伺服系统在数控钻床上的应用
日期：2008-11-1 23:19:04 来源：中国自动化网
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1、项目概述
此项目为两轴过孔加工机床，此类加工设备的现状为：
a、采用传统的液压设备加工精度低、效率不高；
b、设备环境适应能力不强；
c、采用液压系统，因此设备维护工作频繁并且相对繁琐。
为了解决上述问题，此机床采用了时光IMS系列伺服控制系统。时光IMS伺服控制系统具有如下特点：
a、可实现电机平稳运行于0.01Hz～250Hz工作范围；
b、电机运行速率低于50Hz时可实现3倍电机额定转矩输出，包括电机0Hz锁定时的3倍电机额定转矩输出（有效地解决了工件加工过程中偶尔出现的堵转现象，保证了器件加工的高效率输出）；
c、内置PLC功能（16入/13出），通过QMCL软件编程的方式对所有I/O进行自定义设计。使用I/O方式接收相应动作信号及告知上位PLC滑台是否已完成工件加工过程，工件加工过程中两台伺服控制器相互之间也由I/O方式实现互锁功能；
d、使用QMCL语言编译的程序，可以灵活的设定电气零点，通过程序定义好的参数设置偏置值来保证机械原位与电气零点的可靠结合。而且由软件根据机械实际情况设计的间隙补偿量与机械结合更加紧密，由于各类补偿是做为参数设定的，因此可根据实际情况及长时间使用造成的间隙改变作出相应调整。极大方便了系统调试和维和。
e、系统参数任意设定电机运行时的S曲线和转矩限幅值。
2、项目实施情况介绍
首先将工件通过夹具固定在位于钻床中央的工作台上。按下“运行”按钮后，舱门关闭，位于工作台两端的驱动电机通过滚珠丝杠将带有钻头的加工台高速推进至工件接近位，到达接近位后由控制器给出电气信号使钻头工作，然后按固有深孔加工循环进行加工。为防止相对的两钻头打刀，由控制器通过软件编程实现两驱动电机互锁功能。即先加工至接近中线某位置的驱动电机会发出信号锁住另外一边的驱动电机，使其进入“暂停”状态，待电机退回至安全位置后解除原电气信号使另外一边的驱动电机继续完成其自身的加工动作。工件加工完成后，控制器给出相应电气信号打开舱门并且等待下次循环动作的“运行”开始。
两轴过孔专用加工钻床的整体系统示意图见图1。
图1 两轴过孔专用加工钻床的整体系统示意图
每台进给轴驱动电机由IMS伺服控制器进行位置控制，IMS伺服控制器通过相应编码器（PG）反馈信号构成位置闭环系统。所有的限位开关、零位开关等电气信号直接联入相应的控制器做为控制信号。2台伺服控制器利用内部集成的PLC功能，通过I/O信号与控制面板相连（根据不同用户的要求，也可使用RS422/485通讯的方式进行相应的连线）。由于本套设备相关参数不希望能够由设备操作者设定，因此控制面板上并没有参数设定功能，取而代之的采用了可即时插拔式手操作器的方式对相关参数进行修改（由相关技术人员进行修改）。
图2所示为单台驱动电机驱动相应钻头的工件加工过程，可视作“快速接近工件——慢速加工工件——快速回退”的循环加工动作往复过程。
软件设定的“互锁”信号分为“锁定对方”（输出）信号和“响应锁定”（输入）信号，当IMS控制器控制驱动电机将钻台推进至接近中心线的某位置时（软件设定），控制器会向另外一台控制器给出“锁定对方”信号。对方控制器接受到“响应锁定”信号后，如正工作在安全区内，则正常运行；如正在向前推进并有可能发生打刀情况，则执行“暂停”动作使钻台停留在安全范围内直至“响应锁定”信号消失。发出“锁定对方”信号的控制器在所控制的钻台回退至安全范围后，将“锁定对方”信号取消以便另外一侧钻台的正常运行。两台控制器本着“先入为主”的原则进行互锁动作以保证加工时的高效率输出。
3、项目效果
a、IMS伺服控制器调速比为1：5000，远高于设计所要求的1：3000。经过实用考核验证，滑台在该调速比下能够可靠运行，并满足两轴过孔专用加工钻床的进给要求。
b、由于IMS伺服控制器采用的是输出转速与转矩的“解耦控制”，在电机基频（50Hz）以下能够保证3倍电机额定转矩的平稳输出。满足滑台机构对于电机的低速大转矩平稳输出要求，以及在负载发生波动时依然能够保证进给速率的稳定与正常。
c、IMS伺服控制器位置控制范围为4字节编码器脉冲数。本套系统采用标配的2500线编码器，其位置控制范围远远超过滑台的实际工作范围2m。经过实测重复定位精度误差为±0.002mm。满足设备设计要求的定位误差小于±0.005mm。
d、使用QMCL语言可实现对电机的灵活动作控制，配合实际工作情况我们对滑台动作进行了相应的优化设计，在原有设计方案提高效率的基础上又将工件加工时间缩短。采用原设计方案可实现4分钟加工2件工件的要求。我们对滑台动作进行优化后最终实现3分10秒加工2件工件。
e、时光IMS系列伺服控制器允许输入电压波动范围为±10％，在此范围内均可保证系统的可靠运行，满足低电压低转速时大转矩可靠输出的系统设计要求。
f、解决原电液伺服系统存在的噪音、振动、漏油以及安装、维护和调试过程中存在的问题或缺陷。
4、客户评价
a、工件加工周期由原来的4分钟提升至3分10秒。对于设备使用厂家来说效率就意味着产量和利润，其重要性不言而喻，本项指标的提高也是最令设备使用厂家感到欣喜和满意的地方。
b、系统具有极佳的可靠性与稳定性，维护简便。相对于传统设备的液电伺服系统，由于本套设备采用了三相异步电机做为驱动电机，因此极大地简化了设备维护工作。系统的可靠性和稳定性对于批加工企业来说非常重要，在整个调试阶段IMS伺服控制器始终处于无故障运行使厂家感到非常满意。
c、简单明了的参数设计。绝大多数伺服驱动系统参数都是相对固定的，对于机加工行业来说有些参数需要进行相应转换后才能便于操作者的理解。IMS伺服控制器通过软件设计出来的参数含义可直接按照用户的要求进行相应设计，极大方便了设备操作者和使用者。
d、IMS伺服控制器内部集成了PLC功能，I/O使用起来更加灵活方便，在简化了系统集成商整体设计方案难度的同时也减少了部分硬件成本。工件加工周期由原来的4分钟提升至3分10秒。对于设备使用厂家来说效率就意味着产量和利润，其重要性不言而喻，本项指标的提高也是最令设备使用厂家感到欣喜和满意的地方。
e、系统具有极佳的可靠性与稳定性，维护简便。相对于传统设备的液电伺服系统，由于本套设备采用了三相异步电机做为驱动电机，因此极大地简化了设备维护工作。系统的可靠性和稳定性对于批加工企业来说非常重要，在整个调试阶段IMS伺服控制器始终处于无故障运行使厂家感到非常满意。
f、简单明了的参数设计。绝大多数伺服驱动系统参数都是相对固定的，对于机加工行业来说有些参数需要进行相应转换后才能便于操作者的理解。IMS伺服控制器通过软件设计出来的参数含义可直接按照用户的要求进行相应设计，极大方便了设备操作者和使用者。
g、IMS伺服控制器内部集成了PLC功能，I/O使用起来更加灵活方便，在简化了系统集成商整体设计方案难度的同时也减少了部分硬件成本。工件加工周期由原来的4分钟提升至3分10秒。对于设备使用厂家来说效率就意味着产量和利润，其重要性不言而喻，本项指标的提高也是最令设备使用厂家感到欣喜和满意的地方。
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此项目为两轴过孔加工机床，此类加工设备的现状为：
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a、采用传统的液压设备加工精度低、效率不高；
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
b、设备环境适应能力不强；
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c、采用液压系统，因此设备维护工作频繁并且相对繁琐。
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为了解决上述问题，此机床采用了时光IMS系列伺服控制系统。时光IMS伺服控制系统具有如下特点：
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a、可实现电机平稳运行于0.01Hz～250Hz工作范围；
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b、电机运行速率低于50Hz时可实现3倍电机额定转矩输出，包括电机0Hz锁定时的3倍电机额定转矩输出（有效地解决了工件加工过程中偶尔出现的堵转现象，保证了器件加工的高效率输出）；
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c、内置PLC功能（16入/13出），通过QMCL软件编程的方式对所有I/O进行自定义设计。使用I/O方式接收相应动作信号及告知上位PLC滑台是否已完成工件加工过程，工件加工过程中两台伺服控制器相互之间也由I/O方式实现互锁功能；
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d、使用QMCL语言编译的程序，可以灵活的设定电气零点，通过程序定义好的参数设置偏置值来保证机械原位与电气零点的可靠结合。而且由软件根据机械实际情况设计的间隙补偿量与机械结合更加紧密，由于各类补偿是做为参数设定的，因此可根据实际情况及长时间使用造成的间隙改变作出相应调整。极大方便了系统调试和维和。
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e、系统参数任意设定电机运行时的S曲线和转矩限幅值。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
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2、项目实施情况介绍
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首先将工件通过夹具固定在位于钻床中央的工作台上。按下“运行”按钮后，舱门关闭，位于工作台两端的驱动电机通过滚珠丝杠将带有钻头的加工台高速推进至工件接近位，到达接近位后由控制器给出电气信号使钻头工作，然后按固有深孔加工循环进行加工。为防止相对的两钻头打刀，由控制器通过软件编程实现两驱动电机互锁功能。即先加工至接近中线某位置的驱动电机会发出信号锁住另外一边的驱动电机，使其进入“暂停”状态，待电机退回至安全位置后解除原电气信号使另外一边的驱动电机继续完成其自身的加工动作。工件加工完成后，控制器给出相应电气信号打开舱门并且等待下次循环动作的“运行”开始。
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两轴过孔专用加工钻床的整体系统示意图见图1。
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图1 两轴过孔专用加工钻床的整体系统示意图
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每台进给轴驱动电机由IMS伺服控制器进行位置控制，IMS伺服控制器通过相应编码器（PG）反馈信号构成位置闭环系统。所有的限位开关、零位开关等电气信号直接联入相应的控制器做为控制信号。2台伺服控制器利用内部集成的PLC功能，通过I/O信号与控制面板相连（根据不同用户的要求，也可使用RS422/485通讯的方式进行相应的连线）。由于本套设备相关参数不希望能够由设备操作者设定，因此控制面板上并没有参数设定功能，取而代之的采用了可即时插拔式手操作器的方式对相关参数进行修改（由相关技术人员进行修改）。
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图2所示为单台驱动电机驱动相应钻头的工件加工过程，可视作“快速接近工件——慢速加工工件——快速回退”的循环加工动作往复过程。
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软件设定的“互锁”信号分为“锁定对方”（输出）信号和“响应锁定”（输入）信号，当IMS控制器控制驱动电机将钻台推进至接近中心线的某位置时（软件设定），控制器会向另外一台控制器给出“锁定对方”信号。对方控制器接受到“响应锁定”信号后，如正工作在安全区内，则正常运行；如正在向前推进并有可能发生打刀情况，则执行“暂停”动作使钻台停留在安全范围内直至“响应锁定”信号消失。发出“锁定对方”信号的控制器在所控制的钻台回退至安全范围后，将“锁定对方”信号取消以便另外一侧钻台的正常运行。两台控制器本着“先入为主”的原则进行互锁动作以保证加工时的高效率输出。
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3、项目效果
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a、IMS伺服控制器调速比为1：5000，远高于设计所要求的1：3000。经过实用考核验证，滑台在该调速比下能够可靠运行，并满足两轴过孔专用加工钻床的进给要求。
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b、由于IMS伺服控制器采用的是输出转速与转矩的“解耦控制”，在电机基频（50Hz）以下能够保证3倍电机额定转矩的平稳输出。满足滑台机构对于电机的低速大转矩平稳输出要求，以及在负载发生波动时依然能够保证进给速率的稳定与正常。
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c、IMS伺服控制器位置控制范围为4字节编码器脉冲数。本套系统采用标配的2500线编码器，其位置控制范围远远超过滑台的实际工作范围2m。经过实测重复定位精度误差为±0.002mm。满足设备设计要求的定位误差小于±0.005mm。
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d、使用QMCL语言可实现对电机的灵活动作控制，配合实际工作情况我们对滑台动作进行了相应的优化设计，在原有设计方案提高效率的基础上又将工件加工时间缩短。采用原设计方案可实现4分钟加工2件工件的要求。我们对滑台动作进行优化后最终实现3分10秒加工2件工件。
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e、时光IMS系列伺服控制器允许输入电压波动范围为±10％，在此范围内均可保证系统的可靠运行，满足低电压低转速时大转矩可靠输出的系统设计要求。
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f、解决原电液伺服系统存在的噪音、振动、漏油以及安装、维护和调试过程中存在的问题或缺陷。
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4、客户评价
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a、工件加工周期由原来的4分钟提升至3分10秒。对于设备使用厂家来说效率就意味着产量和利润，其重要性不言而喻，本项指标的提高也是最令设备使用厂家感到欣喜和满意的地方。
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b、系统具有极佳的可靠性与稳定性，维护简便。相对于传统设备的液电伺服系统，由于本套设备采用了三相异步电机做为驱动电机，因此极大地简化了设备维护工作。系统的可靠性和稳定性对于批加工企业来说非常重要，在整个调试阶段IMS伺服控制器始终处于无故障运行使厂家感到非常满意。
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c、简单明了的参数设计。绝大多数伺服驱动系统参数都是相对固定的，对于机加工行业来说有些参数需要进行相应转换后才能便于操作者的理解。IMS伺服控制器通过软件设计出来的参数含义可直接按照用户的要求进行相应设计，极大方便了设备操作者和使用者。
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d、IMS伺服控制器内部集成了PLC功能，I/O使用起来更加灵活方便，在简化了系统集成商整体设计方案难度的同时也减少了部分硬件成本。工件加工周期由原来的4分钟提升至3分10秒。对于设备使用厂家来说效率就意味着产量和利润，其重要性不言而喻，本项指标的提高也是最令设备使用厂家感到欣喜和满意的地方。
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e、系统具有极佳的可靠性与稳定性，维护简便。相对于传统设备的液电伺服系统，由于本套设备采用了三相异步电机做为驱动电机，因此极大地简化了设备维护工作。系统的可靠性和稳定性对于批加工企业来说非常重要，在整个调试阶段IMS伺服控制器始终处于无故障运行使厂家感到非常满意。
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f、简单明了的参数设计。绝大多数伺服驱动系统参数都是相对固定的，对于机加工行业来说有些参数需要进行相应转换后才能便于操作者的理解。IMS伺服控制器通过软件设计出来的参数含义可直接按照用户的要求进行相应设计，极大方便了设备操作者和使用者。
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g、IMS伺服控制器内部集成了PLC功能，I/O使用起来更加灵活方便，在简化了系统集成商整体设计方案难度的同时也减少了部分硬件成本。工件加工周期由原来的4分钟提升至3分10秒。对于设备使用厂家来说效率就意味着产量和利润，其重要性不言而喻，本项指标的提高也是最令设备使用厂家感到欣喜和满意的地方。
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