西门子伺服系统时序在垂直轴控制中的研究与应用

2020-04-27肖巍

科学技术创新 2020年7期

关键词：功能块电源模块时序

肖巍

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨150000）

1 概述

数控机床垂直轴控制往往伴随着伺服系统使能控制，在实际应用中常见的故障问题以垂直轴非受控下落最为常见，通过合理的伺服系统时序调整以及PLC 变量控制，才能够达到机床稳定可靠运行的目的。

2 原理与实现方法

SIEMENS840D 系统常用的使能控制方式分为内部和外部两种，外部使能以电源模块和伺服驱动器的外部端子形式引入，一般作为处理外部急停信号，安全逻辑控制，模块自检结果等功能的检测，当出现报警或者按下急停开关时，机床伺服模块要处理几个重要的信号。一般来讲，机床对于伺服的控制包含有对电源模块上的三个端子T63、T64 和T48 的控制，对伺服模块上的T663 端子的控制。各端子的具体含义：T63 电源板脉冲使能；T64 电源板控制使能；T48 电源板接触器控制；T63 伺服板脉冲使能。正常设计方案对T63、T64、T48 三个端子的上电和下电时序进行控制，上电顺序为T64→T63→T48，下电顺序为T48→T63→T64，时间间隔均为50ms。内部使能控制主要是驱动使能和脉冲使能，是通过NC、PLC 内部运算逻辑处理后，形成的内部数据块信号，是用于控制各驱动器输出扭矩和转速的基础条件，通常与外部抱闸、锁紧压力、安全联锁等功能相关联。在机床设计中，外部使能信号控制方式较为单一，最主要的应用是在急停回路的控制方面。在机床启动过程中，伺服驱动得弱电进行自检，自检结果最终由外部继电器输出给电源模块，允许接入强电为直流母排供电，期间有多个延时设定，用于信号发出和反馈。内部使能信号则在机床运动控制上起主要作用，最常见的轴选功能，就是给不同的轴赋予内部脉冲使能和驱动使能，通过驱动总线串行连接。在机床自动换刀、交换工作台等复杂连续运动中，往往结合条件逻辑和安全要求对机床进行控制。

3 实例验证

3.1 制动装置及辅助功能

一台五轴加工中心，结构形式为A 轴摆头和B 轴旋转工作台式。垂直轴为Y 轴，分离式电磁离合器抱闸，电机型号为1FT6105-1AC71-1AG1，无内置抱闸。控制系统为SIEMENS 840D PL，伺服模块采用611D。机床Y 轴在出现报警时会发生下落，下落距离为20mm 以上。无论是PLC 报警还是伺服报警都会引起Y 轴下落。通过常规检查方法，首先对Y 轴平衡系统进行检查，一旦平衡压力不足且机床突然急停或者出现报警时，Y 轴电机迅速失去扭矩，抱闸装置未能够及时响应，可能导致Y 轴下落。检查平衡压力后，压力处于正常值范围内。为了更准确的判断平衡系统是否运行可靠，采用了电流监测的方法，在SIEMENS 诊断界面中SERVICE DISPLAY 子界面监测Y 轴电机的负载的变化，结果为Y 轴在上限位负载为11%，下限位负载为0.35%，可判断为平衡系统运行正常。第二步对Y 轴抱闸进行检查。该机床Y 轴电机没有内置刹车机构，刹车装置是由一个分离式的电磁离合器抱闸来实现的。该离合器是断电抱紧，给电松开的结构。对抱闸的检查是通过调整抱闸摩擦片间隙来测试，试验结果显示摩擦片间隙过小时，Y 轴运动容易出现轮廓监控误差报警，说明抱闸在运动时表面处于接触状态，增大了运动负载，将间隙逐渐调整增大后，Y 轴下落距离未发生显著变化。由此判断抱闸并非导致Y 轴下落的原因。随后对抱闸的控制回路进行检查，并陆续更换了抱闸回路的续流二极管、中间继电器以及PLC 输出模块，下落问题仍未得到改善。

3.2 控制回路

经过上述检查工作之后，Y 轴下落现象依然没有得到明显改善。下一步将对电源模块的几个重要掉电信号进行研究。

在了解控制时序后，通过控制回路检查电源模块各端子的信号来源，发现在急停回路中设置有延时断开继电器，延时5秒。在5 秒延时期间，T64、T63、T48 端子的电压能够保持24V 不变，但在延时的前2 秒内Y 轴就已经下落了20mm，可见Y 轴下落与电气的控制时序没有直接关系。

3.3 PLC 时序控制

基于上面的检查，外部原因已能够排除，现将问题点锁定在系统内部。通过解读PLC 程序，找到轴控制的两个使能变量，伺服使能DB3*.DBX2.1，脉冲使能DB3*.DBX21.7。对应Y 轴就是DB32.DBX2.1 和DB32.DBX21.7。

从上面PLC 程序中得出，Y 轴的伺服掉电过程由功能块FB31 来控制。当PLC 接到NC 的急停信号“NC”.I_EmergStop时，就会打开Y 轴对应的DB 块，将Y 轴的脉冲使能DB32.DBX21.7 切断，从而切断Y 轴的使能信号#Axis_enable，在功能块FB31 的程序段6 中看到，变量#Axis_enable 信号的消失将直接导致Y 轴抱闸信号“Brake_off”的消失，从而释放抱闸抱紧Y轴，在功能块FB31 的程序段8 中看到。为了能够改善使能响应速率，通过更改PLC 程序中使能掉电时序，使得在Y 轴使能信号还没有消失，即Y 轴的扭矩还没有取消时，将Y 轴的外部抱闸复位锁紧。改进的方案是将Y 轴的使能信号延时一段时间消失，给予Y 轴抱闸足够的响应时间，因此可以对功能块FB31 进行框图中的程序修改。更改之后，下落距离有所改善，Y 轴下落距离在8mm 以内，但仍未达到预期效果。反复调节定时器T65的延时时间，延时时间在2 秒以上时，Y 轴下落的距离没有显著变化。

3.4 控制使能优化

系统诊断界面对使能信号进行监控发现，service drive 界面下T63、T64、T48 信号能够延时5 秒断开，而Speed controller enable NC 信号依然迅速断电，从而切断Y 轴扭矩。该问题是由于系统会在PLC 中触发DB10.DBX56.1 变量，该变量将PLC 的急停信号传递到NC，NC 经过一些功能的处理，包括：零件程序的运行停止、IS “方式组准备好信号”(DB11.DBX6.3) 复位、IS“EMERGENCY STOP active”(DB10.DBX106.1)激活等。再次检索PLC 程序，寻找到急停输入信号DB10.DBX56.1 和NC 急停响应信号DB10.DBX106.1。在功能块FC81 的程序段2 中有相关的程序：

根据以上原理分析，在报警信号DB2.DBD180、DB2.DBD184与报警变量DB10.DBX56.1 之间加入定时器，使得Y 轴电机扭矩保持一定的时间；同时报警信号直接触发抱闸释放信号，调整定时器就可以使得NC 速度控制器使能信号延时消失，可以达到理想效果。具体修改如框图内。经过以上更改后，Y 轴下落距离只有0.04mm，达到了合理的下落距离。