交流伺服電機在全自動端子壓著機上的應用

宋春寧， 李陟升

(廣西大學電氣工程學院，廣西南寧 530004)

0 引言

全自動端子壓著機是近幾年出現的一種將線束的切斷、剝皮與端子壓著等三個主要的線束末端加工工序集成于一體完成的機電一體化機械。新一代的全自動端子壓著機具有加工效率高、加工精度高、運行平穩等特點。該應用中的全自動端子壓著機每分鐘可加工75根線束，平均不到1 s就加工一條線束。剝皮精度可達0.01 ms，運行平穩，噪聲小。要想達到這個要求，非常重要的一點就是采用合適的執行電機。

交流伺服電機具有運行精度高、運行平穩、速度響應性能好等優點，且交流伺服系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。

基于以上特點，全自動端子壓著機大多選擇交流伺服電機作為系統執行電機。

1 控制系統的組成

控制系統的組成如圖1所示，全自動端子壓著機可以同時對線束的兩端進行加工，分別稱為前端加工和后端加工，由于兩端加工流程相似。現以前端加工為例進行說明(前端加工的執行電機為1#和2#伺服電機，旋轉由1#伺服電機完成，搬送夾固定在2#伺服電機上)。

圖1 控制系統框圖

前端加工流程如下:(1)切斷線束后，搬送夾倒退一段距離，然后旋轉12°到剝皮臺，伺服電機將搬送夾按照預先設定的剝皮長度向前進。(2)剝皮刀刃切入線束后，搬送夾倒退進行剝皮。(3)旋轉45°至壓著臺，在旋轉的過程中經過20°位置所示的剝皮檢出裝置，確認檢測出芯線后，搬送夾前進至預先設定的壓著位置。(4)壓著完成后，返回到原來的位置(給進線)。(5)搬送夾開起，送線滾軸給出所設定長度的電線。前端加工機械動作圖如圖2所示。

圖2 前端加工機械動作圖

2 交流伺服系統的組成

選用日本三菱的通用交流伺服放大器MRJ2S，其具有以下優點:(1)具有RS-232和RS-422串行通信功能，通過安裝有伺服設置軟件的個人計算機就能進行參數設定、試運行、狀態顯示和增益調整等操作。(2)與MR-J2S系列配套的伺服電機編碼器采用了分辨率為131 072脈沖/轉的絕對位置編碼器，采用高性能的CPU，大大提高產品的響應性。(3)多種系列伺服電機適應不同控制需求，電機上的編碼器均支持ABS模式，只要在伺服放大器上另加電池，就能構成絕對位置系統。(4)使用更為方便，具有優異的自動調諧性能，機械分析功能，可以輕松實現抑制機械振動，增益搜索功能，可以自動找出最佳增益值。(5)進行原點回歸設置后，即使發生報警也不需要再次原點回歸即能正常工作。

選用 MR-J2S兼容的 HC-MFS系列的 HCMFS13(B)，HC-MFS43(B)兩種型號電機。該系列電機具有超低慣量的特點，特別適用于高頻操作。

3 可編程邏輯控制器和定位模塊的選擇

在該設計中選用三菱的最新一代小型可編程邏輯控制器(Programmable Logical Control，PLC)FX3U作為控制器，該型PLC具有如下功能:(1)PLC上的直接可以連線的輸入輸出點達到256點。(2)輸入輸出的擴展設備可以連接FX2N系列的輸入輸出擴展模塊。(3)內置了64 K步的RAM內存。(4)可以通過遠程進行RUN/STOP操作，給程序的調試帶來了極大的方便。(5)豐富的定位控制指令，可以完成3根獨立軸的定位。

選用FX2N-1PG定位模塊對伺服電機進行位置控制(FX3U可以擴展FX2N-1PG定位模塊)。每組1PG可以完成一個獨立軸的定位，是通過向伺服電機的驅動放大器提供指定數量的脈沖來實現的。

4 伺服電機位置控制相關參數設置

4.1 MR-J2S 參數設置

該應用中利用FX2N-1PG定位模塊對1#～4#伺服電機進行控制。伺服放大器MR-J2S需要設置的參數有:電子齒輪、加減速時間、脈沖方式等。其中需要注意的是伺服放大器中設置的脈沖方式必須與FX2N-1PG中脈沖方式一致，否則可能導致錯誤。

4.2 FX2N-1PG定位模塊參數設置

定位模塊使用FROM/TO指令與PC進行數據傳輸。FX2N-1PG需要寫入的參數有16位和32位兩種類型，分別用TO/DTO指令。以1#伺服電機為例，下面依次設置:電機轉一圈所需脈沖數;電機轉一圈所走過的距離;單位系統，脈沖方式，定位數據放大倍數，原點返回方向，DOG輸入極性，停止信號極性;最高速度;基速;原點回歸速度(高速);原點回歸速度(爬行);原點返回的0點信號數;原點位置;加減速時間;目標位置;運行速度。

5 伺服電機回原點設計

伺服電機回原點速度控制示意圖如圖3所示。DOG開關是FX2N-1PG定位模塊上用來實現回原點的一個輸入引腳。本例中設置DOG開關為ON時伺服電機開始減速，OFF時停車。

圖3 伺服電機回原點速度控制示意圖

傳統的伺服電機回原點是通過一個較長的DOG開關，或者兩個位置開關來使得高速運行的伺服電機有足夠的時間減速到v實現的(v是一個臨界速度，只要伺服電機在這個速度以下停車，就能每次都停在同一位置，保證了回原的精確)。但是該方式需要爬行距離較長。在該設計中采用的回原點方式——兩次回原點，使得只需要一個光電開關就能實現回原點。原理如下:

發送回原點指令，伺服電機高速v1(BFM 10#和9#)回原點，當近原點信號DOG由OFF變為ON時，伺服電機開始減速。當近原點信號DOG由ON變為OFF時，伺服電機根據Z相信號數確定停車位置(BFM 12#)。本例中BFM 12#為0，所以伺服電機立即停止(注意，沒有減速到爬行速度就停止了，且停止位置必須使DOG開關保持ON。清除回原點完成標志位后再次發送回原點指令，重新設置(BFM 10#和9#)為一個較低的速度v2(該設計中為K100)，重置的速度只要能使伺服電機在DOG變為OFF前減速到v即可。

實踐證明該方法能夠使伺服精確的回原點，并且穩定性極高，有效彌補了傳統回原點的不足。

6 軟件設計

伺服電機的位置由驅動放大器接收的脈沖數來決定。當編碼器和滾珠絲桿進給量確定以后，可以通過設置電子齒輪使伺服電機每接收一個脈沖移動0.01mm，或者 0.01°。以 1#伺服電機為例，因為設置了位置數據倍數為100倍，所以在第一次定位到剝皮臺時位置參數應寫入12，即12×100 ×0.01°=12°;

起動單速定位之前要回原點，初始位置在以原點為基礎旋轉8°處。那么剝皮臺和壓著臺的絕對位置就是 20°、53°。

采用絕對坐標配合單速定位方式對伺服電機的位置進行控制，這是通過設置FX2N-1PG中BFM 25#參數實現的，使用絕對坐標避免了累積誤差的產生。程序中使用FORM指令讀出伺服電機當前位置存入D100中，D100分別與各個目標位置進行比較，如果相同則接通對應中間繼電器，如果8°定位完成，則M100接通，寫入下一個定位數據20°。20°定位完成則寫入下一個定位數據53°，如此循環。M288為定位完成標志位，每次定位完成后都自動接通。M258起動單速定位，定位完成后延時一段時間進入下一次單速定位。在程序的最后可以通過跳轉指令跳到第一次定位執行處，使程序循環執行。

7 結 語

本文介紹了交流伺服電機在全自動端子壓著機上的應用，根據機器裝配完成后調整了位置數據的具體數值。伺服電機運轉非常平穩，振動小。采用的兩次回原點方法使得伺服電機的回原點更加方便、精確。該應用具有很強的工業實用性，本文所采用的全自動端子壓著機投入運行半年多以來，運行良好、操作方便、加工效率高。

［1］三菱電機自動化(中國)有限公司.FX-1PG/FX2N-1PG 用戶指南［G］.2000.

［2］三菱電機自動化(中國)有限公司.MR-J2S-A伺服放大器技術資料集［G］.2001.