基于交流伺服和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制的玻璃數(shù)控鉆孔技術(shù)研究*

林 喆，魏海波*，孫 清

（1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110164；2.沈陽(yáng)藥科大學(xué)醫(yī)療器械學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110000）

0 引言

玻璃幕墻作為現(xiàn)代建筑墻體裝飾的新方法正在被越來(lái)越多的高層建筑所使用，它將建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)成為現(xiàn)代主義高層建筑的顯著特征。點(diǎn)式支撐玻璃幕墻是一種應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最迅速的新型玻璃幕墻，它是在玻璃上鉆孔后，通過(guò)金屬連接件和緊固件將玻璃固定在支撐結(jié)構(gòu)上，該方式可以充分利用金屬結(jié)構(gòu)的靈活多變性滿足建筑造型的需要。由于施工要求，點(diǎn)式支撐玻璃幕墻的生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)玻璃鉆孔的定位精度和鉆孔質(zhì)量要求很高，對(duì)鉆孔設(shè)備的位置控制精度、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性和成品率等方面有著更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)研制的玻璃鉆孔設(shè)備主要采用傳統(tǒng)臥式鉆孔方式，并由人工進(jìn)行定位鉆孔，存在加工誤差大、鉆孔質(zhì)量差并且無(wú)法進(jìn)行全自動(dòng)生產(chǎn)等問(wèn)題。

本研究將在高精度玻璃立式數(shù)控鉆孔設(shè)備中采用交流伺服控制技術(shù)、高精度滾珠絲杠和同步傳送機(jī)構(gòu)以提高數(shù)控鉆孔過(guò)程中鉆頭的水平和垂直位置控制精度，并利用由步進(jìn)電機(jī)、前后鉆頭和氣動(dòng)壓盤(pán)組成的雙鉆頭機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)玻璃雙面鉆孔，保證鉆孔同心度，提高鉆孔質(zhì)量；同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)軟件使設(shè)備能夠進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)。

1 數(shù)控鉆孔設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理

高精度玻璃立式數(shù)控鉆孔設(shè)備的鉆孔定位采用數(shù)控滑架式二維坐標(biāo)工作方式，在垂直方向采用滾珠絲杠導(dǎo)軌滑架機(jī)構(gòu)，在水平方向采用同步帶傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆頭坐標(biāo)定位控制［1］，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鉆頭機(jī)構(gòu)由前、后2 個(gè)上下聯(lián)動(dòng)鉆頭、4個(gè)精密導(dǎo)軌模塊、滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)組成，鉆孔時(shí)采用氣動(dòng)壓盤(pán)壓緊玻璃以保持其位置的固定，并由步進(jìn)電機(jī)控制前后鉆頭的進(jìn)給［2］。

圖1 玻璃立式數(shù)控鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)備工作時(shí)，水平傳送電機(jī)將帶動(dòng)同步帶上的待加工玻璃水平移動(dòng)至X軸（水平）方向鉆孔坐標(biāo)點(diǎn)，垂直傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉆頭機(jī)構(gòu)移動(dòng)至Y軸（垂直）方向鉆孔坐標(biāo)點(diǎn)后停止，鉆頭機(jī)構(gòu)前、后氣動(dòng)壓盤(pán)將玻璃夾緊后開(kāi)始鉆孔，后鉆頭首先開(kāi)始給進(jìn)鉆孔并向外噴水，當(dāng)鉆至玻璃厚度1/2時(shí)退出復(fù)位，前鉆頭再以相同的工作方式完成剩余1/2 厚度玻璃的鉆孔，當(dāng)該鉆孔完成后鉆頭復(fù)位并移至下一鉆孔坐標(biāo)點(diǎn)鉆孔，直至全部鉆孔完成后，成品玻璃將被傳送至出料機(jī)構(gòu)，鉆頭機(jī)構(gòu)在垂直傳送電機(jī)的作用下歸回坐標(biāo)原點(diǎn)。

2 數(shù)控鉆孔設(shè)備的位置控制系統(tǒng)

鉆孔位置加工精度是玻璃鉆孔設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)，而影響它的重要因素是伺服位置控制系統(tǒng)的性能。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度將直接影響鉆孔位置的精度。該控制系統(tǒng)采用三菱FX1S-30MT PLC 作為主控單元，并使用松下Minas A4 系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器與和之配套的交流伺服電機(jī)。旋轉(zhuǎn)編碼器在設(shè)備工作過(guò)程中將控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置，同時(shí)還將正交脈沖差分信號(hào)反饋至伺服驅(qū)動(dòng)器，形成了一個(gè)能消除伺服誤差的半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)［3］。

相比于傳統(tǒng)定位方式，本研究采用該種方式組成的交流伺服定位控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，較高的重復(fù)定位精度保證了產(chǎn)品加工的一致性，精確的位置分辨率確保了產(chǎn)品加工的精度，足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍滿足了設(shè)備對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的要求［4］；另外，由于加入了半閉環(huán)反饋，系統(tǒng)對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)了較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠有效地減少設(shè)備在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差，以上條件均為鉆頭的精確定位控制提供可靠保證［5］。

3 數(shù)控鉆孔設(shè)備的位置控制方法

松下Minas A4 交流伺服驅(qū)動(dòng)器的工作方式可以通過(guò)Pr02參數(shù)設(shè)定為位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制3種方式［6］，在該鉆孔設(shè)備中，為了抑制零漂，Pr02可設(shè)定為0（位置控制方式）。在工作過(guò)程中，PLC 首先將脈沖指令（包含脈沖信號(hào)和方向信號(hào)）輸入交流伺服器，再經(jīng)倍頻、濾波后與光電編碼器輸出的反饋信號(hào)在位置偏差計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較、放大后與速度前饋信號(hào)結(jié)合形成速度指令信號(hào)。同時(shí)，速度檢測(cè)反饋將實(shí)時(shí)監(jiān)視反饋脈沖數(shù)并進(jìn)行速度檢出，通過(guò)與速度指令信號(hào)比較后由速度偏差放大器、陷波濾波器和轉(zhuǎn)矩限制電路輸出轉(zhuǎn)矩電流來(lái)控制交流伺服驅(qū)動(dòng)器工作［7］。交流伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與各主要引腳功能分別如圖2、表1所示。

圖2 Minas A4交流伺服系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表1 高精度玻璃立式數(shù)控鉆孔設(shè)備的位置控制主要引腳功能

4 數(shù)控鉆孔設(shè)備的鉆頭機(jī)構(gòu)控制方法

在玻璃鉆孔過(guò)程中，為了能針對(duì)不同厚度、不同孔徑要求對(duì)玻璃進(jìn)行鉆孔，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度采用變頻器進(jìn)行控制，而鉆頭進(jìn)給則采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，并利用氣動(dòng)壓盤(pán)的夾緊功能來(lái)保證鉆孔的同心度。鉆孔時(shí)，PLC 輸出方波信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給量，而不同頻率的脈沖則決定了鉆頭機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度，其與PLC的連接圖如圖3所示。

圖3 前后鉆頭控制連接圖

在設(shè)備中，鉆頭進(jìn)給采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給行程正比于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，而旋轉(zhuǎn)角度可以通過(guò)PLC 輸入的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行控制［8］，進(jìn)給行程和脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系如下式所示：

式中：n—脈沖個(gè)數(shù)；ΔL—進(jìn)給行程，mm；δ—脈沖當(dāng)量，mm/pulse。

為了保證鉆孔質(zhì)量，對(duì)不同參數(shù)的玻璃需要采用不同的進(jìn)給速度控制鉆頭機(jī)構(gòu)進(jìn)給進(jìn)行鉆孔，而進(jìn)給速度vF（單位：mm/min）則取決于脈沖輸入頻率，如下式所示：

鉆頭機(jī)構(gòu)在鉆孔過(guò)程中包含進(jìn)給鉆孔和退出復(fù)位兩個(gè)過(guò)程，可以通過(guò)PLC輸出的方向控制信號(hào)改變電機(jī)繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)，為了避免鉆頭在啟動(dòng)時(shí)突然加高頻信號(hào)而引起的嘯叫、失步和在突然停止時(shí)產(chǎn)生的嘯叫、震動(dòng)，設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)采用了脈沖升頻而在停止時(shí)采用降頻的控制方法。

5 數(shù)控鉆孔設(shè)備的程序設(shè)計(jì)

高精度玻璃立式數(shù)控鉆孔設(shè)備采用2 臺(tái)三菱FX1S-30MT PLC 分別實(shí)現(xiàn)鉆頭機(jī)構(gòu)的位置控制和雙面鉆孔操作，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，首先使鉆頭機(jī)構(gòu)在垂直和水平方向都復(fù)位至原點(diǎn)，然后將鉆孔的垂直和水平位置信息轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)，進(jìn)行位置控制完成坐標(biāo)定位，鉆孔定位程序流程如圖4（a）所示。

當(dāng)設(shè)備完成鉆孔定位后，設(shè)備將啟動(dòng)鉆孔子程序進(jìn)行工作，鉆頭機(jī)構(gòu)將按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)先后啟動(dòng)前后兩個(gè)鉆頭分別進(jìn)給一段距離（L）后，進(jìn)行1/2厚度（d）的鉆孔，以此來(lái)保證鉆孔的同心度和鉆孔質(zhì)量，提高鉆孔成品率［9］，鉆頭控制程序流程如圖4（b）所示。

圖4 鉆孔定位和鉆頭控制程序流程

為了使設(shè)備能夠易于實(shí)時(shí)操作和設(shè)置參數(shù)，并且能夠?qū)︺@孔過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，該設(shè)備進(jìn)行了上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，包含了可以實(shí)時(shí)顯示鉆頭運(yùn)行位置情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面；另外，為了更好地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化與自動(dòng)化，該設(shè)備還包含了進(jìn)行玻璃鉆孔各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置的設(shè)置界面，在鉆孔之前可以在上位機(jī)輸入玻璃和鉆頭的相關(guān)信息以及鉆孔操作的工藝參數(shù)［10］，該設(shè)備將按照所設(shè)定的參數(shù)信息進(jìn)行自動(dòng)加工，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和參數(shù)設(shè)置界面

6 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)理論分析和生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)證明，高精度玻璃立式數(shù)控鉆孔設(shè)備具有運(yùn)行速度快、鉆孔定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好和鉆孔質(zhì)量高等特點(diǎn)。該設(shè)備采用了先進(jìn)的交流電機(jī)伺服技術(shù)，并利用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)和高精度滾珠絲杠有效地提高了鉆頭機(jī)構(gòu)的定位精度，中心孔誤差≤±0.1 mm，孔與基準(zhǔn)邊誤差≤±0.1 mm；所采用的鉆頭機(jī)構(gòu)、雙面鉆孔方法和氣動(dòng)壓盤(pán)可使鉆孔同心度誤差≤±0.1 mm；可加工的玻璃厚度范圍達(dá)3 mm~25 mm，玻璃最大幅面為2 500 mm×3 000 mm，加工孔徑范圍（單位：mm）為Φ3~Φ100，最大鉆孔數(shù)為16，設(shè)備的加工精度和加工質(zhì)量完全滿足點(diǎn)式支撐玻璃幕墻生產(chǎn)的各項(xiàng)要求。

目前，該設(shè)備已在多個(gè)玻璃深加工企業(yè)投入生產(chǎn)運(yùn)行。

（References）：

［1］孫 清.玻璃立式鉆孔機(jī)電氣控制系統(tǒng)［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，2007.

［2］姜信建.X-Y 數(shù)控滑架式玻璃鉆孔加工技術(shù)［J］.機(jī)械工程師，2003（3）：57-58.

［3］唐潤(rùn)宏，陳文楷，余躍慶.松下交流伺服系統(tǒng)與PMAC 控制卡在機(jī)器人中的應(yīng)用［J］.儀器儀表用戶，2006，13（5）：78-80.

［4］SCHOOP R，NOUBERT R，SUESSMANN B.Flexible Manu?facturing Control with PLC，CNC and Software Agents［C］//Proceedings 5th International Symposium on Autonomous Decentralized Systems.Dallas：IEEE Computer Soc.，2001：365-371.

［5］QIU Hua，LI Yan-bin，LI Yan.A new method and device for motor accuracy measurement of NC machine tools［J］.International Journal of Machine Tools &Manufac?ture，2001（41）：535-554.

［6］魏海波，張君薇，孫 清，等.基于PLC和交流伺服系統(tǒng)控制的自動(dòng)化生產(chǎn)線輸送系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（7）：81-82.

［7］Panasonic Inc..Minas A4 Manual［Z］.Panasonic Inc.，2010.

［8］黃兆斌，黃云龍，余世明.幾種步進(jìn)電機(jī)加減速方法的對(duì)比研究及其應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2011，28（8）：951-953.

［9］吳文勇.對(duì)玻璃材料進(jìn)行鉆孔加工工藝探析［J］.職業(yè)，2014（3）：151.

［10］耿金良，王 勁，孫千里，等.自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)處理技術(shù)［J］.機(jī)電工程，2014，31（5）：616-619.