臺達自動化在大幅面激光切割機上的應用

■山西省運城市新絳縣橫橋中學 （043100） 張 勇

臺達自動化在大幅面激光切割機上的應用

■山西省運城市新絳縣橫橋中學 （043100） 張 勇

摘要：本文以龍門激光切割機為案例，詳述了如何利用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來源，即可實現(xiàn)2個伺服電動機之間的高精度同步控制方案。

在CNC技術(shù)和激光加工切割新技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于金屬、皮革、廣告雕刻等切割加工領(lǐng)域的今天，采用新型的龍門機構(gòu)設(shè)計的大幅面機器，幅面跨度可達到3m×5m有效的加工行程，使用了安裝在床身側(cè)的導軌設(shè)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。如圖1所示，這樣負載重量就由2邊導軌和絲桿分開承受，很好的解決了大幅面機械的幅面過大、機械剛性不足的問題。

解決了上述問題后，那怎么樣才能很好的驅(qū)動電動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來源，即可實現(xiàn)2個伺服電動機之間的高精度同步控制方案。

1. 臺達高精度龍門同驅(qū)方案

傳統(tǒng)的龍門同驅(qū)電動機控制，一般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口設(shè)置和參數(shù)設(shè)計，只需要改變上位控制器和A2伺服接線，以及設(shè)定相應的參數(shù)即可以實現(xiàn)雙伺服同驅(qū)功能，這是A2伺服運動控制的一大特色功能。

2. 龍門同驅(qū)的控制架構(gòu)和具體接線

（1）控制器選型。龍門同驅(qū)須使用A2-m/u/l型驅(qū)動器，驅(qū)動器必須具有cn5接口，因為這一個接口可支持A2驅(qū)動器接受除自身編碼器反饋之外的、來自于另外一顆伺服的第二路編碼器反饋。

（2）控制器架構(gòu)。①上位控制器給軸1的伺服di/do信號。②上位控制器給軸2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1pg信號輸出給軸2的cn5信號。⑤軸2pg信號輸出給軸1的cn5信號（見圖1）。

（3）具體接線如下，以軸1伺服為例（見圖2）。

圖1

3. 方案的實施

（1）伺服基本參數(shù)設(shè)定-電子齒輪比設(shè)定。當接線接好，檢查確認無誤后，即可進行伺服參數(shù)的設(shè)置。首先，取消相關(guān)無用的di，解除報警信息ale13、ale14、ale15，同時需要設(shè)定上位控制器對伺服命令的電子齒輪比參數(shù)，設(shè)定對正確的電子齒輪比是伺服正確運動的前提，切記兩軸的電子齒輪比設(shè)定的數(shù)值要保

持一致。

圖2

設(shè)定數(shù)值p1-44電子齒輪比分子，出廠設(shè)定值為128。

設(shè)定數(shù)值p1-45電子齒輪比分母，出廠設(shè)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。

這里舉例假設(shè)為p1-45=1，即10 000pulse，電動機運行一圈。公式如下

1 280 000×p1-45÷p1-44=1 280 000×1÷128=10 000 （pulse）

（2）伺服慣量比測定。伺服慣量比的估測和伺服增益的調(diào)整，步驟如下：①先將龍門機構(gòu)解除，檢查所有的機構(gòu)及伺服上的設(shè)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 -l（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慣量比是伺服電動機運轉(zhuǎn)的計算基礎(chǔ)，此值務(wù)必正確。

（3）p1-46 pg分周比參數(shù)設(shè)定和p1-72光學尺閉環(huán)解析度設(shè)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、p1-45并無實質(zhì)的關(guān)系，為馬達自身輸出解析。設(shè)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。限制公式為

馬達轉(zhuǎn)速÷60×p1-46×4 < 8×1 000 000

p 1 - 7 2為電動機旋轉(zhuǎn)一圈時c n 5應該接收到多少數(shù)值。為4倍頻之后的數(shù)值，其數(shù)值為另一顆伺服軸的p 1 -46×4得到的數(shù)值。舉例，如軸1的p1-46=10 000pulse，則軸2的p1-72相應等于 p1-72=2 500×4=40 000（pulse）。通常兩個軸的這兩組參數(shù)要設(shè)定一致！

（4）p1-73光學尺全閉環(huán)回授位置、馬達編碼器之間位置誤差過大的錯誤保護范圍設(shè)定當伺服驅(qū)動器從cn5接收到的另一驅(qū)動器數(shù)值與自身編碼器接口cn2反饋來的數(shù)值差值到該設(shè)定數(shù)值后，驅(qū)動器即發(fā)生ale40報警，在設(shè)定此值時，務(wù)必考慮實際的機械結(jié)構(gòu)所能承受兩軸間的錯位誤差，如誤差值設(shè)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)！

還以上述為例，p1-46= 10 000pulse，p1-72=40 000pulse。p1-73=400pulse，絲桿的螺距為10mm，則兩軸允許的誤差為：

400÷40 000×10=0.1mm，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(shè)定在設(shè)定時并非越小越好，還要考慮兩軸因為負載情況不可能完全相同，在加速或減速過程中，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。

（5）同步設(shè)定檢查。使用a2-sfot軟件示波器功能（見圖3）。①將示波器下方的ch1的adr 及32bit勾選，并在黃格內(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p1-74設(shè)定改為10x，即可將cn5接收到的回授信號將反相。④如果設(shè)定正確，訊號會如同圖3，增加量是同向的（圖中黃色的鋸齒訊號，屬正常現(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完成后，將示波器接到另一臺驅(qū)動器，察看另一臺脈波回授相位是否正確。

圖3

試運轉(zhuǎn)以及p1-73誤差值的修正：使用A2-sfot軟件增益計算功能，2臺伺服驅(qū)動器先設(shè)定相同的伺服頻寬設(shè)定，以避免兩軸的增益參數(shù)設(shè)定不一致而引起馬達反應速度不同，產(chǎn)生較大的誤差（見圖4）。

圖4

使用A2-sfot軟件示波器功能：設(shè)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軟件示波器，觀察兩軸之間的位置誤差及同步情形。如下圖設(shè)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(shè)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

p1-74龍門同步功能的開啟：當上述參數(shù)檢查和設(shè)定完畢后，將參數(shù)p1-74設(shè)定等于2即可實現(xiàn)龍門同驅(qū)功能。

p2-57同步增益頻寬的設(shè)定（見圖5）。

圖5

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)脑黾觩2-57的數(shù)值，該數(shù)值為同步控制頻寬，設(shè)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(shè)定越大，其兩軸同步的效果就越好（見圖6）。

圖6

但是需要注意的是，當系統(tǒng)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。

4. 其他因素對同步精度影響

對于下述問題是一個十分有必要討論的問題，我們在實際調(diào)試時發(fā)現(xiàn)以下問題對同步精度起影響作用，甚至有時左右到方案的結(jié)果。

（1）2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。

實際證明發(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，但是另一臺驅(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：①減少cn5到cn1接線長度，采用屏蔽雙絞線。②使用金屬底板。③采用正確的接地，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，而使用齒輪齒條時，需要兩邊齒條嚴格對位，這樣對安裝有了較高的要求，加上齒輪傳動的間隙問題，所以結(jié)構(gòu)剛性不如絲桿，同步效果也會差些，但這是機械結(jié)構(gòu)特點決定的，伺服電動機在電氣上仍保持高精度的位置同步。

5. 結(jié)語

本案只是A2高解析智能伺服龍門同驅(qū)功能的一個典型應用。目前A2系列伺服除龍門同驅(qū)功能外，其他系列機型還包含有CAN -O P E N總線機型，全閉環(huán)機型，以及擴展I/O機型，可以滿足不同應用場合和控制需求，相信隨著市場的不斷深入，我們可以為客戶實現(xiàn)更穩(wěn)定、高性價比的伺服運動控制控制方案。

收稿日期：（20150115）