數(shù)控系統(tǒng)與伺服控制的研究與應(yīng)用剖析

1、數(shù)控系統(tǒng)與伺服控制的研究與應(yīng)用摘 要：一般來(lái)說(shuō)， 數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)都使用同一廠家的產(chǎn)品來(lái)配 置，這樣的好處是配套性好，各項(xiàng)功能參數(shù)出廠設(shè)置匹配度 較高，各種接口電纜都是標(biāo)準(zhǔn)的，使用起來(lái)相對(duì)方便，調(diào)試 也簡(jiǎn)單，也有標(biāo)準(zhǔn)化的售后技術(shù)服務(wù)，省去了使用客戶的不 少麻煩。但有些情況需要用不同廠家的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng) 來(lái)進(jìn)行配置，比如設(shè)備改造，成本控制，PLC控制伺服的專機(jī)改造等因素。 因此本文主要針對(duì)這類情況的配置調(diào)試進(jìn)行 了相關(guān)的技術(shù)研究和探討。關(guān)鍵詞：設(shè)備改造 PLC 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)字伺服1. 前言近幾年，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展是日新月異，變化驚人的，各種品牌的 數(shù)控產(chǎn)品也層出不窮， 從目前的國(guó)際市場(chǎng)來(lái)看，

2、 以發(fā)那科和西門子兩 家的數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床核心的產(chǎn)品占了 75%，而從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)來(lái)看， 以這兩家的數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床核心的產(chǎn)品也占了 50%，其余部分 主要由國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)占據(jù)，主要以廣州數(shù)控，華中數(shù)控等為主。進(jìn)口 數(shù)控產(chǎn)品質(zhì)量雖然很好， 但價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)較貴， 而國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品雖然 功能上與國(guó)際主流數(shù)控產(chǎn)品有著一定的差距，但是其價(jià)格要便宜得 多，而且國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品的功能要求已基本能滿足中小型企業(yè)的需求， 因此得到了國(guó)內(nèi)很多客戶的青睞。 我們通過(guò)利用設(shè)備改造， 使用其他 相對(duì)合理的數(shù)控產(chǎn)品來(lái)控制保留在原先設(shè)備上的伺服驅(qū)動(dòng)， 或者說(shuō)用 原先設(shè)備上的數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制改換的伺服驅(qū)動(dòng)，這樣一來(lái)就可以省去 很

3、多不必要的經(jīng)濟(jì)開(kāi)支，降低了成本，而且功能也達(dá)到了要求。2.數(shù)控系統(tǒng)的基本概念與理論數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控(Numerical Control NC)，是利用數(shù)字 化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)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，也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computerized Numerical con trol CNC)。為了對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化信息控制，必須具備相應(yīng) 的硬件和軟件。用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的整體稱為數(shù) 控系統(tǒng)(Numerical control system )，數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置( Numerical Con troller)

4、。數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控設(shè)備的核心。數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是坐 標(biāo)軸的位移(包括移；速度、方向、位置等)，其控制信息主要來(lái)源 于數(shù)控加工或運(yùn)動(dòng)控制程序。因此，作為數(shù)控統(tǒng)的最基本組成應(yīng)包括： 程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)這三部分。圖2-1數(shù)控機(jī)床的組成3伺服系統(tǒng)的基本概念與控制原理伺服系統(tǒng)（servo system ）亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)的 一種，它用來(lái)控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角（或位移），使其能自動(dòng)地、連續(xù) 地、精確地復(fù)規(guī)輸入指令的變化規(guī)律。 它通常是具有負(fù)反饋的閉環(huán)控 制系統(tǒng)，有的場(chǎng)合也可以用開(kāi)環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。全數(shù)字伺服一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環(huán)結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)硬件

5、大致由以下幾部分組成：電源單元；功率逆變和保護(hù)單元； 檢測(cè)器單元；數(shù)字控制器單元；接口單元。相對(duì)應(yīng)伺服系統(tǒng)由外到內(nèi) 的“位置”、“速度”、“轉(zhuǎn)矩”三個(gè)閉環(huán)，伺服系統(tǒng)一般分為三種控制 方式。在使用位置控制方式時(shí)，伺服完成所有的三個(gè)閉環(huán)的控制。在 使用速度控制方式時(shí)，伺服完成速度和扭矩（電流）兩個(gè)閉環(huán)的控制。 一般來(lái)講，我們需要位置控制的系統(tǒng)，既可以使用伺服的位置控制方 式，也可以使用速度控制方式，只是上位機(jī)的處理不同。而扭矩控制 方式時(shí)伺服系統(tǒng)只進(jìn)行扭矩的閉環(huán)控制， 即電流控制，只需要發(fā)送給 伺服單元一個(gè)目標(biāo)扭矩值，多用在單一的扭矩控制場(chǎng)合。如圖2-1為伺服控制的原理圖：jf 哼 4 t tfi

6、件 i 1i.Bii伽拎創(chuàng)元圖3-1伺服控制原理4. 數(shù)控系統(tǒng)控制伺服驅(qū)動(dòng)的方式與調(diào)試方法數(shù)控系統(tǒng)控制伺服驅(qū)動(dòng)其實(shí)并不復(fù)雜，只要熟悉清楚其內(nèi)部信號(hào) 的含義，并使兩者的定義的指令信號(hào)和位置反饋等信號(hào)相匹配，再通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)字伺服中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定就能達(dá)到控制的目的。目前市場(chǎng)上主流數(shù)控產(chǎn)品均可控制大部分的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如SIEMENSFANUC等。下面以我廠日本銑床改造中，使用華中HNC-21MD系統(tǒng)和安川SGDB系列驅(qū)動(dòng)為例來(lái)具體說(shuō)明。HNC-21數(shù)控裝置提供了三類軸控制接口：串行接口，脈沖接口， 模擬接口，可與目前流行的大多數(shù)驅(qū)動(dòng)裝備連接。 首先我們需要了解 下華中HNC-21M系統(tǒng)的指令接口定

7、義，HNC-21M使用的是脈沖接口， 如圖所示：XS30XS33 (DB15 頭孔唾計(jì)S:DIR-7iCP-6:0l：TAo15:DIR+14:CP-5;GM)4:+5V3:2+2:B+1:A+o QOO13:GND12：-5VU：Z*10 :B-們勺名說(shuō)明A+. A-編碼器A和位反饋信號(hào)B+、B-編碼器B相位信反饋信號(hào)Z+. Z-編侶器ZI冰沖反鍛倍號(hào)-5V, GNDDC5V電源0UTA模擬指令輸出 （20mA+20mA）CP+. CP-指令脈沖輸出（A相DIR+. DIR-指令方向輸出（B+H）注：OUTA模擬指令信號(hào)在HNC-21 QD型號(hào)中無(wú)效。圖4-1 HNC-21MD旨令接口定義其

8、中6號(hào)腳OUTA模擬指令輸出）在HNC-21M當(dāng)中是無(wú)效的。CP+CP-DIR+、DIR-為軸控制接口中的指令輸出信號(hào)，A+、A-、B+、B-為編碼器A B相位的反饋輸入信號(hào)，Z+、Z-為編碼器Z脈沖（即零脈沖）反饋輸入信號(hào)。數(shù)控裝置通過(guò)發(fā)出CN（指令信號(hào)傳達(dá)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置,然后伺服驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)接收這些指令來(lái)控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，靠電機(jī) 編碼器的反饋信號(hào)來(lái)告知數(shù)控裝置目前的位置和速度， 這樣就形成了 一個(gè)閉環(huán)的控制。其次我們只需要把這些指令和反饋信號(hào)連接到安川 SGD驅(qū)動(dòng)器上 對(duì)應(yīng)的指令輸入及反饋輸出的信號(hào)接口上就可以了 （需根據(jù)接口定義 自制指令電纜），如圖所示：XS30XS33W站米屏蔽層

9、7*:二 DIR-丨 *S1CNHNC-219R-11Z+IF|r7-*vDIX-X212.-SLL使能雉電器電注伺服報(bào)警FUL呂間服驅(qū)動(dòng)器安川P翌 水PEO PCOPELSRl*SIdFAO tFAQS4L12333435361920TPEA r4 142-2Wp-orC43N-OTV40S-OKIfSOSRV-PDY-pr295RV-RDY+rc32Al f-31ALM-2CXDC24V T 24地:L間服強(qiáng)電訶版電源編碼器反饋AC 3P380/200電機(jī)電源同臉電機(jī)安川 SGMG-3OA2ABG1ENU無(wú)權(quán)圖4-2 HNC-21MDT安川SGD驅(qū)動(dòng)的連接其中當(dāng)使用多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，通常將

10、各伺服驅(qū)動(dòng)器的SRV-RDY、SRV-RDYt尾串起來(lái)通過(guò)一個(gè)中間繼電器作為 伺服準(zhǔn)備好信號(hào)提 供給系統(tǒng)或其他電路使用，注意：不能作為伺服使能條件；將各伺服 驅(qū)動(dòng)器的ALM-ALM首尾串起來(lái)通過(guò)一個(gè)中間繼電器作為伺服報(bào)警信號(hào)提供給系統(tǒng)或其他電路使用連接好所有的電路以后，接下來(lái)就到了調(diào)試的階段了。由于該設(shè) 備在改造前使用的是 FANUC 6系統(tǒng)，是一款很老的數(shù)控產(chǎn)品，備配件 已購(gòu)買不到，其采用的是速度 （模擬量）控制方式，而華中的 HNC-21MD 是位置（數(shù)字量）控制方式，與安川 SGD原先的控制方式不能匹配， 因此下一步我們需要對(duì)安川SGD驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)修改，使其工作在位 置控制的模式下。首

11、先，我們通過(guò)SigmaWin嗽件（可從安川官網(wǎng)下載）由PC連接到 安川SGD驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行通訊。進(jìn)入軟件后選擇伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)，之后軟件會(huì)顯示一個(gè)參數(shù)列表，找到參數(shù)Cn-2B： Control methodselection （即控制方式選擇） ，把0改為 1， 注：0：速度控制方式1 ：位置控制方式2 ：扭矩控制方式確定好控制方式好以后，再找到Cn-02號(hào)參數(shù)Refere nee Pulseform（參考脈沖形式）的Bit3、Bit4、Bit5位，有五種參考脈沖形式選 擇：Bit5 Bit4 Bit3 Referenee Pulse form000 :Sign + Pulse0 0 1 :CW

12、 + CCW0 1 0 :A-phase + B-phase（x1 multiplieation）0 1 1 :A-phase + B-phase（x2 multiplieation）100:A-phase + B-phase(x4 multiplicatio n)這里我們選擇Sign + Pulse （脈沖加方向）的形式，而在華中HNC-21MD 數(shù)控裝置中通過(guò)修改硬件配置參數(shù)，可以將脈沖輸出形式設(shè)定為脈沖 加方向，雙脈沖，兩相正交三種模式。如圖：CPDIR模式一財(cái)沖方向模式二正脈沖負(fù)向脈沖模式三A相B相圖4-3脈沖形式選擇這里我們?yōu)榕c安川驅(qū)動(dòng)器所設(shè)參數(shù)進(jìn)行匹配，所以選擇模式一：脈沖加方向的

13、形式。之后再設(shè)定 Cn-11（Number of encoder pulses） 參數(shù) 與Cn-OA（PG dividing ratio ）參數(shù)為8192 P/R （安川伺服電機(jī)每轉(zhuǎn) 脈沖數(shù)），同時(shí)在HNC-21M系統(tǒng)中也需要把相應(yīng)的編碼器脈沖數(shù)改為 8192 P/R,若該兩項(xiàng)參數(shù)設(shè)定不一致會(huì)導(dǎo)致丟脈沖現(xiàn)象并發(fā)生跟蹤誤 差太大的報(bào)警，其次再根據(jù)機(jī)床實(shí)際情況設(shè)定好電子齒輪比等其他常 規(guī)參數(shù)之后，在系統(tǒng)設(shè)置界面里顯示機(jī)床實(shí)際坐標(biāo)值，與機(jī)床指令坐標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，準(zhǔn)確無(wú)誤后軸的基本運(yùn)行調(diào)試就完成了。同樣的道理，如果是使用速度控制的方式也是大致按照此流程來(lái) 做（根據(jù)客戶購(gòu)買的數(shù)控產(chǎn)品類型來(lái)選擇），只是指令輸出接線部分 需要使用模擬量OUT的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器參數(shù)需修改為速度控制方式以及 其他相關(guān)的主要參數(shù)就可以了。5. 結(jié)束語(yǔ)目前市場(chǎng)上的大部分?jǐn)?shù)控產(chǎn)品和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品都無(wú)非是采用這三種控 制方式，因此只要懂得