HST伺服數控刀架控制系統設計與優化

楊春洋， 於成業， 謝群， 景蔚然

（1.沈陽機床股份有限公司數控刀架分公司，沈陽 110042；2.沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110168；3.北方重工集團有限公司冶金設備分公司，沈陽 110141）

0 引 言

伺服數控刀架是數控機床的核心功能部件。隨著伺服數控刀架技術的成熟、性能的提高及伺服驅動系統價格的降低，越來越多的數控車床選擇配置伺服數控刀架。HST伺服數控刀架采用絕對值伺服電動機驅動轉位，上電無需回零，就近雙向快速選刀，控制精確，定位迅速。本文根據HST伺服數控刀架轉位控制過程和控制系統的控制功能編輯梯形圖，實現控制系統對刀架的有效控制，最后對控制系統進行了測試和控制參數的優化，提高了HST伺服數控刀架的運轉性能。

1 HST伺服數控刀架轉位控制過程

該刀架采用臺達A2系列伺服電動機，搭配750 W絕對型伺服驅動器及絕對型電池盒。由于具備電池供電，使編碼器在伺服系統斷電后，仍能持續工作不受影響，不會因斷電后電動機軸心被轉動而無法得知電動機真實位置。伺服數控刀架通過伺服驅動器的分度功能實現轉位，伺服驅動器提供了可以規劃的5組輸出及8組輸入，轉位過程由驅動器的DI/DO信號控制，下面具體介紹HST伺服數控刀架轉位的控制過程。

DI信號定義如表1所示。

刀架開始轉位前，需通過DI1～4組合信號進行工位選取。DI1～4組合信號以二進制的形式由0開始選取工位，即DI1～4全部為OFF為1工位，DI1為ON，DI2～4為OFF為2工位，以此類推。

表1 DI定義

刀架轉位啟動通過伺服電動機工作模式切換完成，由驅動器內MD0，MD1控制，工作模式定義如表2所示。

驅動器由轉矩縮減模式切換至轉位觸發模式后刀架開始轉位，轉位完成后切換至轉矩縮減模式。不論任何模式要切換至另一模式，都必須先切至轉矩縮減模式。

DO輸出信號定義如表3所示。

DO1～DO5使用組合形式以二進制輸出刀位和報警信息。當控制與主回路電源輸入至驅動器后，但絕對坐標未初始化，即未確認一工位時，DO1導通。確認完一工位后，DO1，DO3導通，即顯示1工位。刀盤轉動中，DO3導通。刀盤旋轉到位后，顯示相對應的工位（如旋轉至3工位，則到位后DO1，DO2，DO3導通）。當前工位等于DO值減4（DO=7，當前工位為7-4=3）。當伺服發生報警時，DO1～5全部0FF。

2 控制系統設計

HST伺服數控刀架控制系統采用伺服電動機驅動刀架轉位，通過PLC對DI信號和DO信號的控制和讀取對刀架轉位進行控制，通過觸摸屏對系統進行操作，使用電磁閥控制刀架的松開、鎖緊，通過接近開關監測刀架松開、鎖緊狀態。本控制系統選用臺達DOP-B07S515觸摸屏及DVP24EC00R3可編程控制器。

1）觸摸屏設計。根據控制系統的控制功能，通過DOPSoft軟件設計觸摸屏界面，并通過設置使觸摸屏中的元器件與梯形圖中的裝置相關聯。將設計和設置好的觸摸屏界面下載至觸摸屏，并使用通訊線纜連接PLC與觸摸屏，使操作者能夠通過觸摸屏操作控制系統。觸摸屏界面如圖1所示。

表2 工作模式定義

表3 DO定義

2）控制系統控制功能。按下電源鍵，其他按鈕才會生效。通過手動/自動按鈕切換控制方式。手動方式下，可通過松開、鎖緊按鈕控制刀架松開鎖緊。刀架松開后，按下目標工位，刀架便旋轉至相應工位。手動方式下刀架旋轉到位后不會自動鎖緊。自動方式下，先在輸入框中輸入換刀順序，按啟動鍵，刀架會按照所填換刀順序依次換刀。刀架轉至目標工位鎖緊后，經延時，旋轉至下一目標工位，依次循環。如想停止自動換刀循環，切換至手動方式即可。任何方式下，刀架轉到任意工位后，相應工位的指示燈亮起。

3）編輯梯形圖。根據刀架轉位控制過程和控制系統的控制功能，編輯梯形圖。4工位手動換刀梯形圖程序如圖2所示。

PLC工作過程如下：控制面板上電源開關和松開/鎖緊開關按下時，PLC輸出點Y0動作，繼電器線圈通電，常開觸點閉合，松開電磁閥得電，刀架松開。PLC在接收到松開反饋信號的情況下，接收到目標工位（4工位）信號后，輸出點Y2,Y3輸出信號IDX0,IDX1進行工位選擇。經延時后，輸出點Y4輸出信號MD1，將伺服驅動器工作模式由轉矩縮減模式切換至轉位觸發模式，控制刀架開始轉位。實時對比命令刀號和當前刀號，當命令刀號與當前刀號相等時，即認為刀架換刀完成，輸出點Y2，Y3輸出信號斷開，將伺服驅動器工作模式切換至轉矩縮減模式。當驅動器輸出全為OFF時，即為伺服報警，此時無法進行換刀。由于松開電磁閥和鎖緊電磁閥分別接在同一繼電器的常開觸點和常閉觸點上，所以當控制面板上松開/鎖緊開關斷開時，輸出點Y0斷開，繼電器線圈斷電，常開觸點斷開，常閉觸點閉合，松開電磁閥斷電，鎖緊電磁閥得電，刀架鎖緊。

3 控制系統運轉測試及控制參數優化

控制系統設計完成后需要進行運轉測試和控制參數的優化，使刀架運轉更加高效可靠。固定好刀架，連接好電動機與驅動后，即可對刀架進行測試和控制參數的優化，具體方法如下：

1）松開、鎖緊檢測開關位置的確定。在手動方式下進行松開、鎖緊切換，檢查刀架松開、鎖緊是否異常。確認刀架松開、鎖緊沒有異常后，分別在刀架松開、鎖緊的情況下調整松開、鎖緊接近開關與信號塊距離，檢查松開、鎖緊接近開關是否損壞。接近開關與信號塊距離應調整為1 mm左右。

2）異常報警排查。驅動器上電后，檢查驅動器是否有AL011編碼器異常報警，如果有AL011報警，檢查編碼器線與驅動器CN2和電動機編碼器兩端接線是否松脫，重新連接編碼器線。若上電后顯示AL060報警，則電池盒內電池電量不足，應更換電池后再進行絕對坐標初始化。

圖1 觸摸屏界面

圖2 換刀程序

3）伺服電動機初始坐標的建立。伺服刀架電動機的坐標需要與機械位置吻合，在驅動器及電動機第一次上電時需要建立初始坐標，即一工位確認。否則會出現驅動器輸出刀號與實際刀號不符的情況或驅動器因坐標系統尚未被建立而顯示AL06A的警告，該警告直到坐標系統被設置完成后才會消失。坐標初始化方式：刀架在一工位鎖緊，在驅動器面板上輸入參數P2-08=271，然后輸入參數P2-71=1，即完成坐標初始化。

4）刀架試運轉。在手動模式下進行刀架試運轉，檢查刀架換刀動作是否正常，并通過示波器監測電動機平均負載率，檢測電動機負載能力能否滿足刀架的運轉要求。如果刀架不轉，驅動器顯示AL009位置誤差過大報警，則檢查U,V,W電源線接線是否正確，連接是否良好。若刀架在旋轉過程中停止，驅動器顯示AL006過負載報警，檢查是否由于刀架機械部分阻力過大，導致在刀架旋轉過程中電動機外部負載長時間超過電動機額定負載。

5）控制參數優化。換刀動作實現后，需要對伺服驅動器的參數進行優化。在優化過程中，可使用ASDA_soft軟件提供的高速實時性的監控示波器工具擷取和分析各項實時信息，對電動機的運行進行更確切的調整。對控制參數的優化主要是對位置控制回路增益的調整。提高位置控制回路增益，能夠提升電動機對位置命令的追隨性。使電動機的運行能夠更好地跟隨位置指令，減小位置誤差量，縮短定位整定時間。位置回路內包含位置控制單元、速度控制單元和電流控制單元。驅動器不開放電流控制單元的增益調整參數，因此調整位置回路增益方法為，先設定速度控制單元增益P2-04，然后再設定位置控制單元增益P2-00。位置控制單元增益不可超過速度單元控制增益，建議速度控制單元增益大于4倍位置單元控制增益。未對增益進行調整前，速度控制單元增益和位置控制單元增益為出廠預設值，P2-00=15，P2-04=62，此時刀架啟動停止較為緩慢，定位時間較長。逐漸增加位置回路控制增益，觀察刀架運轉情況和命令位置，回授位置曲線，直至刀架轉位啟動停止迅速，沒有過沖，運轉平穩。此時位置回路增益為P2-00=117，P2-04=488。若繼續增大位置回路增益，會導致電動機運轉時產生振動及噪聲，損害電動機。調整前后的命令位置，回授位置曲線如圖3、圖4所示。

通過波形圖可以觀察出調整增益后提高了伺服電動機的響應性，減小了電動機運轉過程中的位置誤差，改善了刀架的運轉性能。

圖3 調整前命令位置，回授位置曲線

圖4 調整后命令位置，回授位置曲線

4 結語

該控制系統能夠實現對刀架轉位的有效控制，伺服電動機的性能能夠滿足刀架的運轉要求。通過對伺服驅動器內部參數的優化，提高了控制系統對伺服數控刀架的控制性能，滿足了刀架高性能，快速換刀的要求。

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