基于西门子功能模块的伺服定位系统的研究

2012-11-24吴勤斌刘建新

组合机床与自动化加工技术 2012年3期

吴勤斌，刘建新

(西华大学机械工程与自动化学院，成都 610039）

0 引言

现代数控机床的运动控制包括进给驱动、主轴驱动和位置控制三个方面，数控机床的性能很大程度上由驱动性能及位置控制系统的性能决定。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也逐步被应用于数字控制系统中［1］。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或数字式交流伺服电机作为执行电动机。由于数字式交流伺服系统的优异性能，它通常被应用在高精度及快速控制系统中。目前，数控机床大多采用半闭环伺服控制，由于半闭环控制系统未将机械传动造成的间隙包括在环内，所以该部分的误差仍会影响移动部件的位移精度［2-4］。本文采用PLC控制的伺服电机驱动定位系统，利用FM351定位模块和终端编码器实现位置的闭环检测及反馈控制，有效的提高了工作台的定位精度。因此，针对数控工作台开展闭环控制的研究具有重要的实际意义。

1 闭环控制系统的设计

半闭环控制系统的位置检测装置一般安装在电动机的轴上，通过测量角位移间接地测量出移动部件的位移，然后反馈到数控系统中，与系统中的位置指令值进行比较，用比较后的差值控制移动部件移动，直到差值消除时才停止移动［5-6］。在半闭环伺服系统中，由于机械传动机构未全部包括在位置反馈中，所以这部分误差仍会影响到移动部件的定位精度。现代数控机床多采用如图1所示的半闭环定位控制系统。

图1 半闭环定位控制系统

全闭环控制系统如图2所示，是在机床移动部件上直接安装位置检测装置，其基本思想是:由于机械传动机构产生的间隙和回程差等外界因素导致的工作台旋转误差，可通过一个与工作台同轴安装的增量式旋转编码器来测量和补偿。伺服电机带动工作台转动的同时，编码器以同样的角速度转动，产生两路相位相差90°的脉冲，通过判断相位超前滞后的关系确定工作台的旋转方向，工作台每转动一个位置对应一个脉冲计数值，根据任务需要将工作台的目标位置对应的角度换算成相应的脉冲数，通过比较判断所记录的脉冲数实现工作台的定位控制。

图2 全闭环定位控制系统

2 伺服定位系统结构图

西门子公司开发的FM351是专门用于快速进给和慢速驱动的双通道定位模块，由它构成的定位系统框图如图3所示。主要包括PLC部分、伺服驱动部分、机械传动机构、位置检测元件。

图3 定位系统框图

2.1 FM351模块的定位原理

FM351定位模块有2个独立通道，一次可控制一条旋转轴或一条线性轴，每个通道均支持一个增量编码器或一个绝对编码器，其定位原理如图4所示。在位置控制过程中，FM351根据编码器反馈信号确定轴当前的实际位置值，最初以较快的速度逼近目标，在距目标指定距离处自动改为慢速运行，轴到达目标之前会立即关闭驱动器，监视目标逼近，到达目标的同时速度降为零。

图4 FM351定位原理图

2.2 低速大惯量伺服系统的实现

数控机床加工的特点是低速重切削，要求伺服系统在低速时有大转矩输出，但机电系统在低速工作时会出现低速爬行现象，影响伺服系统的正常工作。大惯量负载频繁的加减速过程会对执行器的寿命及安全造成严重影响［7］。本系统从低速大惯量伺服系统的特性出发，结合实际控制要求，采用全数字式交流伺服驱动方案实现对工作台的精确控制。

在机械结构上，伺服电机通过减速箱驱动齿轮带动工作台旋转，降低转速的同时又提高了输出转矩，使负载和电机相匹配。转动惯量的减小使系统的动态响应更快，可有效降低传动误差。

2.3 伺服电机及终端编码器的选择

以成都天元模具有限公司的旋转工作台为例，其载荷为6000kg，有效半径1m，工作时转速为3r/min，齿轮减速比为4，定位精度0.5°。

减速比为4，得小齿轮转速:

三相电机的磁极对数p=3，则电机的额定转速:

减速器的减速比为:

负载转动惯量:

则折算到电机端的转动惯量:

设电机启动时间为0.2s，则负载的角加速度:

负载转矩:

折算到电机端转矩:

电机功率:

为保证伺服系统稳定工作，一般要求折合到电机轴上的负载惯量小于电机转子惯量的5倍，考虑到系统的惯性力及摩擦阻力等的功率损耗，可选用MOTECα系列的190B3010型伺服电机，其参数如表1所示。

表1 伺服电机的参数

终端编码器作为运动部件的最终检测环节，可直接测量旋转工作台的旋转角度值，将齿轮等机械传动部分所产生的误差也包含在了闭环控制系统中，有利于提高整个系统的定位精度。工作台定位精度要求为0.5°，每秒发送脉冲个数为:360/0.5=720，选择欧姆龙E6B2-CWZ6C型编码器，其参数如表2所示。

表2 终端编码器参数

3 系统误差分析

影响齿轮副传动误差的因素有两大类:一类是单个齿轮在加工过程中产生的偏心误差、基节误差和齿形误差等;另一类是在装配过程中产生的齿轮孔与轴的配合间隙，轴的径向跳动等。切向综合误差综合了上述各项加工误差对齿轮传动准确性的影响，是主要因素［8］。系统采用的行星减速器输出齿轮转角最大综合累计误差为5.4＇，输出级齿轮采用精度等级为6KH的圆柱齿轮，其模数m=3，齿数z=30，则分度圆半径:

由角位移测量装置引入的测量误差主要是编码器的量化误差，经四分频后其值为:

全闭环定位控制系统虽因角位移测量装置引入了量化误差，但消除了机械传动机构引起的传动误差，与半闭环定位控制系统相比其减小的误差为:

定位系统要求的定位精度为0.5°，全闭环控制系统比半闭环控制系统的定位精度理论上可提高:

4 系统软件的设计

STEP7是用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。PLC指令通过指定的DB数据块发送给FM351定位模块，需设置的主要参数包括机器数据(Machine Data）、增量尺寸(Increment Size）、用户数据(User Data）。FM351的参数可通过参数分配屏幕或参数DB分配，通过对驻留在FM351内的数据块DB进行设定，就完成了对定位模块FM351的初始化编程。在FM351模块或CPU启动后每个通道都会调用FC ABS_INIT(FC0）函数，在初始化阶段调用此函数可确保程序不会访问过期数据。通过FC ABS_CTRL(FC1），可以读取模块每个通道的操作数据，也可以配置通道并在操作期间对其进行控制，使用返回值RET_VAL进行常规错误判断［9-10］。

5 试验结果

图5中白色曲线为理想定位曲线，红色曲线为采用闭环控制的定位曲线，绿色曲线为开环控制曲线。从图5可看出，第2次和第17次采集的数据分别为误差的最大值和最小值。采用闭环控制时其误差最大值为 5＇，最小值为 2＇，平均误差为 4.1＇，采用开环控制方式其误差最大值为19＇，最小值为6＇，平均误差为14.4＇，两种控制方式都满足控制精度0.5°的要求。但是采用闭环控制方式的定位精度比开环控制方式提高了=28.4%，实验结果符合理论值，基于西门子定位模块FM351的闭环控制方式的有效的减少了机械传动产生的误差，提高了系统的定位精度。