臺達A伺服在大幅面激光切割機上應用

1、臺達A2伺服在大幅面激光切割機上 應用伺服數(shù)控產(chǎn)品處應用工程師張廣偉關鍵詞：龍門結(jié)構(gòu)、大幅面、高解析智能伺服、雙伺服同驅(qū)、第二編碼器反饋1.引言今天，CN技術和激光加工切割新技術已經(jīng)廣泛應用于金屬，皮革，廣告雕刻等切割加工領域。與傳統(tǒng)的切割加工方法相比，借 助于CAM技術，CNC激光切割機可以靈活的加工出工件，切割速 度更快，成本更低。但是因為機械設計原因，一般的激光切割機的 幅面只能維持在2mX3m的有效工作范圍。，要突破這一范圍，兩 個方向的機械絲桿將會很長，直徑相對較粗，這樣無疑降低了機械 剛性，很容易產(chǎn)生共振。而且為了克服絲桿直徑增加的轉(zhuǎn)動慣量， 伺服馬達的電機轉(zhuǎn)矩以及慣量都要相應的加

2、大，同時為了保證精 度，加工速度無法加快。而采用新型的龍門機構(gòu)設計的大幅面機器, 幅面跨度可能達到3mx5m有效的加工行程，使用了安裝在床身側(cè) 面的導軌設計，激光頭縱向位移軸就可以方便的以門字形結(jié)構(gòu)跨坐 在橫向位移導軌上，同時位移由橫向兩個伺服馬達同步位移驅(qū)動兩 根絲桿來完成橫向位移，如下圖所示，這樣負載的重量就有2邊導 軌和絲桿分開來承受，就可以很好的解決大幅面機械，幅面過大， 機械剛性不足的問題。解決了機械上的冋題，那怎么樣才能很好的驅(qū)動電機使兩邊的伺 服馬達能夠保持高精度的位置同步呢？本文就以龍門激光切割機為 案例，詳述了如何利用臺達A2伺服獨有的龍門同驅(qū)功能，僅以一路 脈沖命令作為命令

3、來源，即可實現(xiàn)兩個伺服馬達之間的高精度同步控 制方案。2. 臺達高精度龍門同驅(qū)方案傳統(tǒng)的龍門同驅(qū)電機控制，往往借助于 上位控制器單元來協(xié)調(diào)，如果上位控制器是 脈沖機型的，就只能通過伺服軸COPY功 能來實現(xiàn)，或者上位控制器是電壓命令型 CNC, CNC輸出兩路模擬量電壓，同時將兩顆同步伺服的編碼器信號反饋到位置環(huán)，同時兩直線軸之間實現(xiàn)插 補同步運動和半閉環(huán)控制。但是，無論是以上何種方式，都需要上位 控制器的配合，需要獨立的兩路命令通道才能夠控制兩軸同驅(qū)。與傳統(tǒng)龍門同驅(qū)控制架構(gòu)相比，新的A2控制方式，無需修改上位控制器的硬件接設置和參數(shù)設計，只需要改變上位控制器和A2伺服接線,以及設定相應的參數(shù)

4、既可以實現(xiàn)雙伺服同驅(qū)功能，這杲A2伺服運動控制的一大特色功能。3. 龍門同驅(qū)的控制架構(gòu)和具體接線a）控制器選型龍門同驅(qū)必須使用軸軸ASDA-A2-M/U/L型驅(qū)動器，驅(qū)動器 必須具有CN5接，因為這一個接口 可以支持A2驅(qū)動器接受除自身編碼 器反饋之外的來自于月外一顆伺服的 第二路編碼器反饋。1）上位控制器給軸的伺服DI/DO信號2）上位控制器給軸的伺服DI/DO信號3）上位控制器給兩軸的一路脈沖命令信號4）軸PG信號輸出給軸的CN5信號5）軸PG信號輸出給軸的CN5信號c）具體接線如下，以軸伺服為例上位控制器信號Y1 CN1信號定義1SON9DI1SON25V+36SIGN脈沖方向+43PU

5、LSE脈沖信號+337/SIGN脈沖方向脈沖方向4脈沖信號41/PULSE脈沖信號-524V+1124V+外部電源24+624V-4524V-外部電源24-Y2CN5Y1 CN1信號定義7接收來自號一軸的編碼器信號！/B2/OB23編碼器/OB輸出8B3OB25編碼器OB輸出9A4OA21編碼器OA輸出10/A5/OA22編碼器/OA輸出4. 方案的實施a）伺服基本參數(shù)設定電子齒輪比設定當接線接好，檢查確認無誤后，既可以進行伺服參數(shù)的設置，首先,取消相關無用的DI,解除報警信息ALE 13、ALE14、ALE15, 同時需要設定上位控制器對伺服命令的電子齒輪比參數(shù)，設定對正確 的電子齒輪比是伺

6、服正確運動的前提，切記兩軸的電子齒輪比設定的 數(shù)值要保持一致。設定數(shù)值P1-44電子齒輪比分子，出廠設定值為128設定數(shù)值P1-45電子齒輪比分田，出廠設定值為10,即伺服驅(qū) 動器接到10萬PULSE,馬達才運轉(zhuǎn)一圈，建議根據(jù)上位控制器發(fā)送 脈沖的脈沖能力，以及最高運動速度，還有絲桿的螺距等因素綜合考 慮。這里我們舉例假設設定為P1-45=1,即10OOOpulse,電機運行 圈。公式如下1280000XP1-45 + P1 -44=1280000X1 令 128=1 OOOOpulse。b）同服慣量比測定其次逬行的是伺服慣量比的估測和伺服增益的調(diào)整。具體步驟如 下，1）先將龍門機構(gòu)解除，檢查

7、所有的機構(gòu)及伺服上的設定，如急停 以及左右極限等，確認是否正常有效！2）將兩臺驅(qū)動器上的面板監(jiān)視調(diào)整為J丄（p0-02=15監(jiān)測慣量 用）3）上位控制器下達脈波指令，先以慢速來回移動龍門機構(gòu)，確定 機構(gòu)運轉(zhuǎn)沒有問題，慢慢加快來回移動速度，觀看驅(qū)動器上的 慣量顯示4）等顯示穩(wěn)定后，將慣量比分別寫入到各自控制器的P1-37參數(shù)（當機械結(jié)構(gòu)不對稱時，各自的慣量比有可能不同）5）慣量比是伺服電機運轉(zhuǎn)的計算基礎，此值務必確保正確!c）P1-46 PG分周比參數(shù)設定和P1-72光學尺閉環(huán)解析度設定P1-46為伺服驅(qū)動器CN1自身輸出到另一顆同驅(qū)驅(qū)動器的 CN5的編碼器反饋值，此數(shù)值大小和前面P1-44.

8、P1-45并無實質(zhì)的 關系，為馬達自身輸出解析。設定數(shù)值越大，解析越高，越有利龍門 的控制，但是超出一定控制的范圍的話，將影響兩軸間位置誤差計算 的正確性。限制公式如下：馬達轉(zhuǎn)速令 60xP1 -46x4<8*1000,000P1-72為馬達旋轉(zhuǎn)一圈時CN5應該接收到多少數(shù)值。為4倍頻 之后的數(shù)值，其數(shù)值為月一顆伺服軸的P1-46X4得到的數(shù)值。舉例，如果軸的P1-46=10000pulse,則軸的P172相應等 于P1-72=2500X4=40000pulseo通常兩個軸的這兩組參數(shù)要設定一 致！d）P1-73光學尺全閉環(huán)回授位置和馬達編碼器之間位置誤差過 大的錯誤保護范圍設定當伺服驅(qū)

9、動器從CN5接收到的月一驅(qū)動器數(shù)值與自身編碼器接 CN2反饋來的數(shù)值差值到該設定數(shù)值后，驅(qū)動器即發(fā)生ALE40 報警，在設定此值時，務必考慮實阪的機械結(jié)構(gòu)所能承受兩軸間的 錯位誤差，如果誤差值設定超過實際機械結(jié)構(gòu)所能承受的能力，可能會損壞機械系統(tǒng)！允許誤差的公式如下：還是以上述為例,如果 P1-46=10000pulse, P1-72=40000pulseoP1-73=400pulse,絲桿的螺距為10mm,則兩軸允許的誤差為：400+ 40000x10=0.1 mm,當兩軸誤差達到0.1mm時，伺服系統(tǒng)產(chǎn) 生報警信息ALE40。需要注意的是這個值設定在設定時并非越小越好，還要考慮兩軸 因為負

10、載情況不可能完全相同，因此在加速或者減速過程中，產(chǎn)生較 大的同步誤差，因此要被考慮，后續(xù)章節(jié)會描述。e）同步設定檢查12C9LO12(91070?78S3K0 ESKO1409ll«7711S2?13592 J川7211>2214.C9-1370e相封値CHI : 0x9060CH2 :目施淺PUUlr ADD 22 bri |ox5r?oco'、穹料：| 、相楓J使用A2-sfot軟體示波器功能1）將示波器下方的CH1的ADR及32BIT勾選，并在黃色方格內(nèi)鍵 入0x3f9060,此值為驅(qū)動器內(nèi)部光學尺CN5的回授脈波量，此 變數(shù)為32位元數(shù)值（監(jiān)視同動驅(qū)動器的移動方

11、向）。2）將CH2的32BIT勾選，并在白色方格內(nèi)選擇“回授位置”，此為馬達本身回授的脈波量（監(jiān)視連接到示波器之驅(qū)動器的移動方 向）3）命令上位控制器下達位置命令，使兩顆馬達同時移動，并觀察PC示波器的變化，訊號如下圖，CH1與CH2增加量是相反的， 如果不將CN5的輸入信號反向，只要龍門同動控制一啟動，就會 馬上產(chǎn)生兩軸位置誤差過大的警報，若將本機上的P74設定改 為10X即可將CN5接收到的回授信號將反相。7389 4|LUUJ 資料： 相封値1145.41243.41173.53173.512031233.6333.61263712637LZ33J15ZS3B2S9CH1: 0:<

12、3P?D60CMS；回摂沱置PUU J7 ADR p 32 bit心“Di藥231JG510 3&518123311Z5WL173%817Wft13141? 何4F啊6391? 39D-911(91-64.1US4J血132 1CCQ21053.11053.11(63 .Z M3 21113.31113.34）如果設定正確，訊號會如同下圖，增加量是同向的。（圖中黃色的 鋸齒訊號，屬正?，F(xiàn)象，因為控制器內(nèi)部，為避免溢位，執(zhí)行數(shù) 值重置的動作）5）完成以后，將PC示波器接到另一臺驅(qū)動器，察看月一臺的脈波回授相位是否一樣正確。f）試運轉(zhuǎn)以及P1-73誤差值的修正使用A2-sfot軟體增益計算

13、功能，兩臺伺服驅(qū)動器先設定一個相 同的伺服頻寬設定，以避免兩軸增益參數(shù)設定不一致，而引起馬達反 應速度不同，而產(chǎn)生較大的誤差。使用A2-sfot軟體示波器功能設定適當?shù)乃欧l寬后（由小到大調(diào)整），讓上位控制器下達位 置命令，并透過PC軟體示波器，觀察兩軸之間的位置誤差及同步情 形。如下圖設定,勾選CH1.ADR及32BIT,并輸入位址0x3f9f98, 此數(shù)值為兩軸之間的位置誤差量，單位為PULSE,兩軸間若位置誤 差量大過設定值P1-73,則會產(chǎn)生報警。所以上位控制器最后給定的 加減速指令，必須調(diào)整到伺服在加減速過程中，能夠滿足 0x3f9f98<P1-73時才不會發(fā)生問題。g) P1

14、74龍門同步功能的開啟當上述參數(shù)檢查和設定完畢后，將參數(shù)P1-74設定等于2即可實現(xiàn)龍門同驅(qū)功能。h) P2-57同步增益頻寬的設定當使用中發(fā)現(xiàn)兩軸同步后，跟隨誤差還是較大時，建議適當?shù)脑黾覲2-57的數(shù)值，該數(shù)值為同步控制頻寬，設定該數(shù)值后，系統(tǒng)會 自動的計算出P2-54-P2-58等一系列同步頻寬PID調(diào)節(jié)參數(shù)。此數(shù) 值設定越大，其兩軸同步的效果就越好。龍門機構(gòu)所允許的錯位誤差P1-73大4»小頻寬比例100%頻寬比例=伺服頻寬/ (伺服頻寬+冋動頻寛)1009080706050403()201()%0102030405060708090%伺服頻寛同動頻寛但是需要注意的是，當系統(tǒng)

15、的速度環(huán)頻寬+同動控制頻寬系統(tǒng) 自身的允許頻寬時，機構(gòu)就會共振產(chǎn)生嘯叫，因此在調(diào)整同動頻寬時, 要由小到大慢慢的調(diào)整！5其他因素對同步精度的影響對于下述問題是一個十分有必要討論的冋題，我們在實際調(diào)試時發(fā) 現(xiàn)以下問題對于同步精度起影響作用，甚至有時左右到方案的結(jié)果。 D兩臺驅(qū)動器沒有安裝在同一個金屬層板，導致不能等電位，引起 驅(qū)動器CN5脈沖受干擾。我們在現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，有些客戶的驅(qū)動器安裝在膠木板上或者將金屬 底板噴漆，當采用的底線不夠規(guī)格時，同時監(jiān)控兩臺驅(qū)動器，其 中一臺編碼器回授不增加，但是月一臺驅(qū)動器的3F9060地址位 數(shù)值卻不斷變化，顯示有脈沖進入，這就是雜訊干擾引起。解決的方法是：A. 減少CN5到CN1的接線長度，采用屏蔽雙絞線。B. 使用金屬底板C. 采用良好和正確的接地，或者將兩顆伺服接地端子，使用金屬 銅編織帶跨接。2) 兩軸同步時機械使用絲桿和齒輪齒條的效果差異 當采用絲桿傳動結(jié)構(gòu)時，機械的剛性較高，因此可以獲得較好的同步 效果，而使用齒輪齒條