《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



　　①放卷工步由變頻器驅(qū)動實施鋼帶放卷,。

　?、诔尚凸げ酵瓿蓻_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,。

　?、埔苿悠脚_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(jìn)行數(shù)齒計數(shù),。由沖切模實施動態(tài)沖切。

　?、莿討B(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(jìn)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(jìn)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,。

　　②移動平臺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,。

　?、垡苿悠脚_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

　　（1）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),。

　?、蔷幋a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(jìn)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(jìn)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：

　　（1）A-B階段：

　　齒條進(jìn)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(jìn)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,。

　?。?）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：

　?、僬}沖-------出現(xiàn)短齒。

　?、谪?fù)脈沖------出現(xiàn)長齒,。

　　（6）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；

　?。?）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,。

　　（3）伺服電機加速時間

　　3.對影響沖切精度諸因素的進(jìn)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,。

　?、鄹S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

　　⑤加速時間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(jìn)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(jìn)入計數(shù)器，也在“E”點被清除,。從“E”點開始重新進(jìn)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(jìn)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,。

　?。?）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,。

　　（3）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(jìn)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

　　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,。

　　⑵啟動信號被送入數(shù)控系統(tǒng)并處理,，這段時間約60ms,。

　　⑶數(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),。