數(shù)控伺服技術(shù)在真空成型機(jī)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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在一個(gè)第一級程序執(zhí)行周期即8ms內(nèi)，其中的1.25ms用于執(zhí)行第一和第二級程序，剩余時(shí)間由CNC使用。如果第一級程序的步數(shù)增加，那么在8ms內(nèi)第二級程序動(dòng)作的步數(shù)就要響應(yīng)減少，因此分割數(shù)要變多，整個(gè)程序處理時(shí)間變長，因此第一級程序應(yīng)編得盡可能短，僅處理包括急停，返回參考點(diǎn)減速，跳步，到達(dá)測量位置和進(jìn)給暫停信號等。
圖6FANUCPMC-PA1順序程序執(zhí)行過程
本系統(tǒng)所用PowerMate-APMC程序流程圖如圖7所示。
圖7-aPMC梯形圖程序總體結(jié)構(gòu)
第一級和第二級程序流程圖具體描述如下：
圖7-bPMC梯形圖程序流程圖
3.3伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
3.3.1伺服系統(tǒng)分類
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡稱伺服系統(tǒng)（ServoSystem），是一種以機(jī)床移動(dòng)部件的位置（或角度）和速度（或轉(zhuǎn)速）作為控制對象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)或伺服機(jī)構(gòu)。伺服系統(tǒng)的主要功能是接收來自插補(bǔ)裝置或插補(bǔ)軟件生成的進(jìn)給指令，并按指令信息來驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，以加工出符合圖紙要求的零件。伺服系統(tǒng)一般由伺服驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行部件等組成，對于閉環(huán)控制系統(tǒng)還包括檢測反饋裝置。
伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置與機(jī)床本體的聯(lián)系環(huán)節(jié)，忠實(shí)而準(zhǔn)確地執(zhí)行CNC裝置發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令。伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。
按照控制對象和使用目的，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)可分為進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。
進(jìn)給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，是一種精密的位置跟蹤、定位系統(tǒng)，單位是mm/min。主軸控制系統(tǒng)只是速度控制系統(tǒng)，用于控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，而且需完成轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級調(diào)速，單位是r/min。
按照調(diào)節(jié)理論，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。
開環(huán)伺服系統(tǒng)主要靠步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，每接收一個(gè)指令脈沖，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一定角度，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度取決于指令脈沖的頻率，轉(zhuǎn)角的大小則取決于脈沖數(shù)目。由于輸出轉(zhuǎn)矩較小，而且沒有反饋環(huán)節(jié)，開環(huán)系統(tǒng)精度較差，適用于精度要求不高的場合。如圖8所示。
圖8 開環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖
圖9所示為半閉環(huán)/閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理圖，它由伺服電機(jī)、檢測反饋單元、驅(qū)動(dòng)線路、比較環(huán)節(jié)等部分組成。閉環(huán)伺服系統(tǒng)將檢測反饋單元安裝在機(jī)床工作臺上，直接將測量的工作臺位移量轉(zhuǎn)換成電信號，反饋給比較環(huán)節(jié)，與指令信號比較，并將其差值經(jīng)伺服放大，控制伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺移動(dòng)，直至二者差值為零為止。閉環(huán)伺服系統(tǒng)消除了進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的全部誤差，所以精度很高（從理論上講，精度取決于檢測裝置的測量精度）。然而，由于各個(gè)環(huán)節(jié)都包括在反饋回路內(nèi)，所以機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙、制造誤差和摩擦阻尼等非性因素都直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)制參數(shù)。由此可見，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其調(diào)試、維護(hù)都有較高的技術(shù)難度，價(jià)格也較昂貴，常用于精密數(shù)控機(jī)床。
圖9半閉環(huán)/閉環(huán)伺服系統(tǒng)原理
在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，反饋環(huán)節(jié)安裝在中間某一部位（如電機(jī)軸上），由于拋開了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度、間隙、制造誤差和摩擦阻尼等因素，所以這種系統(tǒng)調(diào)試比較容易，穩(wěn)定性好。盡管半閉環(huán)系統(tǒng)不反映反饋回路之外的誤差，但采用高分辨率的檢測元件，也可以獲得比較滿意的精度。
按照反饋比較方式，伺服系統(tǒng)可分為數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)，以及幅值比較伺服系統(tǒng)。
數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，常采用光電編碼器、光柵作為位置檢測裝置，以半閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。
在相位比較和幅值比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置主要以旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器為檢測元件。在相位比較伺服系統(tǒng)中，位置檢測裝置多采用相位工作方式，指令信號與反饋信號都變成相應(yīng)的同頻率的某一載波的不同相位的脈沖信號，然后通過兩者相位的比較，獲得實(shí)際位置與指令位置的偏差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。而幅值比較伺服系統(tǒng)主要是以其位置檢測信號的幅值反映機(jī)械的實(shí)際位置，并以此作為位置反饋信號，再與指令信號進(jìn)行比較構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
PowerMate-A是FANUC公司20世紀(jì)80年代中期開始生產(chǎn)的產(chǎn)品，并于90年代初期引進(jìn)到我國，由于它的質(zhì)量十分可靠，在引進(jìn)之后得到了廣泛的應(yīng)用。PowerMate-A內(nèi)置了伺服放大器和PMC，伺服放大器與CNC共用AC200V電源，由于只需要控制鏈條在X軸方向前進(jìn)或后退，所以PowerMate-A伺服控制系統(tǒng)實(shí)際上只有進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)，而沒有主軸驅(qū)動(dòng)，PowerMate-A數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)單軸控制系統(tǒng)；與PowerMate-A配套的伺服電機(jī)是FANUCS系列的20S交流伺服電機(jī)，電機(jī)軸上裝有增量式脈沖編碼器，輸出位置反饋信號給CNC，不難看出，PowerMate-A數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)采用數(shù)字脈沖比較反饋方式的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。
3.3.2交流伺服電機(jī)
近年來，隨著高性價(jià)比永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動(dòng)機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機(jī)床環(huán)境的溫度影響小，容易達(dá)到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，特別適合強(qiáng)力切削加工，同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行，比較容易達(dá)到很高的調(diào)速比。FANUC的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)一般采用永磁式的三相同步電動(dòng)機(jī)。在本系統(tǒng)中所使用的交流伺服電機(jī)型號是A06B-0502-B004，具體參數(shù)為：23NmTRQ,20Amp,3phase8poles，AC146V,2000RPM。
永磁式的交流三相同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用高導(dǎo)磁率的永久磁鋼作成的磁極，中間穿有電機(jī)軸，軸兩端用軸承支撐并將其固定于機(jī)殼上。定子是用矽鋼片疊成的導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體的內(nèi)表面有齒槽，嵌入用導(dǎo)線繞成的三相繞組線圈，另外在軸的后端部裝有編碼器。當(dāng)定子的三相繞組通有三相交流電流時(shí)，產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場就會吸住轉(zhuǎn)子上的磁極同步旋轉(zhuǎn)，電路元件需要根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場的位置實(shí)時(shí)地?fù)Q向，這一點(diǎn)非常類似于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組電流隨定子磁場位置的換向。因此，為了實(shí)時(shí)地檢測同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的位置，在電動(dòng)機(jī)軸上（后端）安裝了一個(gè)編碼器，編碼器的光碼盤隨著電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)測出轉(zhuǎn)子上磁極磁場的實(shí)際位置，該位置可用角度θ來表示，即定子合成磁場磁極軸線和轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的角度，也稱為功率角。將該位置值送到控制電路后，控制器可以實(shí)時(shí)地控制逆變器功率元件的換向，實(shí)現(xiàn)了伺服驅(qū)動(dòng)器的自控?fù)Q向。因此，有人將這種同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器和電動(dòng)機(jī)一起稱為自換向同步電動(dòng)機(jī)。另外，因?yàn)槠淇刂铺匦灶愃朴谥绷麟妱?dòng)機(jī)，所以也稱為無整流子式直流電動(dòng)機(jī)。
3.3.3交流伺服驅(qū)動(dòng)
伺服系統(tǒng)按其內(nèi)部控制信號的形式，可分為模擬量控制的模擬伺服與數(shù)字量控制的數(shù)字伺服兩類，F(xiàn)ANUC產(chǎn)品早期一般采用直流驅(qū)動(dòng)器，到了20世紀(jì)80年代中期，開始采用交流模擬伺服驅(qū)動(dòng)器，從20世紀(jì)90年代起開始采用交流數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)裝置。PowerMate-AA06B-6050系列伺服驅(qū)動(dòng)器與A06B-05**系列交流伺服電機(jī)配套組成的產(chǎn)品，是FANUC交流模擬伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最常見的配置之一，它采用了矢量控制、PWM調(diào)速，輸出特性好，可靠性高，在上世紀(jì)90年代引入我國后，得到了廣泛的應(yīng)用。FANUC交流模擬伺服驅(qū)動(dòng)工作原理見圖10。
圖10FANUCPowerMate-A交流模擬伺服驅(qū)動(dòng)工作原理
交流模擬伺服系統(tǒng)主要有電源部分、放大器及控制部分組成。電源部分主要包括整流逆變電路，以實(shí)現(xiàn)交-直-交變換。整流器使用的是整流二極管，給逆變器部分供以直流電源。逆變器使用了6個(gè)IGBT，在控制電路的控制下進(jìn)行逆變，將直流功率變?yōu)榻涣鞴β?，給同步電動(dòng)機(jī)供電。對逆變器的頻率變化進(jìn)行控制，即可控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢，具體的逆變過程是利用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)來控制的。通過PWM控制，使系統(tǒng)得到的交流電壓波形更接近正弦波，減少了諧波，快速性得到提高，更好地滿足了電動(dòng)機(jī)的需要。另外，電機(jī)主電路有兩相電機(jī)的定子繞組串有電流檢測器，檢測電機(jī)的實(shí)際電流，用作電流反饋和電機(jī)的過流保護(hù)。脈沖編碼器裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上用作速度和位置反饋。
圖10下半部分是模擬伺服系統(tǒng)的控制部分。
在控制上，PowerMate-A采用了磁場矢量控制方式。由于在同步電機(jī)中，勵(lì)
磁磁場與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的，所以調(diào)節(jié)電樞電流就不能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。通過電機(jī)的外部控制系統(tǒng)，對電樞磁通勢相對勵(lì)磁磁場進(jìn)行空間定向控制，控制兩者之間的角度保持固定值，同時(shí)對電樞電流的幅值也進(jìn)行控制，這種控制方式就稱為矢量控制。電機(jī)軸上安裝有編碼器，編碼器隨時(shí)檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，不斷取得位置角θ信息，并將θ送伺服控制器，在控制器中進(jìn)行實(shí)時(shí)的坐標(biāo)變化，變換后的電流對逆變器進(jìn)行控制，產(chǎn)生PWM波形去控制電機(jī)。
如上圖10，VCMD是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度給定指令，它是來自CNC的模擬電壓；該電壓與來自檢測元件(通常為脈沖編碼器)的速度反饋電壓（也可以是脈沖編碼器的脈沖信號經(jīng)F/V變換后作為系統(tǒng)的速度反饋信號）TSA經(jīng)比較、放大后輸出速度誤差信號。速度誤差信號再經(jīng)調(diào)節(jié)器放大，作為轉(zhuǎn)矩給定指令輸出。轉(zhuǎn)矩指令信號通過乘法器，分別與轉(zhuǎn)子位置計(jì)算回路中輸出的sinθ和sin(θ－240°)算子相乘，其乘積作為電流指令信號輸出。電流指令又與電流反饋信號相比較后，產(chǎn)生電流誤差信號，電流誤差信號經(jīng)放大，輸出到PWM控制回路，進(jìn)行脈寬調(diào)制控制。脈寬調(diào)制信號通過功率晶體管與電源回路的逆變，形成三相交流電，控制交流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞。
圖10中的虛線框，在實(shí)際系統(tǒng)中，通常為集成一體的專用大規(guī)模集成電路。在FANUC常見的交流伺服驅(qū)動(dòng)中，其中一片型號為AF20，它包括兩個(gè)乘法器
和一個(gè)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算回路；另一片型號為MB63137，它包括PWM控制回路和
脈沖編碼器的接收回路。圖11為交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖。
圖11交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖
3.3.4脈沖編碼器
以FANUCPowerMateA為核心組成的伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)，有位置環(huán)、速度環(huán)兩個(gè)控制回路，它們分別需要脈沖編碼器對電機(jī)的位置量和速度量進(jìn)行反饋。在對編碼器使用上，作位置測量時(shí)，累計(jì)工作臺走過的脈沖數(shù)；作速度測量時(shí)，則取單位時(shí)間（幾個(gè)毫秒）內(nèi)的脈沖數(shù)。
在前面曾經(jīng)敘述過，為了實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)控制主回路中功率元件的自動(dòng)換相，需要隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)隨時(shí)檢測轉(zhuǎn)子磁場的位置，這項(xiàng)工作也由編碼器實(shí)現(xiàn)，為此，在脈沖編碼器上刻有按二進(jìn)制值編碼的4層條紋，經(jīng)印刷電路板處理后輸出波形C1,C2,C4,C8，通過不同的組合來表明轉(zhuǎn)子位置變化。
脈沖編碼器連接圖見圖12所示。
圖中，各信號含義如下：
PCA/*PCA/PCB/*PCB：編碼器的A/B相脈沖輸入信號；
PCZ/*PCZ：編碼器的零位脈沖輸入信號；
C1～C8：轉(zhuǎn)子位置檢測信號；
OHA/OHB：伺服電機(jī)的過熱觸點(diǎn)輸入；
0V/5V：編碼器電源。
圖12脈沖編碼器連接圖
第四章結(jié)束語
本文對真空成型機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)控伺服系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行分析，找到了在CNC和PMC中與現(xiàn)場操作相關(guān)的變量存儲區(qū)，并總結(jié)出了PMC程序的流程圖。伺服控制技術(shù)的應(yīng)用提高控制的精度，保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行的平穩(wěn)和精確。
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