《伺服與運(yùn)動(dòng)控制》2012第1期 徐天奇　供稿

　　1.工作機(jī)械的運(yùn)行方式及控制系統(tǒng)構(gòu)成



　?、俜啪砉げ接勺冾l器驅(qū)動(dòng)實(shí)施鋼帶放卷。

　　②成型工步完成沖齒和成型。

　　③移動(dòng)剪切平臺(tái)（以下簡稱移動(dòng)平臺(tái)）完成對(duì)齒條的剪切。

　　本文討論的是“移動(dòng)剪切平臺(tái)對(duì)齒條的動(dòng)態(tài)剪切過程及其各影響因素”。

　　1.1移動(dòng)剪切平臺(tái)對(duì)齒條的動(dòng)態(tài)剪切過程

　?、琵X條的運(yùn)動(dòng)

　　齒條的運(yùn)動(dòng)速度由成型工步的速度決定。成型工步由變頻器驅(qū)動(dòng)。其速度是一確定值。

　?、埔苿?dòng)平臺(tái)由數(shù)控系統(tǒng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)平臺(tái)上裝有編碼器和沖切模。由編碼器對(duì)齒條的長度進(jìn)行數(shù)齒計(jì)數(shù)。由沖切模實(shí)施動(dòng)態(tài)沖切。

　?、莿?dòng)態(tài)沖切

　　①在正常工作時(shí)，齒條由成型工步驅(qū)動(dòng)以規(guī)定的速度運(yùn)行。齒條進(jìn)入移動(dòng)平臺(tái)后，安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的編碼器對(duì)齒條的齒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)信號(hào)到達(dá)“啟動(dòng)計(jì)數(shù)值”時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出伺服電機(jī)正向啟動(dòng)信號(hào)。

　?、谝苿?dòng)平臺(tái)正向移動(dòng)跟隨齒條運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)計(jì)數(shù)信號(hào)到達(dá)“齒長計(jì)數(shù)值”時(shí)，此時(shí)移動(dòng)平臺(tái)速度已經(jīng)與齒條運(yùn)動(dòng)速度相等，系統(tǒng)發(fā)出沖切信號(hào)切斷齒條。

　?、垡苿?dòng)平臺(tái)正向停止，反向運(yùn)動(dòng)回到起點(diǎn)。等待下一次沖切循環(huán)。

　　1.2移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　?。?）控制系統(tǒng)主控單元三菱FX1S-20MR。FX1S-20MR負(fù)責(zé)接收編碼器計(jì)數(shù)信號(hào)，發(fā)出移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)信號(hào)，沖切信號(hào)，正向停止信號(hào)、反向啟動(dòng)信號(hào)。

　?、埔苿?dòng)平臺(tái)的伺服電機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)中的一個(gè)伺服軸。其正向啟動(dòng)/停止，反向啟動(dòng)/停止信號(hào)由主控單元三菱FX1S-20MR發(fā)送至數(shù)控系統(tǒng)。

　?、蔷幋a器為國產(chǎn)編碼器，每轉(zhuǎn)32脈沖。對(duì)應(yīng)于齒條是每齒1個(gè)脈沖。脈沖信號(hào)接入FX1S-20MR。

2.移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)沖切模式分析

　　在編制完成移動(dòng)平臺(tái)的PLC程序和設(shè)置伺服電機(jī)的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)后，對(duì)齒條進(jìn)行了試切。以5條為一組試驗(yàn)了各運(yùn)行參數(shù)。其結(jié)果是移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行節(jié)拍符合生產(chǎn)要求，但齒條長度長短不一。試驗(yàn)了各種參數(shù)仍然沒有得到滿意結(jié)果。為此必須對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的沖切方式及影響沖切精度的各因素進(jìn)行仔細(xì)的分析，找出影響沖切精度的主要原因。

　　2.1移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)沖切模式分析



　　移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)沖切過程如圖2所示：

　?。?）A-B階段：

　　齒條進(jìn)入移動(dòng)平臺(tái)后，安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的編碼器對(duì)齒條的齒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)信號(hào)到達(dá)“啟動(dòng)計(jì)數(shù)值”時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出伺服電機(jī)正向啟動(dòng)信號(hào)。

　　移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)加速運(yùn)行，當(dāng)“齒條行程”與“移動(dòng)平臺(tái)行程”之差=跟隨行程，即圖2的B點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)出計(jì)數(shù)完成信號(hào)（已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)剪切長度）。

　　（2）B-G階段：

　　移動(dòng)平臺(tái)繼續(xù)加速運(yùn)行，齒條也繼續(xù)運(yùn)行，這一階段移動(dòng)平臺(tái)速度尚未到達(dá)齒條運(yùn)動(dòng)速度，兩者之間有相對(duì)移動(dòng)。這一階段產(chǎn)生的相對(duì)移動(dòng)即“剪切長度誤差”

　?。?）B-C階段：

　　速度跟隨階段。目的是讓移動(dòng)平臺(tái)速度達(dá)到齒條速度，使兩者速度完全相等。

　?。?）C-D階段。在C點(diǎn)發(fā)出沖切啟動(dòng)信號(hào)。由于電氣機(jī)械的延遲約200ms，實(shí)際在D點(diǎn)位置切斷齒條。

　?。?）D-E階段。

　　在E點(diǎn)位置編碼器計(jì)數(shù)清零。由于沖切的震動(dòng)會(huì)引起編碼器誤動(dòng)作發(fā)出脈沖。為消除該影響，因此延遲到E點(diǎn)才發(fā)出清零脈沖。所以從B點(diǎn)---E點(diǎn)這一區(qū)間齒條與移動(dòng)平臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（盡管很?。]有受到編碼器的計(jì)數(shù)監(jiān)視。（實(shí)際試驗(yàn)中，在B點(diǎn)就發(fā)出清零信號(hào)剪切長度最整齊就是因?yàn)辇X條運(yùn)動(dòng)全程受到監(jiān)視。）

　　不管震動(dòng)脈沖是正，負(fù)都在E點(diǎn)被清掉。

　　但在E—F階段還出現(xiàn)震動(dòng)脈沖，就可能出現(xiàn)兩種情況：

　　①正脈沖-------出現(xiàn)短齒。

　　②負(fù)脈沖------出現(xiàn)長齒。

　?。?）E-F階段。計(jì)數(shù)器清零---移動(dòng)平臺(tái)正向停止階段。這一階段要保證清零完成再正向停止。在該階段出現(xiàn)過清零時(shí)間延遲到正向停止點(diǎn)出現(xiàn)正常計(jì)數(shù)脈沖被清零從而出現(xiàn)“長齒”的現(xiàn)象。

2.2移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)沖切的PLC程序

　　根據(jù)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)態(tài)沖切模式的分析，編制了運(yùn)動(dòng)部分的PLC程序：



　　第0步為設(shè)置“濾波系數(shù)”，提高計(jì)數(shù)口X0接收計(jì)數(shù)信號(hào)的頻率。

　　第6步以X0為接收編碼器計(jì)數(shù)信號(hào)口。計(jì)數(shù)器C1為齒條長度齒數(shù)計(jì)數(shù)。C3為移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)計(jì)數(shù)。

　　第14步計(jì)數(shù)器C3到位，發(fā)移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)信號(hào)（Y0）

　　第35步計(jì)數(shù)器C1到位，延時(shí)T201時(shí)間后發(fā)沖切指令（Y5）

　　第37步計(jì)數(shù)器C1到位，延時(shí)T202時(shí)間后發(fā)計(jì)數(shù)器清零指令。

　　2.2影響剪切長度精度的因素

　　基于對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)沖切模式分析，歸納出影響剪切長度精度的因素如下；

　?。?）編碼器脈沖信號(hào)

　?。?）同步?jīng)_切-----在沖切時(shí)，如果移動(dòng)平臺(tái)與齒條有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則沖切長度無法保證。為了實(shí)現(xiàn)同步?jīng)_切必須調(diào)整跟隨時(shí)間，即圖2中的C-D階段和PLC程序中的T201。

　?。?）伺服電機(jī)加速時(shí)間

　　3.對(duì)影響沖切精度諸因素的進(jìn)一步分析和優(yōu)化

　　3.1編碼器脈沖信號(hào)的影響

　　編碼器脈沖信號(hào)-----編碼器脈沖信號(hào)是控制移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和發(fā)出沖切信號(hào)的基礎(chǔ)。如果有干擾信號(hào)竄入計(jì)數(shù)器，則沖切長度變短。如果漏掉了編碼器脈沖信號(hào)，則沖切長度變長。因此在分析沖切齒條長度時(shí)，如果齒條過長過短，都首先判斷是計(jì)數(shù)脈沖不正常。

　　齒條機(jī)配置的編碼器為國產(chǎn)編碼器，特地為齒條機(jī)配置。

　　每轉(zhuǎn)32脈沖，對(duì)應(yīng)為每齒1脈沖。

　　齒條齒距=6mm。當(dāng)齒條速度=13000mm/分，其對(duì)應(yīng)的脈沖頻率=36HZ，而PLC常規(guī)接口可接受的信號(hào)頻率=25HZ，因此不能直接使用常規(guī)接口。

　?。?）使用高速計(jì)數(shù)器

　　三菱FX1SPLC具備高速計(jì)數(shù)器功能。為此首先使用單相高速計(jì)數(shù)器C235，但是高速計(jì)數(shù)器C235很容易受干擾，當(dāng)編碼器信號(hào)接入高速計(jì)數(shù)器后，在PLC監(jiān)視畫面上觀察到一旦編碼器旋轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)立即紊亂。即使編碼器不轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)器數(shù)值也無規(guī)律增加，顯然是受到干擾。（接線不規(guī)范也會(huì)加劇干擾，現(xiàn)場(chǎng)接線曾經(jīng)發(fā)生未使用接線端子而干擾加劇的現(xiàn)象，改用接線端子后，干擾減少。）

　　使用雙相高速計(jì)數(shù)器C251，干擾的影響大大減少。但是也不穩(wěn)定。某一時(shí)間段計(jì)數(shù)穩(wěn)定。某一時(shí)間段計(jì)數(shù)不穩(wěn)定。由于PLC控制器和數(shù)控伺服系統(tǒng)及變頻器同裝于一臺(tái)控制柜內(nèi)。數(shù)控伺服系統(tǒng)及變頻器對(duì)PLC顯然是有嚴(yán)重干擾。經(jīng)過多次試驗(yàn)后，放棄了使用高速計(jì)數(shù)器方案。

　?。?）使用普通計(jì)數(shù)器

　　使用普通計(jì)數(shù)器要解決如何提高接收信號(hào)頻率的問題。其方法之一是縮短輸入信號(hào)的濾波時(shí)間。三菱PLC具備縮短輸入信號(hào)的濾波時(shí)間的功能，其方法是向D8020設(shè)置數(shù)字。如圖3PLC程序第0步。通過這一方法，可以將接受信號(hào)頻率提高到50HZ。

　　這樣就可以滿足齒條的運(yùn)行速度要求。但是輸入信號(hào)的濾波時(shí)間不能夠設(shè)置過小，設(shè)置過小其抗干擾能力就降低。必須摸索應(yīng)該最佳數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)D8020=3-5

　　在現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)編碼器的抗干擾做了如下措施：

　　①編碼器屏蔽線接地。

　?、趩为?dú)穿金屬管。

　3.2加速時(shí)間

　　動(dòng)態(tài)剪切的最重要階段是移動(dòng)平臺(tái)的加速跟隨階段，即圖2中的A-G階段。在論述這一階段前必須先給出相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

　?。?）相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

　?、冽X條長度------以齒數(shù)表示。如200齒。

　?、邶X距L-----------單位mm。

　?、鄹S齒數(shù)N（距離）-----預(yù)留的一段行程，在該行程內(nèi)，移動(dòng)平臺(tái)加速達(dá)到齒條運(yùn)行速度。

　?、荦X條運(yùn)行速度V----mm/秒

　?、菁铀贂r(shí)間T-----移動(dòng)平臺(tái)加速到齒條速度的時(shí)間

　　(2)“行程差”和“加速時(shí)間”計(jì)算

　　在加速階段：

 



　　根據(jù)式1和圖2，加速時(shí)間T決定了加速階段的行程差，從理論上分析，只要精細(xì)的調(diào)整加速時(shí)間，可以在“行程差=跟隨距離”的同一時(shí)間點(diǎn)，使移動(dòng)平臺(tái)的速度=齒條速度。

　　在實(shí)際調(diào)試時(shí)，先根據(jù)式2確定跟隨齒數(shù)（距離）；再根據(jù)式3精確調(diào)整加速時(shí)間。其原則上在移動(dòng)平臺(tái)總行程范圍內(nèi)盡可能延長加速段，其原因是加速時(shí)間越長，加速越平穩(wěn)，避免加速時(shí)間太短引起的加速振蕩，從而影響同步速度的平穩(wěn)。

　　3.3計(jì)數(shù)器清零時(shí)間

　　計(jì)數(shù)器清零時(shí)間----在多次沖切過程中觀察到，齒條總長度經(jīng)常短1-2個(gè)齒。發(fā)生短齒必然是有非正常的脈沖進(jìn)入。這多出來的脈沖是那一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的呢？經(jīng)過試驗(yàn)和比較，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)沖切時(shí)，沖切產(chǎn)生較大的機(jī)械振動(dòng)，而編碼器和沖切模具都裝在移動(dòng)平臺(tái)上，沖切振動(dòng)引起編碼器抖動(dòng)有時(shí)會(huì)發(fā)出1個(gè)脈沖信號(hào)。這個(gè)脈沖信號(hào)被計(jì)入正常計(jì)數(shù)值，所以導(dǎo)致齒條長度短1齒。

　　為了消除這一影響。必須將計(jì)數(shù)器的清零點(diǎn)安排沖切完成后

　　再延長一個(gè)時(shí)間段，即圖2中的“E”點(diǎn)。這樣即使有振動(dòng)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，也在“E”點(diǎn)被清除。從“E”點(diǎn)開始重新進(jìn)行下一循環(huán)的計(jì)數(shù)。（從理論上分析，計(jì)數(shù)器的清零點(diǎn)應(yīng)該安排在“G”點(diǎn)，即當(dāng)前計(jì)數(shù)值一到達(dá)，立即清零。進(jìn)入下一循環(huán)的計(jì)數(shù)）

　　在PLC程序中，計(jì)數(shù)器清零時(shí)間為T202。計(jì)數(shù)器清零時(shí)間必須反復(fù)試驗(yàn)以獲得最佳值。

　　4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及關(guān)鍵因素

　　4.1防干擾措施及實(shí)驗(yàn)步驟

　　為了排除電磁干擾波的影響，采取了如下措施：

　　（1）將PLC控制器移出控制柜，單獨(dú)給PLC供AC220V電源，PLC接地。將PLC完全封閉在另一金屬柜內(nèi)。使PLC部分完全獨(dú)立。排除干擾的影響。

　?。?）齒條運(yùn)行速度=13米的實(shí)驗(yàn)

　　相關(guān)參數(shù)跟隨齒數(shù)=10，加減速模式：直線加減速。

　　加減速時(shí)間360—400ms，

　　剪切結(jié)果：多數(shù)長度=1015-1022，偏長4-10mm。

　　調(diào)節(jié)伺服電機(jī)加減速時(shí)間，有效果，但是調(diào)到最好狀態(tài)也是偏長4-10mm。在同一組參數(shù)下，長短不一。即使有幾組切得長度一樣。也是偏長。

　?。?）齒條運(yùn)行速度=8米的實(shí)驗(yàn)

　　相關(guān)參數(shù)跟隨齒數(shù)=7，加減速模式：直線加減速。

　　加減速時(shí)間300--360ms

　　剪切結(jié)果：多數(shù)長度=1015-1022，偏長4-10mm。一組中也有1-2根偏短5mm。

4.2對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　使用各種參數(shù)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)沖切進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但沖切效果仍然很差。在同一組參數(shù)下，沖切齒條長度長短不一。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1

　　表1動(dòng)態(tài)沖切實(shí)驗(yàn)記錄

　　從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，調(diào)節(jié)加速時(shí)間有效果，當(dāng)加速時(shí)間逐漸變小時(shí)，剪切齒條長度逐漸逼近標(biāo)準(zhǔn)長度，但是無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。而且一組齒條長短不一。在影響沖切精度的諸因素中，已經(jīng)排除了干擾的影響和漏計(jì)脈沖的影響（降低了運(yùn)行速度），而且加速時(shí)間，同步跟隨時(shí)間，清零時(shí)間都已經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié)并處于受控狀態(tài)。但沖切長短數(shù)據(jù)結(jié)果是如此分散。那么必定有一“不受控因素”或“隨機(jī)因素”在起作用。

　　5尋找關(guān)鍵因素

　　5.1延遲時(shí)間的影響

　　再一次分析“移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)沖切模式”并仔細(xì)觀察實(shí)際的沖切過程，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的啟動(dòng)存在延遲------即從PLC發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)到移動(dòng)平臺(tái)實(shí)際啟動(dòng)，有120ms左右的延遲時(shí)間。

　　齒條機(jī)的控制系統(tǒng)由“PLC+NC”構(gòu)成，在PLC---NC之間信號(hào)傳遞過程及時(shí)間如下：

　?、臥LC負(fù)責(zé)接收計(jì)數(shù)信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算后發(fā)出移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)信號(hào)，“PLC的掃描周期+輸出延遲”約20ms。

　?、茊?dòng)信號(hào)被送入數(shù)控系統(tǒng)并處理，這段時(shí)間約60ms。

　　⑶數(shù)控控制器發(fā)出伺服軸啟動(dòng)信號(hào)經(jīng)過總線送入“伺服驅(qū)動(dòng)器。”這段時(shí)間約40ms

　　因此，總延遲時(shí)間約100-120ms。這段時(shí)間是由系統(tǒng)硬件性能所決定，不受控制。

　　而在這段延遲時(shí)間內(nèi)，（當(dāng)齒條以13000mm/分速度運(yùn)行）齒條已經(jīng)運(yùn)動(dòng)了29mm左右。

　　在圖2所示的動(dòng)態(tài)沖切模式中，0-A階段就是延遲階段。

　　而行程差計(jì)算公式必須修正為：



　　在齒條機(jī)控制系統(tǒng)中，由于延遲時(shí)間不是一個(gè)穩(wěn)定的值，所以其大大影響了齒條沖切精度。

　　5.2整改措施及效果

　　為了減少延遲時(shí)間的影響，采取了如下措施：

　　⑴更換移動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由PLC直接控制該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。減少中間信號(hào)的傳遞環(huán)節(jié)。

　?、平档妄X條運(yùn)行速度。

　　經(jīng)過以上處理后，移動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)剪切精度得到保證。

　　6.結(jié)束語：

　　動(dòng)態(tài)沖切不同于靜態(tài)沖切。在靜態(tài)沖切中100ms的延遲時(shí)間不會(huì)對(duì)沖切精度有任何影響，而在動(dòng)態(tài)沖切中，延遲時(shí)間就成為影響剪切精度的主要因素。保持移動(dòng)平臺(tái)與齒條的同步運(yùn)行也是動(dòng)態(tài)剪切的基礎(chǔ)。