(jìn),、后退；平臺上升,、下降等，手動按鈕用于設(shè)備的調(diào)試,，以及某些緊急情況下的應(yīng)急處理,。

　　自動狀態(tài)是成型機(jī)控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，在自動狀態(tài)下,，片材的吸取,、加熱、成型完全依靠控制器按照設(shè)定的程序來運(yùn)行,，不需要人工干預(yù),，即一種完全自動化流水線的生產(chǎn)狀態(tài)，操作人員只需在成型工位處將不斷成型的制品取出便可,。

　　2.設(shè)備具有正常停止和緊急停止功能

　　因?yàn)槌尚蜋C(jī)在運(yùn)行期間采用循環(huán)工作方式,，只有在工作結(jié)束時(shí)才能停止，這時(shí),，設(shè)備要能根據(jù)控制器的命令自動停止系統(tǒng)運(yùn)行,；而緊急停止則用于緊急情況的處理，當(dāng)這一功能生效時(shí),，加熱器,、平臺等成型機(jī)所有部件立即停止運(yùn)行。

　　3.設(shè)備要有報(bào)警功能,，當(dāng)設(shè)備發(fā)生聯(lián)鎖故障或是其它嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),，系統(tǒng)要具有聲光報(bào)警,，提醒操作人員發(fā)生故障，并能用一定的故障碼來表示一定的故障,。

　　4.通訊系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求：

　　數(shù)字量采集周期<0.1s,；

　　模擬量采集周期<0.2s；

　　控制命令響應(yīng)時(shí)間:①控制命令回答響應(yīng)時(shí)間

　?、诮邮軋?zhí)行命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時(shí)間<1s,；

　　③報(bào)警或事件產(chǎn)生到畫面顯示和發(fā)出的響應(yīng)時(shí)間<0.5s,。

　　第三章數(shù)控伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　真空成型機(jī)包括四個(gè)工位,，即上料、預(yù)加熱,、加熱,、成型。每一工位片材或成品的移動是靠橫貫于這四個(gè)工位的兩條鏈條帶動來實(shí)現(xiàn)的,，當(dāng)需要片材往前移動時(shí),，由鏈條的鏈齒夾住片材向前運(yùn)動。在生產(chǎn)中,，鏈條的移動需要滿足一定的控制要求,，如鏈條的控制設(shè)備起動及低速運(yùn)行時(shí)要具有較大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng),，具有較寬的調(diào)速范圍,，而且要響應(yīng)速度快，能急起急停,，準(zhǔn)確定位等,。一般通用型的變頻器，即使加編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制,，也不能完全滿足上述要求,。在這種情況下，采用伺服控制是最佳的選擇,，由于伺服電機(jī)的材料,、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的交流異步電機(jī)，伺服控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大,，過載能力強(qiáng),，穩(wěn)定性好，控制精度高,，響應(yīng)快,，伺服系統(tǒng)能較好地滿足系統(tǒng)控制要求。在本系統(tǒng)中選擇的伺服系統(tǒng)是FANUCPowerMate-A-20S,，其中,，PowerMate-A指的是伺服控制器型號,，20S指的是伺服電機(jī)型號，即FANUC公司S系列交流伺服電機(jī)中的20S子系列,。

　　嚴(yán)格意義上來說,，在本系統(tǒng)中，鏈條的控制是靠數(shù)控系統(tǒng)來完成的,，伺服系統(tǒng)只是數(shù)控系統(tǒng)的一部分,，它負(fù)責(zé)將數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床（指鏈條）連接起來，并準(zhǔn)確地執(zhí)行CNC系統(tǒng)發(fā)來的運(yùn)動命令,，按照要求驅(qū)動機(jī)床（鏈條）,。因此，如果說CNC系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”,，那么,，伺服驅(qū)動部分便是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，執(zhí)行機(jī)構(gòu),。下面我將結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)簡要介紹數(shù)控和伺服方面的知識,。

　　數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（NumericalControl—NC）,，是利用數(shù)字化信息對機(jī)械運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法,，由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此,，也可稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerizedNumericalControl—CNC）,，而用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的整體成為數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem），數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部分,，數(shù)控機(jī)床在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，自動地按給定的程序進(jìn)行機(jī)械零件的加工,，在本系統(tǒng)中,，表現(xiàn)為鏈條在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，按照要求在合適的時(shí)間,，以一定的速度前進(jìn)或后退,。

　　數(shù)控系統(tǒng)由用戶程序、輸入輸出設(shè)備,、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）,、可編程控制器（PMC）、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給驅(qū)動裝置,、位置檢測裝置等組成,，其中，數(shù)控裝置（CNC）是數(shù)控系統(tǒng)的核心,。如圖3所示為數(shù)控系統(tǒng)基本組成,。



　　圖3數(shù)控系統(tǒng)基本組成

　　3.1數(shù)控裝置CNC

　　從自動控制的角度來看,，數(shù)控系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動軸)的位移量為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動的自動控制系統(tǒng),，而CNC則是數(shù)控系統(tǒng)的中央控制器,，對于我們的數(shù)控系統(tǒng)來說，F(xiàn)ANUCPowerMate-A便是系統(tǒng)的CNC,，只不過PowerMate-A除了包含狹義上的數(shù)控裝置（CNC）外,，還將伺服放大器、PMC等集成在了一起,，可見圖3所示,。

　　3.1.1CNC裝置的功能

　　CNC裝置通過硬件和軟件的緊密結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)諸如以下功能：

　　控制功能

　　CNC能控制的軸數(shù)和能聯(lián)動控制的軸數(shù)是CNC的主要性能指標(biāo)之一,。一般數(shù)控車床只需2軸控制（2軸聯(lián)動）,，聯(lián)動控制軸數(shù)越多，CNC系統(tǒng)就越復(fù)雜,，編程也越困難,。在我們的系統(tǒng)中，因?yàn)橹恍枰刂奇湕l在縱向方向上的前進(jìn)運(yùn)動,，故CNC采用單軸控制即可滿足要求,。

　　準(zhǔn)備功能（G功能）

　　用來指揮機(jī)床動作方式，如基本移動,、坐標(biāo)設(shè)定,、基準(zhǔn)點(diǎn)返回、固定循環(huán),、程序暫停等,。

　　插補(bǔ)功能

　　插補(bǔ)功能是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零件輪廓(平面或空間)加工軌跡運(yùn)算的功能。所謂“插補(bǔ)”就是指在一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化,。插補(bǔ)的任務(wù)就是根據(jù)進(jìn)給速度的要求,，在一段零件輪廓的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn),，分別向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出方向,、大小和速度都確定的運(yùn)動序列指令。

　　主軸速度功能

　　CNC裝置可以控制主軸的運(yùn)動,，也可實(shí)現(xiàn)主軸的速度控制和準(zhǔn)確定位,，主軸轉(zhuǎn)速單位為r/min。

　　進(jìn)給功能

　　用F代碼可以直接控制各軸的進(jìn)給速度,，進(jìn)給速度是指控制刀具相對工件的運(yùn)動速度,，單位為mm/min。在成型機(jī)的控制系統(tǒng)中，進(jìn)給速度指的是鏈條前進(jìn)的速度,，這個(gè)值在程序中設(shè)為71470,，即1191.2mm/s。

　　補(bǔ)償功能

　　輔助功能

　　輔助功能是數(shù)控加工中不可缺少的功能,，常用的輔助功能有程序停,、主軸正/反轉(zhuǎn)等。

　　程序編輯功能

　　CNC借助輸入輸出設(shè)備如DPI/MDI,、CRT/MDI等可以實(shí)現(xiàn)加工程序的輸入/輸出,、編輯功能。

　　輸入輸出和通信功能

　　CNC裝置可以接多種輸入/輸出外部設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)程序和參數(shù)的輸入,、輸出和存儲。CNC裝置還具有RS-232,、網(wǎng)絡(luò)功能等接口,，實(shí)現(xiàn)通信功能。

　　自診斷功能

　　CNC裝置中設(shè)置了各種診斷程序,，可以防止故障的發(fā)生或擴(kuò)大,。在故障出現(xiàn)后可迅速查明故障類型及部位，減少故障停機(jī)時(shí)間,。借助輸入/輸出設(shè)備如DPI/MDI,、CRT/MDI可以很方便地查詢設(shè)備狀態(tài)所對應(yīng)的診斷號，并根據(jù)診斷號的顯示來查找故障,。

　　3.1.2CNC裝置的分類

　　CNC裝置所實(shí)現(xiàn)的功能是在硬件支持下,，通過系統(tǒng)軟件控制所完成的，其控制功能在相當(dāng)程度上取決于硬件結(jié)構(gòu),。數(shù)控裝置的硬件結(jié)構(gòu)按CNC裝置中的印刷電路板的插接方式可以分為大板結(jié)構(gòu)和功能模塊結(jié)構(gòu),；按CNC裝置中微處理器的個(gè)數(shù)可以分為單微處理器結(jié)構(gòu)和多微處理器結(jié)構(gòu)。

按照印刷電路板的插接方式：

　　大板結(jié)構(gòu)

　　在這種結(jié)構(gòu)下,，CNC裝置由主電路板,、位置控制板、圖形控制板,、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印制電路版,，其它電路板是小板,，插在大印制電路板上的插槽內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)類似于微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu),。

　　功能模塊結(jié)構(gòu)

　　在這種結(jié)構(gòu)中,，整個(gè)CNC裝置按功能模塊化分為若干個(gè)模塊，硬件和軟件的設(shè)計(jì)都采用模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)功能模塊做成尺寸相同的印制電路板,，相應(yīng)功能模塊的控制軟件也模塊化,。用戶根據(jù)需要選用各種控制單元母板及所需功能模板，將各功能模板插入控制單元母板的槽內(nèi),，就組成了自己需要的CNC系統(tǒng)的控制裝置,。常用的功能模板有CNC控制板、位置控制板,、PC板,、存儲器板、圖形板和通信板等,。

　　按照微處理器的個(gè)數(shù)：

　　單微處理器結(jié)構(gòu)

　　所謂單微處理器結(jié)構(gòu),，是指在CNC裝置中只有一只微處理器（CPU）。工作方式是集中控制,，分時(shí)處理數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù),。單微處理器結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn),。單微處理器結(jié)構(gòu)見圖4所示,。

　　單微處理器CNC裝置可劃分為計(jì)算機(jī)部分、位置控制部分,、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口及外圍設(shè)備,。CPU是CNC裝置的核心，CPU執(zhí)行系統(tǒng)程序,，首先讀取工件加工程序,，對加工程序段進(jìn)行譯碼和數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后得到的指令,，進(jìn)行對該加工程序段的實(shí)時(shí)插補(bǔ)和機(jī)床位置伺服控制,；它還將輔助動作指令通過可編程控制器（PMC）送到機(jī)床，同時(shí)接收由PMC返回的機(jī)床各部分信息并予以處理,，以決定下一步操作,。



　　圖4單微處理器結(jié)構(gòu)組成

　　位置控制部分包括位置控制單元和速度控制單元。位置控制單元接收經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得到的每一個(gè)坐標(biāo)軸在單位時(shí)間內(nèi)的位移量,，控制伺服電機(jī)工作,，并根據(jù)接收到的實(shí)際位置反饋信號，修正位置指令,，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動的準(zhǔn)確控制,。同時(shí)產(chǎn)生速度指令送往速度控制單元，速度控制單元將速度指令與速度反饋信號相比較,，修正速度指令,，用差值去控制伺服電機(jī)使其以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn),。

　　數(shù)據(jù)輸入/輸出接口是CNC裝置與操作者之間交換信息的橋梁。例如,，通過MDI方式或串行通信,，可將工件加工程序送入CNC裝置；通過DPL或CRT顯示器,，可以顯示工件的加工程序和其他信息,。

　　多微處理器結(jié)構(gòu)

　　由兩個(gè)或兩個(gè)以上的CPU構(gòu)成處理部件，各處理部件之間通過一組公用地址和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接,。每個(gè)CPU都可享用系統(tǒng)公用存儲器或I/O接口,，并分擔(dān)一部分?jǐn)?shù)控功能，從而將單微處理器的CNC裝置中順序完成的工作,，轉(zhuǎn)變?yōu)槎辔⑻幚砥鞑⑿?、同時(shí)完成的工作，因而大大增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的性能,。多微處理器結(jié)構(gòu)的CNC裝置通常采用模塊化結(jié)構(gòu),，采用共享總線和共享存儲器兩種典型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊間的互連與通信。

　　日本FANUC公司是世界從事數(shù)控產(chǎn)品生產(chǎn)最早,、產(chǎn)品市場占有率最大,、最有影響的數(shù)控類產(chǎn)品開發(fā)、制造廠家之一,，該公司自20世紀(jì)50年代開始生產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品以來,，至今已開發(fā)生產(chǎn)了FS0系列、FS6,、FS15,、FS16、FS18,、FS21/210,、PowerMate等數(shù)十個(gè)系列的控制系統(tǒng)。該公司的早期產(chǎn)品如FS6等主要采用大板結(jié)構(gòu),，并采用了68000系列微處理器與專用大規(guī)模集成電路,，如：BAC（總線仲裁控制器）、IOC（輸入輸出控制器）,、M887103（位置控制芯片）,、OPC（操作面板控制器）以及SSU（系統(tǒng)支持單元）等，這在當(dāng)時(shí)都具有先進(jìn)的水平,。FANUC公司的較新型號的CNC裝置產(chǎn)品,，如FS15等系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)易于拆裝,，各個(gè)控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修,、更換,。該系列CNC系統(tǒng)為多微處理器控制系統(tǒng)，在硬件方面采用了模塊式多主總線（FANUCBUS）結(jié)構(gòu),，主CPU為68020,，同時(shí)還用一個(gè)子CPU，所以該系列的CNC系統(tǒng)適用于大型機(jī)床,、復(fù)合機(jī)床的多軸控制和多系統(tǒng)控制,。

　　PowerMate-A是FANUC公司早期產(chǎn)品系列之一，它在控制電路中采用了高速32位微處理器,、專用大規(guī)模集成電路,、半導(dǎo)體存儲器等器件，具有較高的系統(tǒng)可靠性和性能價(jià)格比,。PowerMate-A在硬件結(jié)構(gòu)上采用了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式,，由控制板、I/O板,、電源板等構(gòu)成,。其中最上面的A板是IO板，用于數(shù)控系統(tǒng)和外部的開關(guān)信號交換,；中間的B板是控制板,，它將PMC與CNC集成在這個(gè)板上，用于核心控制,、運(yùn)算,、存儲、伺服控制等,，此外,，通過數(shù)控主板上的RS232，以及DPL/MDI等通信口還可與外設(shè)進(jìn)行通信,；最下面的C板是電源板,，用于完成系統(tǒng)的整流逆變和功率放大等功能。如圖5所示為PowerMate-A結(jié)構(gòu)示意圖,。



　　圖5PowerMate-A結(jié)構(gòu)示意圖

　　31.3CNC加工程序

　　數(shù)控機(jī)械是依據(jù)程序來控制其加工運(yùn)轉(zhuǎn)動作的,。當(dāng)數(shù)控機(jī)械執(zhí)行零件加工時(shí)，首先須把加工路徑和加工條件轉(zhuǎn)換為程序,，并將程序輸入到CNC中,，這種程序即稱為加工程序。

　　數(shù)控加工中的動作在加工程序中用指令的方式予以規(guī)定,，其中包括準(zhǔn)備功能G,、輔助功能M,、主軸轉(zhuǎn)速功能S、刀具功能T和進(jìn)給功能F等,。

　　準(zhǔn)備功能G又稱“G代碼”,，它是用來指令車床工作方式或控制系統(tǒng)工作方式的一種命令，G功能由地址符G和其后的兩位數(shù)字組成（00—99）,，從G00到G99共100種功能,，用以指令機(jī)床不同的動作，如用G01來完成直線插補(bǔ)功能,。

　　輔助功能M是用地址M及兩位數(shù)字表示的,，主要用于機(jī)床加工操作時(shí)的工藝性指令。如M03表示主軸正轉(zhuǎn),，M05表示主軸停止等,。

　　主軸轉(zhuǎn)速S功能用于指令主軸的轉(zhuǎn)速，單位是r/min,。如G97S1500表示主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min,。

　　刀具功能T用于指令數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行選刀或換刀。

　　進(jìn)給功能F用于指定進(jìn)給速度,，單位是mm/min或mm/r,。如F20.54表示進(jìn)給速度為20.54mm/min。

　　加工程序由一系列加工的一組程序段組成,，程序段是指用來表示完成一定動作,、一組操作的全部指令，用于區(qū)分每個(gè)程序段的號叫做順序號,，程序段中用來完成一定功能的某一具體指令稱為字,。

　　本系統(tǒng)CNC所運(yùn)行的加工程序如下所示，它主要完成控制工件在X軸方向上以一定的控制要求前進(jìn)或停止的工序,。

　　O0001

　　G65H01P#500Q#1200;

　　G92X0;

　　G01G91X#500F71470;

　　M03;

　　M30;

　　N10G65H03P#501Q#1200R5000;

　　G92X0;

　　G01G91X#501F71470;

　　G65H01P#1100Q1;

　　G31G91X50F20000;

　　G65H01P#1100Q0;

　　M03;

　　M30;

　　3.2可編程機(jī)床控制器PMC

　　PMC與PLC非常相似,，但是因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)中的PLC是專門用于控制機(jī)床的，而且有多條專用指令,，所以被稱為PMC——可編程機(jī)床控制器（ProgrammableMachineController）,。PMC采用順序邏輯控制，負(fù)責(zé)算術(shù)邏輯處理,，用于機(jī)床或其他系統(tǒng)的順序控制,，CNC裝置和外部信號的交互，在CNC和外部信號之間起到一個(gè)橋梁的作用,。PMC的程序采用梯形圖的格式,，其程序稱為順序控制程序。PMC時(shí)刻掃描機(jī)床側(cè)的輸入信號和強(qiáng)電柜控制信號的執(zhí)行結(jié)果,，CNC一啟動,，PMC程序就運(yùn)行,，它與CNC執(zhí)行加工程序是并行運(yùn)行的。關(guān)于PMC與CNC以及外部I/O信號之間的關(guān)系可參見圖3所示,。由機(jī)床至PMC的輸入信號,，由PMC至機(jī)床的輸出信號，由CNC至PMC的輸入信號,，由PMC至CNC的輸出信號，這些信號在PMC程序中,，其地址符號分別以X,，Y，F(xiàn),，G來表示,。

　　FANUC數(shù)控系統(tǒng)具有PA1、PA3,，SA1,、SA3等多種規(guī)格的PMC，不同的規(guī)格,，PMC的程序容量,、處理速度、功能指令數(shù),、非易失性存儲區(qū)地址也不同,。PowerMateA數(shù)控系統(tǒng)中使用的是PMC-P系列，其規(guī)格見表1所示,。

　　從表格我們可以看到,，PMC-PA1的程序級數(shù)是2級，第一級程序執(zhí)行周期是8ms,。所謂的程序級數(shù)是指這樣的：PMC的順序程序是由梯形圖的開頭執(zhí)行直至結(jié)尾結(jié)束,，程序執(zhí)行完畢后，再循環(huán)執(zhí)行,。PMC的順序程序由兩部分組成,，第一級程序部分和第二級程序部分。第一級程序部分僅處理包括急停,，返回參考點(diǎn)減速,，跳步，到達(dá)測量位置和進(jìn)給暫停信號等,，這部分程序每8ms（即第一級程序執(zhí)行周期）執(zhí)行一次,。為了執(zhí)行第一級程序，第二級程序被分割成N份,，每個(gè)8ms執(zhí)行一份第二級程序,，這樣,，在8×Nms后，第二級程序執(zhí)行完一次,，程序又從頭開始執(zhí)行,。程序執(zhí)行過程如圖6所示。

　　表1FANUCPMC-P系列規(guī)格表

　　

 

 

 

 

 

 

     



 在一個(gè)第一級程序執(zhí)行周期即8ms內(nèi),，其中的1.25ms用于執(zhí)行第一和第二級程序,，剩余時(shí)間由CNC使用。如果第一級程序的步數(shù)增加,，那么在8ms內(nèi)第二級程序動作的步數(shù)就要響應(yīng)減少,，因此分割數(shù)要變多，整個(gè)程序處理時(shí)間變長,，因此第一級程序應(yīng)編得盡可能短,，僅處理包括急停，返回參考點(diǎn)減速,，跳步,，到達(dá)測量位置和進(jìn)給暫停信號等。





　　圖6FANUCPMC-PA1順序程序執(zhí)行過程

　　本系統(tǒng)所用PowerMate-APMC程序流程圖如圖7所示,。



　　圖7-aPMC梯形圖程序總體結(jié)構(gòu)

　　第一級和第二級程序流程圖具體描述如下：



　　圖7-bPMC梯形圖程序流程圖

　　3.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)

　　3.3.1伺服系統(tǒng)分類

　　伺服驅(qū)動系統(tǒng)簡稱伺服系統(tǒng)（ServoSystem）,，是一種以機(jī)床移動部件的位置（或角度）和速度（或轉(zhuǎn)速）作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng),、拖動系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu),。伺服系統(tǒng)的主要功能是接收來自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給指令，并按指令信息來驅(qū)動各運(yùn)動部件運(yùn)動,，以加工出符合圖紙要求的零件,。伺服系統(tǒng)一般由伺服驅(qū)動裝置、驅(qū)動元件,、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行部件等組成,，對于閉環(huán)控制系統(tǒng)還包括檢測反饋裝置。

　　伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié),，忠實(shí)而準(zhǔn)確地執(zhí)行CNC裝置發(fā)出的運(yùn)動指令,。伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能,。例如,，數(shù)控機(jī)床的最高移動速度、跟蹤精度,、定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能,。

　　按照控制對象和使用目的，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)可分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。

　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng),，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán),，用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，是一種精密的位置跟蹤,、定位系統(tǒng),，單位是mm/min。主軸控制系統(tǒng)只是速度控制系統(tǒng),，用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，而且需完成轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速,，單位是r/min,。

　　按照調(diào)節(jié)理論，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)可分為開環(huán),、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。

　　開環(huán)伺服系統(tǒng)主要靠步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn),，每接收一個(gè)指令脈沖,，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一定角度，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于指令脈沖的頻率,，轉(zhuǎn)角的大小則取決于脈沖數(shù)目,。由于輸出轉(zhuǎn)矩較小，而且沒有反饋環(huán)節(jié),，開環(huán)系統(tǒng)精度較差,，適用于精度要求不高的場合。如圖8所示,。



圖8 開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖

　　圖9所示為半閉環(huán)/閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖,，它由伺服電機(jī)、檢測反饋單元,、驅(qū)動線路,、比較環(huán)節(jié)等部分組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)將檢測反饋單元安裝在機(jī)床工作臺上,，直接將測量的工作臺位移量轉(zhuǎn)換成電信號,，反饋給比較環(huán)節(jié)，與指令信號比較,，并將其差值經(jīng)伺服放大,，控制伺服電機(jī)帶動工作臺移動，直至二者差值為零為止,。閉環(huán)伺服系統(tǒng)消除了進(jìn)給傳動系統(tǒng)的全部誤差,，所以精度很高（從理論上講，精度取決于檢測裝置的測量精度）,。然而,，由于各個(gè)環(huán)節(jié)都包括在反饋回路內(nèi),，所以機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度、間隙,、制造誤差和摩擦阻尼等非性因素都直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)制參數(shù),。由此可見，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，其調(diào)試,、維護(hù)都有較高的技術(shù)難度，價(jià)格也較昂貴,，常用于精密數(shù)控機(jī)床,。



　　圖9半閉環(huán)/閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理

　　在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，反饋環(huán)節(jié)安裝在中間某一部位（如電機(jī)軸上）,，由于拋開了機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度,、間隙、制造誤差和摩擦阻尼等因素,，所以這種系統(tǒng)調(diào)試比較容易,，穩(wěn)定性好。盡管半閉環(huán)系統(tǒng)不反映反饋回路之外的誤差,，但采用高分辨率的檢測元件,，也可以獲得比較滿意的精度。

　　按照反饋比較方式,，伺服系統(tǒng)可分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng),、相位比較伺服系統(tǒng)，以及幅值比較伺服系統(tǒng),。

　　數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單,，常采用光電編碼器、光柵作為位置檢測裝置,，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛,。

　　在相位比較和幅值比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置主要以旋轉(zhuǎn)變壓器,、感應(yīng)同步器為檢測元件,。在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置多采用相位工作方式,，指令信號與反饋信號都變成相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號,，然后通過兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差,，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,。而幅值比較伺服系統(tǒng)主要是以其位置檢測信號的幅值反映機(jī)械的實(shí)際位置，并以此作為位置反饋信號，再與指令信號進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng),。

　　PowerMate-A是FANUC公司20世紀(jì)80年代中期開始生產(chǎn)的產(chǎn)品,，并于90年代初期引進(jìn)到我國，由于它的質(zhì)量十分可靠,，在引進(jìn)之后得到了廣泛的應(yīng)用,。PowerMate-A內(nèi)置了伺服放大器和PMC，伺服放大器與CNC共用AC200V電源,，由于只需要控制鏈條在X軸方向前進(jìn)或后退,，所以PowerMate-A伺服控制系統(tǒng)實(shí)際上只有進(jìn)給伺服驅(qū)動，而沒有主軸驅(qū)動,，PowerMate-A數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)單軸控制系統(tǒng),；與PowerMate-A配套的伺服電機(jī)是FANUCS系列的20S交流伺服電機(jī)，電機(jī)軸上裝有增量式脈沖編碼器,，輸出位置反饋信號給CNC,，不難看出，PowerMate-A數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)采用數(shù)字脈沖比較反饋方式的半閉環(huán)伺服系統(tǒng),。

　　3.3.2交流伺服電機(jī)

　　近年來,，隨著高性價(jià)比永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出,，與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低,，軸向連接位置精度高,，要求的冷卻條件不高，對機(jī)床環(huán)境的溫度影響小,，容易達(dá)到極小的低限速度,。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行,，特別適合強(qiáng)力切削加工,，同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小,，動態(tài)響應(yīng)特性好,，特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行，比較容易達(dá)到很高的調(diào)速比,。FANUC的進(jìn)給伺服電動機(jī)一般采用永磁式的三相同步電動機(jī),。在本系統(tǒng)中所使用的交流伺服電機(jī)型號是A06B-0502-B004，具體參數(shù)為：23NmTRQ,20Amp,3phase8poles,，AC146V,2000RPM,。

　　永磁式的交流三相同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是用高導(dǎo)磁率的永久磁鋼作成的磁極，中間穿有電機(jī)軸，軸兩端用軸承支撐并將其固定于機(jī)殼上,。定子是用矽鋼片疊成的導(dǎo)磁體,，導(dǎo)磁體的內(nèi)表面有齒槽，嵌入用導(dǎo)線繞成的三相繞組線圈,，另外在軸的后端部裝有編碼器,。當(dāng)定子的三相繞組通有三相交流電流時(shí)，產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場就會吸住轉(zhuǎn)子上的磁極同步旋轉(zhuǎn),，電路元件需要根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場的位置實(shí)時(shí)地?fù)Q向,，這一點(diǎn)非常類似于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組電流隨定子磁場位置的換向。因此,，為了實(shí)時(shí)地檢測同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的位置,，在電動機(jī)軸上（后端）安裝了一個(gè)編碼器，編碼器的光碼盤隨著電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動測出轉(zhuǎn)子上磁極磁場的實(shí)際位置,，該位置可用角度θ來表示,，即定子合成磁場磁極軸線和轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的角度，也稱為功率角,。將該位置值送到控制電路后,，控制器可以實(shí)時(shí)地控制逆變器功率元件的換向，實(shí)現(xiàn)了伺服驅(qū)動器的自控?fù)Q向,。因此,，有人將這種同步電動機(jī)的驅(qū)動控制器和電動機(jī)一起稱為自換向同步電動機(jī)。另外,，因?yàn)槠淇刂铺匦灶愃朴谥绷麟妱訖C(jī),，所以也稱為無整流子式直流電動機(jī)。

　　3.3.3交流伺服驅(qū)動

　　伺服系統(tǒng)按其內(nèi)部控制信號的形式,，可分為模擬量控制的模擬伺服與數(shù)字量控制的數(shù)字伺服兩類,，F(xiàn)ANUC產(chǎn)品早期一般采用直流驅(qū)動器，到了20世紀(jì)80年代中期,，開始采用交流模擬伺服驅(qū)動器,，從20世紀(jì)90年代起開始采用交流數(shù)字伺服驅(qū)動裝置。PowerMate-AA06B-6050系列伺服驅(qū)動器與A06B-05**系列交流伺服電機(jī)配套組成的產(chǎn)品,，是FANUC交流模擬伺服驅(qū)動系統(tǒng)最常見的配置之一,，它采用了矢量控制、PWM調(diào)速,，輸出特性好,，可靠性高，在上世紀(jì)90年代引入我國后,，得到了廣泛的應(yīng)用,。FANUC交流模擬伺服驅(qū)動工作原理見圖10,。



　　圖10FANUCPowerMate-A交流模擬伺服驅(qū)動工作原理

　　交流模擬伺服系統(tǒng)主要有電源部分、放大器及控制部分組成,。電源部分主要包括整流逆變電路,，以實(shí)現(xiàn)交-直-交變換。整流器使用的是整流二極管,，給逆變器部分供以直流電源,。逆變器使用了6個(gè)IGBT，在控制電路的控制下進(jìn)行逆變,，將直流功率變?yōu)榻涣鞴β?，給同步電動機(jī)供電。對逆變器的頻率變化進(jìn)行控制,，即可控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢,，具體的逆變過程是利用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)來控制的。通過PWM控制,，使系統(tǒng)得到的交流電壓波形更接近正弦波,，減少了諧波，快速性得到提高,，更好地滿足了電動機(jī)的需要,。另外，電機(jī)主電路有兩相電機(jī)的定子繞組串有電流檢測器,，檢測電機(jī)的實(shí)際電流,，用作電流反饋和電機(jī)的過流保護(hù)。脈沖編碼器裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上用作速度和位置反饋,。

　　圖10下半部分是模擬伺服系統(tǒng)的控制部分,。

　　在控制上，PowerMate-A采用了磁場矢量控制方式,。由于在同步電機(jī)中，勵(lì)

　　磁磁場與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的,，所以調(diào)節(jié)電樞電流就不能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩,。通過電機(jī)的外部控制系統(tǒng)，對電樞磁通勢相對勵(lì)磁磁場進(jìn)行空間定向控制,，控制兩者之間的角度保持固定值,，同時(shí)對電樞電流的幅值也進(jìn)行控制，這種控制方式就稱為矢量控制,。電機(jī)軸上安裝有編碼器,，編碼器隨時(shí)檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，不斷取得位置角θ信息,，并將θ送伺服控制器,，在控制器中進(jìn)行實(shí)時(shí)的坐標(biāo)變化,，變換后的電流對逆變器進(jìn)行控制，產(chǎn)生PWM波形去控制電機(jī),。

　　如上圖10,，VCMD是驅(qū)動系統(tǒng)的速度給定指令，它是來自CNC的模擬電壓,；該電壓與來自檢測元件(通常為脈沖編碼器)的速度反饋電壓（也可以是脈沖編碼器的脈沖信號經(jīng)F/V變換后作為系統(tǒng)的速度反饋信號）TSA經(jīng)比較,、放大后輸出速度誤差信號。速度誤差信號再經(jīng)調(diào)節(jié)器放大,，作為轉(zhuǎn)矩給定指令輸出,。轉(zhuǎn)矩指令信號通過乘法器，分別與轉(zhuǎn)子位置計(jì)算回路中輸出的sinθ和sin(θ－240°)算子相乘,，其乘積作為電流指令信號輸出,。電流指令又與電流反饋信號相比較后，產(chǎn)生電流誤差信號,，電流誤差信號經(jīng)放大,，輸出到PWM控制回路，進(jìn)行脈寬調(diào)制控制,。脈寬調(diào)制信號通過功率晶體管與電源回路的逆變,，形成三相交流電，控制交流伺服電動機(jī)的電樞,。

　　圖10中的虛線框,，在實(shí)際系統(tǒng)中，通常為集成一體的專用大規(guī)模集成電路,。在FANUC常見的交流伺服驅(qū)動中,，其中一片型號為AF20，它包括兩個(gè)乘法器

　　和一個(gè)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算回路,；另一片型號為MB63137,，它包括PWM控制回路和

　　脈沖編碼器的接收回路。圖11為交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖,。



　　圖11交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖

　　3.3.4脈沖編碼器

　　以FANUCPowerMateA為核心組成的伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng),，有位置環(huán)、速度環(huán)兩個(gè)控制回路,，它們分別需要脈沖編碼器對電機(jī)的位置量和速度量進(jìn)行反饋,。在對編碼器使用上，作位置測量時(shí),，累計(jì)工作臺走過的脈沖數(shù),；作速度測量時(shí)，則取單位時(shí)間（幾個(gè)毫秒）內(nèi)的脈沖數(shù),。

　　在前面曾經(jīng)敘述過,，為了實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)控制主回路中功率元件的自動換相,，需要隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動隨時(shí)檢測轉(zhuǎn)子磁場的位置，這項(xiàng)工作也由編碼器實(shí)現(xiàn),，為此,，在脈沖編碼器上刻有按二進(jìn)制值編碼的4層條紋，經(jīng)印刷電路板處理后輸出波形C1,C2,C4,C8,，通過不同的組合來表明轉(zhuǎn)子位置變化,。

　　脈沖編碼器連接圖見圖12所示。

　　圖中,，各信號含義如下：

　　PCA/*PCA/PCB/*PCB：編碼器的A/B相脈沖輸入信號,；

　　PCZ/*PCZ：編碼器的零位脈沖輸入信號；

　　C1～C8：轉(zhuǎn)子位置檢測信號,；

　　OHA/OHB：伺服電機(jī)的過熱觸點(diǎn)輸入,；

　　0V/5V：編碼器電源。



　　圖12脈沖編碼器連接圖

　　第四章結(jié)束語

　　本文對真空成型機(jī)自動化系統(tǒng)中的數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行分析,，找到了在CNC和PMC中與現(xiàn)場操作相關(guān)的變量存儲區(qū),，并總結(jié)出了PMC程序的流程圖。伺服控制技術(shù)的應(yīng)用提高控制的精度,，保證傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行的平穩(wěn)和精確,。