臺(tái)達(dá)A伺服在大幅面激光切割機(jī)上應(yīng)用

1、臺(tái)達(dá)A2伺服在大幅面激光切割機(jī)上 應(yīng)用伺服數(shù)控產(chǎn)品處應(yīng)用工程師張廣偉關(guān)鍵詞：龍門結(jié)構(gòu)、大幅面、高解析智能伺服、雙伺服同驅(qū)、第二編碼器反饋1.引言今天，CN技術(shù)和激光加工切割新技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬，皮革，廣告雕刻等切割加工領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的切割加工方法相比，借 助于CAM技術(shù)，CNC激光切割機(jī)可以靈活的加工出工件，切割速 度更快，成本更低。但是因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)原因，一般的激光切割機(jī)的 幅面只能維持在2mX3m的有效工作范圍。，要突破這一范圍，兩 個(gè)方向的機(jī)械絲桿將會(huì)很長，直徑相對(duì)較粗，這樣無疑降低了機(jī)械 剛性，很容易產(chǎn)生共振。而且為了克服絲桿直徑增加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 伺服馬達(dá)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩以及慣量都要相應(yīng)的加

2、大，同時(shí)為了保證精 度，加工速度無法加快。而采用新型的龍門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的大幅面機(jī)器, 幅面跨度可能達(dá)到3mx5m有效的加工行程，使用了安裝在床身側(cè) 面的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，激光頭縱向位移軸就可以方便的以門字形結(jié)構(gòu)跨坐 在橫向位移導(dǎo)軌上，同時(shí)位移由橫向兩個(gè)伺服馬達(dá)同步位移驅(qū)動(dòng)兩 根絲桿來完成橫向位移，如下圖所示，這樣負(fù)載的重量就有2邊導(dǎo) 軌和絲桿分開來承受，就可以很好的解決大幅面機(jī)械，幅面過大， 機(jī)械剛性不足的問題。解決了機(jī)械上的冋題，那怎么樣才能很好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)使兩邊的伺 服馬達(dá)能夠保持高精度的位置同步呢？本文就以龍門激光切割機(jī)為 案例，詳述了如何利用臺(tái)達(dá)A2伺服獨(dú)有的龍門同驅(qū)功能，僅以一路 脈沖命令作為命令

3、來源，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)伺服馬達(dá)之間的高精度同步控 制方案。2. 臺(tái)達(dá)高精度龍門同驅(qū)方案?jìng)鹘y(tǒng)的龍門同驅(qū)電機(jī)控制，往往借助于 上位控制器單元來協(xié)調(diào)，如果上位控制器是 脈沖機(jī)型的，就只能通過伺服軸COPY功 能來實(shí)現(xiàn)，或者上位控制器是電壓命令型 CNC, CNC輸出兩路模擬量電壓，同時(shí)將兩顆同步伺服的編碼器信號(hào)反饋到位置環(huán)，同時(shí)兩直線軸之間實(shí)現(xiàn)插 補(bǔ)同步運(yùn)動(dòng)和半閉環(huán)控制。但是，無論是以上何種方式，都需要上位 控制器的配合，需要獨(dú)立的兩路命令通道才能夠控制兩軸同驅(qū)。與傳統(tǒng)龍門同驅(qū)控制架構(gòu)相比，新的A2控制方式，無需修改上位控制器的硬件接設(shè)置和參數(shù)設(shè)計(jì)，只需要改變上位控制器和A2伺服接線,以及設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)

4、既可以實(shí)現(xiàn)雙伺服同驅(qū)功能，這杲A2伺服運(yùn)動(dòng)控制的一大特色功能。3. 龍門同驅(qū)的控制架構(gòu)和具體接線a）控制器選型龍門同驅(qū)必須使用軸軸ASDA-A2-M/U/L型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器 必須具有CN5接，因?yàn)檫@一個(gè)接口 可以支持A2驅(qū)動(dòng)器接受除自身編碼 器反饋之外的來自于月外一顆伺服的 第二路編碼器反饋。1）上位控制器給軸的伺服DI/DO信號(hào)2）上位控制器給軸的伺服DI/DO信號(hào)3）上位控制器給兩軸的一路脈沖命令信號(hào)4）軸PG信號(hào)輸出給軸的CN5信號(hào)5）軸PG信號(hào)輸出給軸的CN5信號(hào)c）具體接線如下，以軸伺服為例上位控制器信號(hào)Y1 CN1信號(hào)定義1SON9DI1SON25V+36SIGN脈沖方向+43PU

5、LSE脈沖信號(hào)+337/SIGN脈沖方向脈沖方向4脈沖信號(hào)41/PULSE脈沖信號(hào)-524V+1124V+外部電源24+624V-4524V-外部電源24-Y2CN5Y1 CN1信號(hào)定義7接收來自號(hào)一軸的編碼器信號(hào)！/B2/OB23編碼器/OB輸出8B3OB25編碼器OB輸出9A4OA21編碼器OA輸出10/A5/OA22編碼器/OA輸出4. 方案的實(shí)施a）伺服基本參數(shù)設(shè)定電子齒輪比設(shè)定當(dāng)接線接好，檢查確認(rèn)無誤后，既可以進(jìn)行伺服參數(shù)的設(shè)置，首先,取消相關(guān)無用的DI,解除報(bào)警信息ALE 13、ALE14、ALE15, 同時(shí)需要設(shè)定上位控制器對(duì)伺服命令的電子齒輪比參數(shù)，設(shè)定對(duì)正確 的電子齒輪比是伺

6、服正確運(yùn)動(dòng)的前提，切記兩軸的電子齒輪比設(shè)定的 數(shù)值要保持一致。設(shè)定數(shù)值P1-44電子齒輪比分子，出廠設(shè)定值為128設(shè)定數(shù)值P1-45電子齒輪比分田，出廠設(shè)定值為10,即伺服驅(qū) 動(dòng)器接到10萬PULSE,馬達(dá)才運(yùn)轉(zhuǎn)一圈，建議根據(jù)上位控制器發(fā)送 脈沖的脈沖能力，以及最高運(yùn)動(dòng)速度，還有絲桿的螺距等因素綜合考 慮。這里我們舉例假設(shè)設(shè)定為P1-45=1,即10OOOpulse,電機(jī)運(yùn)行 圈。公式如下1280000XP1-45 + P1 -44=1280000X1 令 128=1 OOOOpulse。b）同服慣量比測(cè)定其次逬行的是伺服慣量比的估測(cè)和伺服增益的調(diào)整。具體步驟如 下，1）先將龍門機(jī)構(gòu)解除，檢查

7、所有的機(jī)構(gòu)及伺服上的設(shè)定，如急停 以及左右極限等，確認(rèn)是否正常有效！2）將兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器上的面板監(jiān)視調(diào)整為J丄（p0-02=15監(jiān)測(cè)慣量 用）3）上位控制器下達(dá)脈波指令，先以慢速來回移動(dòng)龍門機(jī)構(gòu)，確定 機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)沒有問題，慢慢加快來回移動(dòng)速度，觀看驅(qū)動(dòng)器上的 慣量顯示4）等顯示穩(wěn)定后，將慣量比分別寫入到各自控制器的P1-37參數(shù)（當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)不對(duì)稱時(shí)，各自的慣量比有可能不同）5）慣量比是伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算基礎(chǔ)，此值務(wù)必確保正確!c）P1-46 PG分周比參數(shù)設(shè)定和P1-72光學(xué)尺閉環(huán)解析度設(shè)定P1-46為伺服驅(qū)動(dòng)器CN1自身輸出到另一顆同驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的 CN5的編碼器反饋值，此數(shù)值大小和前面P1-44.

8、P1-45并無實(shí)質(zhì)的 關(guān)系，為馬達(dá)自身輸出解析。設(shè)定數(shù)值越大，解析越高，越有利龍門 的控制，但是超出一定控制的范圍的話，將影響兩軸間位置誤差計(jì)算 的正確性。限制公式如下：馬達(dá)轉(zhuǎn)速令 60xP1 -46x4<8*1000,000P1-72為馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)CN5應(yīng)該接收到多少數(shù)值。為4倍頻 之后的數(shù)值，其數(shù)值為月一顆伺服軸的P1-46X4得到的數(shù)值。舉例，如果軸的P1-46=10000pulse,則軸的P172相應(yīng)等 于P1-72=2500X4=40000pulseo通常兩個(gè)軸的這兩組參數(shù)要設(shè)定一 致！d）P1-73光學(xué)尺全閉環(huán)回授位置和馬達(dá)編碼器之間位置誤差過 大的錯(cuò)誤保護(hù)范圍設(shè)定當(dāng)伺服驅(qū)

9、動(dòng)器從CN5接收到的月一驅(qū)動(dòng)器數(shù)值與自身編碼器接 CN2反饋來的數(shù)值差值到該設(shè)定數(shù)值后，驅(qū)動(dòng)器即發(fā)生ALE40 報(bào)警，在設(shè)定此值時(shí)，務(wù)必考慮實(shí)阪的機(jī)械結(jié)構(gòu)所能承受兩軸間的 錯(cuò)位誤差，如果誤差值設(shè)定超過實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)所能承受的能力，可能會(huì)損壞機(jī)械系統(tǒng)！允許誤差的公式如下：還是以上述為例,如果 P1-46=10000pulse, P1-72=40000pulseoP1-73=400pulse,絲桿的螺距為10mm,則兩軸允許的誤差為：400+ 40000x10=0.1 mm,當(dāng)兩軸誤差達(dá)到0.1mm時(shí)，伺服系統(tǒng)產(chǎn) 生報(bào)警信息ALE40。需要注意的是這個(gè)值設(shè)定在設(shè)定時(shí)并非越小越好，還要考慮兩軸 因?yàn)樨?fù)

10、載情況不可能完全相同，因此在加速或者減速過程中，產(chǎn)生較 大的同步誤差，因此要被考慮，后續(xù)章節(jié)會(huì)描述。e）同步設(shè)定檢查12C9LO12(91070?78S3K0 ESKO1409ll«7711S2?13592 J川7211>2214.C9-1370e相封値CHI : 0x9060CH2 :目施淺PUUlr ADD 22 bri |ox5r?oco'、穹料：| 、相楓J使用A2-sfot軟體示波器功能1）將示波器下方的CH1的ADR及32BIT勾選，并在黃色方格內(nèi)鍵 入0x3f9060,此值為驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光學(xué)尺CN5的回授脈波量，此 變數(shù)為32位元數(shù)值（監(jiān)視同動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)方

11、向）。2）將CH2的32BIT勾選，并在白色方格內(nèi)選擇“回授位置”，此為馬達(dá)本身回授的脈波量（監(jiān)視連接到示波器之驅(qū)動(dòng)器的移動(dòng)方 向）3）命令上位控制器下達(dá)位置命令，使兩顆馬達(dá)同時(shí)移動(dòng)，并觀察PC示波器的變化，訊號(hào)如下圖，CH1與CH2增加量是相反的， 如果不將CN5的輸入信號(hào)反向，只要龍門同動(dòng)控制一啟動(dòng)，就會(huì) 馬上產(chǎn)生兩軸位置誤差過大的警報(bào)，若將本機(jī)上的P74設(shè)定改 為10X即可將CN5接收到的回授信號(hào)將反相。7389 4|LUUJ 資料： 相封値1145.41243.41173.53173.512031233.6333.61263712637LZ33J15ZS3B2S9CH1: 0:<

12、3P?D60CMS；回?fù)斻肞UU J7 ADR p 32 bit心“Di藥231JG510 3&518123311Z5WL173%817Wft13141? 何4F啊6391? 39D-911(91-64.1US4J血132 1CCQ21053.11053.11(63 .Z M3 21113.31113.34）如果設(shè)定正確，訊號(hào)會(huì)如同下圖，增加量是同向的。（圖中黃色的 鋸齒訊號(hào)，屬正常現(xiàn)象，因?yàn)榭刂破鲀?nèi)部，為避免溢位，執(zhí)行數(shù) 值重置的動(dòng)作）5）完成以后，將PC示波器接到另一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，察看月一臺(tái)的脈波回授相位是否一樣正確。f）試運(yùn)轉(zhuǎn)以及P1-73誤差值的修正使用A2-sfot軟體增益計(jì)算

13、功能，兩臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器先設(shè)定一個(gè)相 同的伺服頻寬設(shè)定，以避免兩軸增益參數(shù)設(shè)定不一致，而引起馬達(dá)反 應(yīng)速度不同，而產(chǎn)生較大的誤差。使用A2-sfot軟體示波器功能設(shè)定適當(dāng)?shù)乃欧l寬后（由小到大調(diào)整），讓上位控制器下達(dá)位 置命令，并透過PC軟體示波器，觀察兩軸之間的位置誤差及同步情 形。如下圖設(shè)定,勾選CH1.ADR及32BIT,并輸入位址0x3f9f98, 此數(shù)值為兩軸之間的位置誤差量，單位為PULSE,兩軸間若位置誤 差量大過設(shè)定值P1-73,則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。所以上位控制器最后給定的 加減速指令，必須調(diào)整到伺服在加減速過程中，能夠滿足 0x3f9f98<P1-73時(shí)才不會(huì)發(fā)生問題。g) P1

14、74龍門同步功能的開啟當(dāng)上述參數(shù)檢查和設(shè)定完畢后，將參數(shù)P1-74設(shè)定等于2即可實(shí)現(xiàn)龍門同驅(qū)功能。h) P2-57同步增益頻寬的設(shè)定當(dāng)使用中發(fā)現(xiàn)兩軸同步后，跟隨誤差還是較大時(shí)，建議適當(dāng)?shù)脑黾覲2-57的數(shù)值，該數(shù)值為同步控制頻寬，設(shè)定該數(shù)值后，系統(tǒng)會(huì) 自動(dòng)的計(jì)算出P2-54-P2-58等一系列同步頻寬PID調(diào)節(jié)參數(shù)。此數(shù) 值設(shè)定越大，其兩軸同步的效果就越好。龍門機(jī)構(gòu)所允許的錯(cuò)位誤差P1-73大4»小頻寬比例100%頻寬比例=伺服頻寬/ (伺服頻寬+冋動(dòng)頻寛)1009080706050403()201()%0102030405060708090%伺服頻寛同動(dòng)頻寛但是需要注意的是，當(dāng)系統(tǒng)

15、的速度環(huán)頻寬+同動(dòng)控制頻寬系統(tǒng) 自身的允許頻寬時(shí)，機(jī)構(gòu)就會(huì)共振產(chǎn)生嘯叫，因此在調(diào)整同動(dòng)頻寬時(shí), 要由小到大慢慢的調(diào)整！5其他因素對(duì)同步精度的影響對(duì)于下述問題是一個(gè)十分有必要討論的冋題，我們?cè)趯?shí)際調(diào)試時(shí)發(fā) 現(xiàn)以下問題對(duì)于同步精度起影響作用，甚至有時(shí)左右到方案的結(jié)果。 D兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器沒有安裝在同一個(gè)金屬層板，導(dǎo)致不能等電位，引起 驅(qū)動(dòng)器CN5脈沖受干擾。我們?cè)诂F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，有些客戶的驅(qū)動(dòng)器安裝在膠木板上或者將金屬 底板噴漆，當(dāng)采用的底線不夠規(guī)格時(shí)，同時(shí)監(jiān)控兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器，其 中一臺(tái)編碼器回授不增加，但是月一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的3F9060地址位 數(shù)值卻不斷變化，顯示有脈沖進(jìn)入，這就是雜訊干擾引起。解決的方法是：A. 減少CN5到CN1的接線長度，采用屏蔽雙絞線。B. 使用金屬底板C. 采用良好和正確的接地，或者將兩顆伺服接地端子，使用金屬 銅編織帶跨接。2) 兩軸同步時(shí)機(jī)械使用絲桿和齒輪齒條的效果差異 當(dāng)采用絲桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)械的剛性較高，因此可以獲得較好的同步 效果，而使用齒輪齒條