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三菱伺服電機(jī)與三菱PLC在雕刻機(jī)上的應(yīng)用
發(fā)布者:liaobozhi  發(fā)布時(shí)間:2013-09-02 20:40:29
 產(chǎn)品類別:工程案例
 詳細(xì)說明:

深孔組合鉆床的自控系統(tǒng)選型

     交流伺服系統(tǒng)選型       
     
選用三菱HC-SFS502型電機(jī),它的額定轉(zhuǎn)矩為23.9Nm,最大轉(zhuǎn)矩為71.6Nm,功率為5kW,屬中慣量、中功率類型電機(jī)。配套伺服放大器為MR-J2S-500A。該系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如下:
額定轉(zhuǎn)速:2000r/min;   
最大轉(zhuǎn)速:3000r/min;   
允許瞬間速度:3450r/min;

l高精度絕對值光電編碼器:17位編碼器的分辨率為每轉(zhuǎn)217=131072個(gè)脈沖。
l
非常齊全的保護(hù)功能:具有過電流、過電壓、過載、電機(jī)過熱、編碼器故障、再生故障、欠電壓或瞬間電源故障、超速、誤差過大等各種保護(hù)。

PLC及定位單元的選型  

     三菱FX2N-PLCFX系列中最先進(jìn)的超級微型PLC,具有高速、高性能的特性:一條基本指令運(yùn)算時(shí)間為0.08μs;一條應(yīng)用指令運(yùn)算時(shí)間約為1.52 ~ 100μs。FX2N-80MR的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均為40點(diǎn)。

    FX2N-20GM系列定位單元。它具有如下特性:
能提供2路脈沖輸出并能實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ);
不僅能處理單速定位和中斷定位,而且能進(jìn)行多速運(yùn)行等復(fù)雜的控制;
最大可輸出2200kHz的高速脈沖。
可以不連接PLC而獨(dú)立運(yùn)行,功能非常強(qiáng)大,特別適用于數(shù)控金屬切削機(jī)床。
采用彩色可視化的定位參數(shù)設(shè)置軟件,可以非常方便地設(shè)置參數(shù)和監(jiān)控定位運(yùn)行。
20GM
定位單元的脈沖當(dāng)量(即每個(gè)脈沖對應(yīng)的進(jìn)給量)由設(shè)置軟件設(shè)定,最高設(shè)定可達(dá)到位移1μm / 脈沖或旋轉(zhuǎn)0.001°脈沖,比PLC主機(jī)脈沖高出一個(gè)數(shù)量級。
能夠接受“手動(dòng)脈沖發(fā)生器”的信號,可以在動(dòng)態(tài)時(shí)對定位系統(tǒng)進(jìn)行非常精細(xì)的調(diào)整。

變頻器的選型  

選用小型高性能的FR-E540-3.7K-CH型號,特性如下:
采用磁通矢量控制,能實(shí)現(xiàn)1Hz運(yùn)行150%轉(zhuǎn)矩輸出;
具有PID調(diào)節(jié)、15段速度等多功能選擇。深孔組合鉆床就是采用PLC控制變頻器的多段速度,進(jìn)而控制槍鉆電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
 
伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、定位單元設(shè)置和PLC編程

    伺服系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
“電子齒輪”的計(jì)算
“電子齒輪”即“指令脈沖倍率”是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)。它的表達(dá)式是:指令脈沖倍率分子指令脈沖倍率分母= CMX / CDV。它的設(shè)定范圍因機(jī)型而異,MR-J2S系列為:1/50CMX / CDV500,具體計(jì)算方法如下:

已知機(jī)械規(guī)格:
滾珠絲桿進(jìn)給量:Pb=8mm;
減速機(jī)減速比:未使用減速機(jī),n=1;
伺服電機(jī)編碼器分辨率:Pt=131072(脈沖 / 轉(zhuǎn));
脈沖當(dāng)量:L=10μm=10×10-3 mm(考慮機(jī)械加工精度,未采用△L=1μm精度);
計(jì)算:

 

因此設(shè)定CMX=4096   CDV=25

1 MR-J2S-100A 伺服放大器主要參數(shù)實(shí)際設(shè)定表

 

 

 


定位單元20GM的設(shè)置及PLC編程 


     
三菱FX2N-20GM(簡稱20GM)是一種小型智能化定位單元,它完備的功能完全可以與大中型PLC定位模塊媲美。20GM采用FX-VPS-E軟件,它的流程圖窗口由可視化的各種彩色符號塊組成,用“有向連線”連接,具有形象、直觀、簡潔、易用的特點(diǎn)。雙擊對應(yīng)的指令符號塊即出現(xiàn)“參數(shù)設(shè)置”的形象化對話框,可以很方便地進(jìn)行操作。(參見圖3)
FX-VPS-E
軟件共有三個(gè)窗口:監(jiān)視窗口、參數(shù)設(shè)置窗口和流程圖窗口。

監(jiān)視窗口  

     該窗口設(shè)置有X / Y軸的DOG(近點(diǎn)開關(guān))、START(啟動(dòng))、STOP(停止)ZRN(原點(diǎn)回歸)、FWD(正轉(zhuǎn))、RVS(反轉(zhuǎn))以及Ready(就緒)、Completed(完成)Error(故障)、Zero Completed(回零完成)等參數(shù)。操作者可以在軟件視窗上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)的參數(shù)框,即可驅(qū)動(dòng)定位單元,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。(參見圖2)

 

 2  FX-VPS-E軟件的組合鉆床“操作、監(jiān)視”窗口

參數(shù)設(shè)置窗口  

     該窗口可以對定位單元的定位參數(shù)(含單位體系、機(jī)械零點(diǎn)、速度等)、1 / O參數(shù)(含編號、M代碼、手動(dòng)脈沖發(fā)生器、絕對位置等)和系統(tǒng)參數(shù)(含系統(tǒng)、子任務(wù)等)進(jìn)行形象化設(shè)置。(參見圖4)
定位參數(shù)的單位體系設(shè)置分為三種:單位機(jī)械體系、單位電氣體系和單位綜合體系。

流程圖窗口  

     該窗口將三個(gè)大類的流程圖符號用“有向連線”按順序控制的流程連接,非常方便。(參見圖3)
20GM
定位單元與PLC主機(jī)通訊程序編制

     20GM定位單元與PLC主機(jī)之間的通訊數(shù)據(jù)由FROM / TO指令控制。在20GM中有專門用于通訊的緩沖存儲(chǔ)器BFM,每個(gè)BFM16個(gè)位(一個(gè)字)組成。BFM編有號碼,對應(yīng)地在PLC中分配有輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器以及特殊輔助繼電器等。

     使用TO指令從PLC傳送數(shù)據(jù)""20GM的數(shù)據(jù)設(shè)備中,使用FROM指令從20GM中傳送數(shù)據(jù)""PLC的數(shù)據(jù)寄存器中。

 

3  FX-VPS-E軟件的組合鉆床“流程圖”

深孔組合鉆床使用TO指令的PLC程序?qū)嵗?span>:
LD   M8000; 
特殊輔助繼電器;
TO  K0  K20  K4M100  K1  PLC
M100~M115對應(yīng)20GM的緩沖存儲(chǔ)器#20;
TO  K0  K21  K4M200  K1  PLC
M200~M215對應(yīng)20GM的緩沖存儲(chǔ)器#21 。
以上PLC程序建立了20GMPLC輔助繼電器(觸摸屏)的聯(lián)系,可以從觸摸屏或者外部按鈕通過PLC20GM發(fā)出各種操作命令:
  X
      Y  
Step run(
單步運(yùn)行)   M100      M200
Start(
啟動(dòng))   M101     M201
Stop(
停止) M102    M202
M code off(M
代碼關(guān)) M103     M203
Zero return(
原點(diǎn)回歸) M104    M204
FWD Jog(
正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng))  M105    M205
RVS Jog(
反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng))  M106     M206
Error reset(
故障復(fù)位)  M107       M207
Zero return axis(
回零軸控制)  
   M108    M208

深孔組合鉆床使用FROM指令的PLC程序?qū)嵗?span>:
LD   M8000 
特殊輔助繼電器;
FROM  K0  K23  K4M300  K1        20GM
的緩沖存儲(chǔ)器#23對應(yīng)PLCM300~M315;
FROM  K0  K25  K4M400  K1        20GM
的緩沖存儲(chǔ)器#25對應(yīng)PLCM400~M415。
以上程序建立20GMPLC輔助繼電器的聯(lián)系,可以從觸摸屏對應(yīng)的PLC輔助繼電器反映20GM的運(yùn)行狀態(tài);
        X
      Y  
Ready/Busy(
就緒/占用)  M300  M400
Completed(
完成) M301  M401
Error detection(
故障檢測)   M302   M402
M code on(M
代碼開)      M303  M403
M code waiting(M
代碼等待)  M304   M404
M00 waiting(M00
等待)     M305   M405
Stop waiting(
停止等待)    M306   M406
Auto running(
自動(dòng)運(yùn)行)     M307   M407
Zero completed(
回零完成)    M308    M408


系統(tǒng)調(diào)試


     
現(xiàn)場調(diào)試系統(tǒng)時(shí),先用一臺(tái)電腦用軟件檢測監(jiān)視伺服放大器狀態(tài),另一臺(tái)電腦用軟件視窗驅(qū)動(dòng)20GM定位單元,同時(shí)觀察伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng),以驗(yàn)證伺服系統(tǒng)和定位單元的自身接線是否正確。然后用觸摸屏和外部相關(guān)開關(guān)按鈕進(jìn)行操作,驗(yàn)證所有程序的正確性。

     我們設(shè)計(jì)的“機(jī)械零點(diǎn)回歸”控制方案是:伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力頭在返回原點(diǎn)碰到DOG近點(diǎn)開關(guān)后,開始降速,并繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)一圈后,開始爬行一段距離,再行停止。相關(guān)參數(shù)如可以在軟件中設(shè)置(參見圖2)。但在實(shí)際調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)Y軸動(dòng)力頭碰到DOG近點(diǎn)開關(guān)后就立即停止,與參數(shù)設(shè)置不符;另外發(fā)現(xiàn)Y軸伺服放大器"電子齒輪"所決定的電機(jī)定位數(shù)據(jù)與理論計(jì)算有較大出入。經(jīng)過對硬件設(shè)備的多次檢查,發(fā)現(xiàn)自行焊接的伺服放大器與20GM的通訊電纜有些問題:因?yàn)榻狱c(diǎn)多而細(xì)密,容易接觸不良,使個(gè)別數(shù)據(jù)線開路而無法正常通訊,造成了上述故障。于是另行購置了型號為E-GMJ2-200CAB1A的三菱原裝電纜,系統(tǒng)才正常工作,包括“電子齒輪”也恢復(fù)到理論計(jì)算數(shù)值。這個(gè)教訓(xùn)非常深刻,值得引以為戒:在工程中切不可“因小失大”。
由于系統(tǒng)采用了20GM智能化定位單元和高品質(zhì)的三菱伺服系統(tǒng)等,系統(tǒng)調(diào)試也較為簡便,其調(diào)試結(jié)果也令人非常滿意。

結(jié)束語

     從深孔組合鉆床數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中,我們看到了觸摸屏、PLC、定位單元和交流伺服系統(tǒng)的配合,具有編程靈活、使用方便、性能可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。與機(jī)床專用數(shù)控系統(tǒng)CNC比,有較大的價(jià)格優(yōu)勢;與傳統(tǒng)的單片計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)相比,有穩(wěn)定可靠、編程靈活的優(yōu)勢。

 

 4  FX-VPS-E軟件的“機(jī)械零點(diǎn)參數(shù)”設(shè)置窗口


     
現(xiàn)在數(shù)控金屬切削機(jī)床以及各行各業(yè)的專用機(jī)械,越來越多地采用本文介紹的通用自控系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)配合的方案。在機(jī)械控制的各種類型中,如X-Y工作臺(tái)控制、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)控制、進(jìn)給控制、同步給進(jìn)控制、輥道送進(jìn)控制、復(fù)雜軌道運(yùn)動(dòng)控制等等,其具體控制形式表現(xiàn)為:直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、等速軌道控制、高速高精度軌道運(yùn)算、速度切換控制、速度-位置控制、定尺送進(jìn)等等,所有這些控制要求都可以采用不同檔次的觸摸屏、PLC、定位控制單元甚至運(yùn)動(dòng)控制器與交流伺服電機(jī)構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng),以求得技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的最佳解決方案。

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