《伺服與運動控制》2012第1期 徐天奇 供稿
1.工作機械的運行方式及控制系統(tǒng)構(gòu)成
?、俜啪砉げ接勺冾l器驅(qū)動實施鋼帶放卷,。
②成型工步完成沖齒和成型,。
?、垡苿蛹羟衅脚_(以下簡稱移動平臺)完成對齒條的剪切。
本文討論的是“移動剪切平臺對齒條的動態(tài)剪切過程及其各影響因素”,。
1.1移動剪切平臺對齒條的動態(tài)剪切過程
?、琵X條的運動
齒條的運動速度由成型工步的速度決定。成型工步由變頻器驅(qū)動,。其速度是一確定值,。
⑵移動平臺由數(shù)控系統(tǒng)的伺服電機驅(qū)動,。移動平臺上裝有編碼器和沖切模,。由編碼器對齒條的長度進行數(shù)齒計數(shù)。由沖切模實施動態(tài)沖切,。
⑶動態(tài)沖切
?、僭谡9ぷ鲿r,,齒條由成型工步驅(qū)動以規(guī)定的速度運行,。齒條進入移動平臺后,安裝在移動平臺上的編碼器對齒條的齒數(shù)進行計數(shù),,當(dāng)計數(shù)信號到達(dá)“啟動計數(shù)值”時,,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出伺服電機正向啟動信號。
?、谝苿悠脚_正向移動跟隨齒條運動速度,,當(dāng)計數(shù)信號到達(dá)“齒長計數(shù)值”時,此時移動平臺速度已經(jīng)與齒條運動速度相等,,系統(tǒng)發(fā)出沖切信號切斷齒條,。
③移動平臺正向停止,,反向運動回到起點,。等待下一次沖切循環(huán)。
1.2移動平臺控制系統(tǒng)的構(gòu)成
?。?)控制系統(tǒng)主控單元三菱FX1S-20MR,。FX1S-20MR負(fù)責(zé)接收編碼器計數(shù)信號,發(fā)出移動平臺啟動信號,,沖切信號,,正向停止信號、反向啟動信號,。
?、埔苿悠脚_的伺服電機是數(shù)控系統(tǒng)中的一個伺服軸。其正向啟動/停止,,反向啟動/停止信號由主控單元三菱FX1S-20MR發(fā)送至數(shù)控系統(tǒng),。
⑶編碼器為國產(chǎn)編碼器,,每轉(zhuǎn)32脈沖,。對應(yīng)于齒條是每齒1個脈沖。脈沖信號接入FX1S-20MR,。
2.移動平臺的動態(tài)沖切模式分析
在編制完成移動平臺的PLC程序和設(shè)置伺服電機的相關(guān)運行參數(shù)后,,對齒條進行了試切。以5條為一組試驗了各運行參數(shù),。其結(jié)果是移動平臺運行節(jié)拍符合生產(chǎn)要求,,但齒條長度長短不一。試驗了各種參數(shù)仍然沒有得到滿意結(jié)果,。為此必須對移動平臺的沖切方式及影響沖切精度的各因素進行仔細(xì)的分析,,找出影響沖切精度的主要原因。
2.1移動平臺的動態(tài)沖切模式分析
移動平臺的動態(tài)沖切過程如圖2所示:
?。?)A-B階段:
齒條進入移動平臺后,,安裝在移動平臺上的編碼器對齒條的齒數(shù)進行計數(shù),,當(dāng)計數(shù)信號到達(dá)“啟動計數(shù)值”時,數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出伺服電機正向啟動信號,。
移動平臺啟動加速運行,,當(dāng)“齒條行程”與“移動平臺行程”之差=跟隨行程,即圖2的B點,,系統(tǒng)發(fā)出計數(shù)完成信號(已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)剪切長度),。
(2)B-G階段:
移動平臺繼續(xù)加速運行,,齒條也繼續(xù)運行,,這一階段移動平臺速度尚未到達(dá)齒條運動速度,兩者之間有相對移動,。這一階段產(chǎn)生的相對移動即“剪切長度誤差”
?。?)B-C階段:
速度跟隨階段。目的是讓移動平臺速度達(dá)到齒條速度,,使兩者速度完全相等,。
(4)C-D階段,。在C點發(fā)出沖切啟動信號,。由于電氣機械的延遲約200ms,實際在D點位置切斷齒條,。
?。?)D-E階段。
在E點位置編碼器計數(shù)清零,。由于沖切的震動會引起編碼器誤動作發(fā)出脈沖,。為消除該影響,因此延遲到E點才發(fā)出清零脈沖,。所以從B點---E點這一區(qū)間齒條與移動平臺的相對運動(盡管很?。]有受到編碼器的計數(shù)監(jiān)視。(實際試驗中,,在B點就發(fā)出清零信號剪切長度最整齊就是因為齒條運動全程受到監(jiān)視,。)
不管震動脈沖是正,負(fù)都在E點被清掉,。
但在E—F階段還出現(xiàn)震動脈沖,,就可能出現(xiàn)兩種情況:
①正脈沖-------出現(xiàn)短齒,。
?、谪?fù)脈沖------出現(xiàn)長齒。
?。?)E-F階段,。計數(shù)器清零---移動平臺正向停止階段,。這一階段要保證清零完成再正向停止。在該階段出現(xiàn)過清零時間延遲到正向停止點出現(xiàn)正常計數(shù)脈沖被清零從而出現(xiàn)“長齒”的現(xiàn)象,。
2.2移動平臺動態(tài)沖切的PLC程序
根據(jù)對移動平臺動態(tài)沖切模式的分析,編制了運動部分的PLC程序:
第0步為設(shè)置“濾波系數(shù)”,,提高計數(shù)口X0接收計數(shù)信號的頻率,。
第6步以X0為接收編碼器計數(shù)信號口。計數(shù)器C1為齒條長度齒數(shù)計數(shù),。C3為移動平臺啟動計數(shù),。
第14步計數(shù)器C3到位,發(fā)移動平臺啟動信號(Y0)
第35步計數(shù)器C1到位,,延時T201時間后發(fā)沖切指令(Y5)
第37步計數(shù)器C1到位,,延時T202時間后發(fā)計數(shù)器清零指令。
2.2影響剪切長度精度的因素
基于對移動平臺的動態(tài)沖切模式分析,,歸納出影響剪切長度精度的因素如下,;
(1)編碼器脈沖信號
?。?)同步?jīng)_切-----在沖切時,,如果移動平臺與齒條有相對運動,則沖切長度無法保證,。為了實現(xiàn)同步?jīng)_切必須調(diào)整跟隨時間,,即圖2中的C-D階段和PLC程序中的T201。
?。?)伺服電機加速時間
3.對影響沖切精度諸因素的進一步分析和優(yōu)化
3.1編碼器脈沖信號的影響
編碼器脈沖信號-----編碼器脈沖信號是控制移動平臺運動和發(fā)出沖切信號的基礎(chǔ),。如果有干擾信號竄入計數(shù)器,則沖切長度變短,。如果漏掉了編碼器脈沖信號,,則沖切長度變長。因此在分析沖切齒條長度時,,如果齒條過長過短,,都首先判斷是計數(shù)脈沖不正常。
齒條機配置的編碼器為國產(chǎn)編碼器,,特地為齒條機配置,。
每轉(zhuǎn)32脈沖,對應(yīng)為每齒1脈沖,。
齒條齒距=6mm,。當(dāng)齒條速度=13000mm/分,其對應(yīng)的脈沖頻率=36HZ,,而PLC常規(guī)接口可接受的信號頻率=25HZ,,因此不能直接使用常規(guī)接口,。
(1)使用高速計數(shù)器
三菱FX1SPLC具備高速計數(shù)器功能,。為此首先使用單相高速計數(shù)器C235,,但是高速計數(shù)器C235很容易受干擾,當(dāng)編碼器信號接入高速計數(shù)器后,,在PLC監(jiān)視畫面上觀察到一旦編碼器旋轉(zhuǎn),,計數(shù)器數(shù)據(jù)立即紊亂。即使編碼器不轉(zhuǎn),,計數(shù)器數(shù)值也無規(guī)律增加,,顯然是受到干擾。(接線不規(guī)范也會加劇干擾,,現(xiàn)場接線曾經(jīng)發(fā)生未使用接線端子而干擾加劇的現(xiàn)象,,改用接線端子后,干擾減少,。)
使用雙相高速計數(shù)器C251,,干擾的影響大大減少。但是也不穩(wěn)定,。某一時間段計數(shù)穩(wěn)定,。某一時間段計數(shù)不穩(wěn)定。由于PLC控制器和數(shù)控伺服系統(tǒng)及變頻器同裝于一臺控制柜內(nèi),。數(shù)控伺服系統(tǒng)及變頻器對PLC顯然是有嚴(yán)重干擾,。經(jīng)過多次試驗后,放棄了使用高速計數(shù)器方案,。
?。?)使用普通計數(shù)器
使用普通計數(shù)器要解決如何提高接收信號頻率的問題。其方法之一是縮短輸入信號的濾波時間,。三菱PLC具備縮短輸入信號的濾波時間的功能,,其方法是向D8020設(shè)置數(shù)字。如圖3PLC程序第0步,。通過這一方法,,可以將接受信號頻率提高到50HZ。
這樣就可以滿足齒條的運行速度要求,。但是輸入信號的濾波時間不能夠設(shè)置過小,,設(shè)置過小其抗干擾能力就降低。必須摸索應(yīng)該最佳數(shù)據(jù),。其數(shù)據(jù)D8020=3-5
在現(xiàn)場中對編碼器的抗干擾做了如下措施:
?、倬幋a器屏蔽線接地。
②單獨穿金屬管,。
3.2加速時間
動態(tài)剪切的最重要階段是移動平臺的加速跟隨階段,,即圖2中的A-G階段。在論述這一階段前必須先給出相關(guān)的運動參數(shù),。
?。?)相關(guān)運動參數(shù)
①齒條長度------以齒數(shù)表示,。如200齒,。
②齒距L-----------單位mm,。
③跟隨齒數(shù)N(距離)-----預(yù)留的一段行程,,在該行程內(nèi),,移動平臺加速達(dá)到齒條運行速度。
?、荦X條運行速度V----mm/秒
?、菁铀贂r間T-----移動平臺加速到齒條速度的時間
(2)“行程差”和“加速時間”計算
在加速階段:
根據(jù)式1和圖2,加速時間T決定了加速階段的行程差,,從理論上分析,,只要精細(xì)的調(diào)整加速時間,可以在“行程差=跟隨距離”的同一時間點,,使移動平臺的速度=齒條速度,。
在實際調(diào)試時,先根據(jù)式2確定跟隨齒數(shù)(距離),;再根據(jù)式3精確調(diào)整加速時間,。其原則上在移動平臺總行程范圍內(nèi)盡可能延長加速段,其原因是加速時間越長,,加速越平穩(wěn),,避免加速時間太短引起的加速振蕩,從而影響同步速度的平穩(wěn),。
3.3計數(shù)器清零時間
計數(shù)器清零時間----在多次沖切過程中觀察到,,齒條總長度經(jīng)常短1-2個齒。發(fā)生短齒必然是有非正常的脈沖進入,。這多出來的脈沖是那一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的呢,?經(jīng)過試驗和比較,發(fā)現(xiàn)在動態(tài)沖切時,,沖切產(chǎn)生較大的機械振動,,而編碼器和沖切模具都裝在移動平臺上,沖切振動引起編碼器抖動有時會發(fā)出1個脈沖信號。這個脈沖信號被計入正常計數(shù)值,,所以導(dǎo)致齒條長度短1齒,。
為了消除這一影響。必須將計數(shù)器的清零點安排沖切完成后
再延長一個時間段,,即圖2中的“E”點,。這樣即使有振動脈沖進入計數(shù)器,也在“E”點被清除,。從“E”點開始重新進行下一循環(huán)的計數(shù),。(從理論上分析,計數(shù)器的清零點應(yīng)該安排在“G”點,,即當(dāng)前計數(shù)值一到達(dá),,立即清零。進入下一循環(huán)的計數(shù))
在PLC程序中,,計數(shù)器清零時間為T202,。計數(shù)器清零時間必須反復(fù)試驗以獲得最佳值。
4實驗結(jié)果及關(guān)鍵因素
4.1防干擾措施及實驗步驟
為了排除電磁干擾波的影響,,采取了如下措施:
?。?)將PLC控制器移出控制柜,單獨給PLC供AC220V電源,,PLC接地,。將PLC完全封閉在另一金屬柜內(nèi)。使PLC部分完全獨立,。排除干擾的影響,。
(2)齒條運行速度=13米的實驗
相關(guān)參數(shù)跟隨齒數(shù)=10,,加減速模式:直線加減速,。
加減速時間360—400ms,
剪切結(jié)果:多數(shù)長度=1015-1022,,偏長4-10mm,。
調(diào)節(jié)伺服電機加減速時間,有效果,,但是調(diào)到最好狀態(tài)也是偏長4-10mm,。在同一組參數(shù)下,長短不一,。即使有幾組切得長度一樣,。也是偏長。
?。?)齒條運行速度=8米的實驗
相關(guān)參數(shù)跟隨齒數(shù)=7,,加減速模式:直線加減速。
加減速時間300--360ms
剪切結(jié)果:多數(shù)長度=1015-1022,偏長4-10mm,。一組中也有1-2根偏短5mm,。
4.2對實驗結(jié)果分析
使用各種參數(shù)對移動平臺的動態(tài)沖切進行了實驗,但沖切效果仍然很差,。在同一組參數(shù)下,,沖切齒條長度長短不一。實驗結(jié)果如表1
表1動態(tài)沖切實驗記錄
齒條速度=13000mm/分 |
跟隨齒數(shù)=10 |
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標(biāo)準(zhǔn)長度=1012mm |
延遲時間約125ms |
計算長度誤差 |
加速時間#2004 (ms) |
沖切長度 |
加速段行程差 |
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500 |
1035 |
54.5+27=81 |
81-63=18 |
400 |
1022 |
43.6+ 27=70.6 |
70.6-63=8 |
360 |
1017 |
39.24+27=66.24 |
66-63=3 |
350 |
1016—1015 |
38.15+27=65.15 |
65.13-63=2 |
340 |
1016 |
37+27=64 |
64-63=1 |
根據(jù)以上數(shù)據(jù) 延遲行程約29mm |
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從表1的實驗數(shù)據(jù)看,,調(diào)節(jié)加速時間有效果,,當(dāng)加速時間逐漸變小時,剪切齒條長度逐漸逼近標(biāo)準(zhǔn)長度,,但是無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值,。而且一組齒條長短不一。在影響沖切精度的諸因素中,,已經(jīng)排除了干擾的影響和漏計脈沖的影響(降低了運行速度),,而且加速時間,同步跟隨時間,,清零時間都已經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)并處于受控狀態(tài)。但沖切長短數(shù)據(jù)結(jié)果是如此分散,。那么必定有一“不受控因素”或“隨機因素”在起作用,。
5尋找關(guān)鍵因素
5.1延遲時間的影響
再一次分析“移動平臺的動態(tài)沖切模式”并仔細(xì)觀察實際的沖切過程,發(fā)現(xiàn)移動平臺的啟動存在延遲------即從PLC發(fā)出啟動信號到移動平臺實際啟動,,有120ms左右的延遲時間,。
齒條機的控制系統(tǒng)由“PLC+NC”構(gòu)成,在PLC---NC之間信號傳遞過程及時間如下:
?、臥LC負(fù)責(zé)接收計數(shù)信號,,經(jīng)過運算后發(fā)出移動平臺啟動信號,“PLC的掃描周期+輸出延遲”約20ms,。
?、茊有盘柋凰腿霐?shù)控系統(tǒng)并處理,這段時間約60ms,。
?、菙?shù)控控制器發(fā)出伺服軸啟動信號經(jīng)過總線送入“伺服驅(qū)動器。”這段時間約40ms
因此,,總延遲時間約100-120ms,。這段時間是由系統(tǒng)硬件性能所決定,不受控制,。
而在這段延遲時間內(nèi),,(當(dāng)齒條以13000mm/分速度運行)齒條已經(jīng)運動了29mm左右。
在圖2所示的動態(tài)沖切模式中,0-A階段就是延遲階段,。
而行程差計算公式必須修正為:
在齒條機控制系統(tǒng)中,,由于延遲時間不是一個穩(wěn)定的值,所以其大大影響了齒條沖切精度,。
5.2整改措施及效果
為了減少延遲時間的影響,,采取了如下措施:
⑴更換移動平臺驅(qū)動系統(tǒng),,由PLC直接控制該驅(qū)動系統(tǒng),。減少中間信號的傳遞環(huán)節(jié)。
?、平档妄X條運行速度,。
經(jīng)過以上處理后,移動平臺的動態(tài)剪切精度得到保證,。
6.結(jié)束語:
動態(tài)沖切不同于靜態(tài)沖切,。在靜態(tài)沖切中100ms的延遲時間不會對沖切精度有任何影響,而在動態(tài)沖切中,,延遲時間就成為影響剪切精度的主要因素,。保持移動平臺與齒條的同步運行也是動態(tài)剪切的基礎(chǔ)。