7.lm立车数控及伺服系统的改造

学术论文 2007-11-18 01:19:05

任   萍

    摘要  阐述采用FANUC OTC数控系统、西门子6RA70主轴驱动系统、欧姆龙C200HE PLC对大型立车进行技术改造的设计、调试方法及系统结构的特点。

    哈电机厂7.1m大型立车原采用FANUC 3TC数控系统,控制直流调速装置和直流电机;主轴驱动采用湖北襄樊上世纪80年代生产的可控硅驱动系统;电器由继电器、接触器控制。由于长年运行,元器件老化,可靠性差、故障率高,严重地影响了生产。为此,决定进行技术改造,采用FANUC OTC数控系统控制交流伺服进给及交流伺服电机,配有内装型PMC完成数控系统的逻辑控制;采用西门子6RA70主轴驱动系统驱动转台直流电机;采用欧姆龙C200HE PLC控制机床电器。
    一、改造后数控系统的构成
    FANUC OTC系统加装C7 PMC I/0接口板及两套交流伺服系统和能耗制动模块,二个α150型交流伺服电机和内藏式脉冲编码器构成半闭环控制。OTC系统采用多微处理器模块结构,将微处理机、存储器、输入输出控制分别以插件板形式,连同相应模块化的软件一起构成功能模块。
    1.CNC管理插补模块
    管理和组织整个CNC系统工作过程的功能,如系统初始化,中断管理,总线裁决,系统出错识别和处理,系统软、硬件诊断等。工件程序在模块中进行编码、刀具半径补偿、坐标位移量计算和进给速度处理等插补前的预处理。然后进行插补计算,为各个坐标轴提供位置给定值。
    2.位置控制模块
    比较插补后的坐标位置给定与位置编码器所检测到的实际值,进行自动加减速,比例积分增益调节,给出速度给定值作为伺服放大器的指令值去驱动伺服电机。
    3.PC模块
    由机床来的信号在此模块中作逻辑处理,经PMC软件程序扫描处理与NC接口信号交换信息状态,实现各功能和操作方式之间的联锁。
    4.数据输入输出显示模块
    操作和控制零件程序、参数数据、各种操作命令的输入输出、显示各种接口电路信号的状态。
    5.存储器模块
    存储程序和数据。系统中有4KM字节存储空间,全部零件加工程序和系统的工作参数存放在有后备电池的CMOS RAM中。
    二、PMC控制软件及设计调试方法
    在CRT上可以动态显示PMC程序并实时监测运行状态。选用PMC一L、C7I/0板,按照设计的电气原理图连接机床控制面板和辅助操作台信号,把机床的I/0点信号送入PMC的I/0接口板。分配好I/0地址表、PLC数据表。程序中用到的地址有R(内部继电器)、T(定时器)、C(计数器)、F(CNC→PMC)、G(PMC→CNC)、X(PMC输入)、Y(PMC输出)。根据该立车机械、液压、电气、数控的结构特点,绘制控制流程图。按照一定的逻辑关系进行编程,程序除满足机床逻辑控制,互锁保护外,用最少的步数、最短的顺序处理时间和易于理解的逻辑关系编程。在计算机上安装FAPT Madder PMC软件,用RS232接口与OTC串口连接。将存储在计算机中的顺序程序传送至OTC RAM插板中,然后执行之。在OTC PMC监控下检查各顺序控制逻辑,以便发现错误。在PC的Madder软件上修改程序,然后传送到RAM插板中,直至各种部件逻辑动作正确为止。最后,采用FANUC编程机将调试好的程序固化在EPROM中,再将EPROM插在存储板上,在系统上电过程中将程序加载到RAM中。
    三、数字式交流伺服闭环控制
    FANUC OTC数控伺服进给系统中的电流环、速度环、位置环的反馈控制全部数字化,伺服的矢量控制模型和动态补偿均由高速微处理器及控制软件进行实时处理,采样周期只有零点几毫秒。由软件进行数字的PID控制算式处理,优化调节。软件伺服比硬件伺服更灵活,算法结构和参数均可以改变,因此可以获得比硬件伺服更好的动、静态性能。
    OTC位置伺服应用了现代控制理论,在位置环中采用前馈与反馈结合的复合控制,实现高精度和高速度,在理论上完全消除系统的静态位置误差、速度与加速度误差,即实现完全的“无差调节”。
    OTC位置伺服具有如下特殊功能。
    1.停止时振荡压缩功能
电机不转动停止时,很小的偏差扰动会被速度环的比例增益放大,可能产生微小移动,由速度反馈作用产生一个反向转矩,若它大于机床的摩擦力矩,会使电机不停地来回摆动。为了抑制这种摆动,必须从速度环的比例分量中扣除电机反向产生的速度反馈脉冲,N脉冲振荡压缩功能扣除了转矩的比例分量,因而消除了电机的摆动。设定参数:8103位4=1,将N脉冲振荡压缩功能生效,8174设定压缩电平。
    2.250tts加速反馈功能
    加速反馈功能是利用电机速度的反馈信号乘以反馈增益,对速度和加速度指令值进行差值计算,补偿转矩命令,从而控制速度环的振荡。该功能在摆动频率为150Hz以下时特别有效,但是若加速反馈的增益太大,在加减速期间会出现异常响声和振荡。为解决此问题,应降低增益的绝对值。设定参数:8106位4=1加速反馈功能生效,8176设定加速反馈值,参数值设为负值。
    3.机械速度反馈功能
    机床的速度反馈功能可以把机床本身的速度加到闭环的速度控制中,从而使位置环稳定。该功能是把机床速度反馈增益Ka,用于该反馈校正转矩命令。当Ka=1时,机床速度对转矩命令的校正值等于电机速度的校正值。设定参数:8112位1=1,机械速度反馈功能有效,8188设定反馈增益值。
    4.观测器功能
    当观测器的功能生效时,其估计速度作为速度控制回路的速度反馈。由于扰动转矩的影响而造成的实际电机速度中的高频分量(150Hz以上)可能会被速度环放大,从而使整个系统以高频而振荡。用观测器的输出作为速度反馈可以消除实际电机速度中的高频分量。将相位滞后小的低频分量反馈,可以减小速度环的高频振荡。设定参数:8103位1=1,使观测器功能有效,8147、8150、8151分别设定三个观测器系数。
    5.超调补偿功能(图1) 
    当NC系统发出1个脉冲命令,由于此时位置反馈和速度为。,命令脉冲乘以位置增益Kp后产生速度指令值VCMD,由于机床导轨摩擦力的影响,电机并不立即转动,积分对VCMI,指令累计,当该值产生的转矩足以克服机床的摩擦力矩时,电机转动由于位置反馈的作用,MCMD与位置反馈值相等时,使得VCMD为零。电机开始移动时的转矩TCMD 1大于机床的静态摩擦转矩。当电机移动了一个脉冲的当量后,转矩命令变为TCMD2,若TCMD2少于动摩擦时电动机转动一个脉冲当量后应当停止;但若TCMD2大于动摩擦时,电动机不会停止而产生超调,超调补偿是避免出现上述超调现象的功能。设定参数:8103位6=1,使超调补偿功能有效,8145设定速度环分离积分增益,8177设定超调补偿计数值。

    6.前馈控制功能
    当前馈量加大时,可使由伺服系统产生的跟随误差所引起

时机床加、减速的冲击误差也增大。但是若运动命令的加减速时间常数增加(变大)的话,可以允许加大a值。总之,前馈控制功能在插补前加减速可进一步降低轮廓误差。设定参数:8105位1=1,前馈控制功能有效,8168设定前馈系数,8169设定速度环前馈系数。
    伺服参数的设置在调试中通过试验或计算可以获得,当机床负载惯量很大且不明确时,可设参数IDINT = 0对伺服系统进行优化,使机床在速度范围内稳定运行。采用α150型交流伺服电机的静转矩为150N•m,额定转速为2000r/min,在实际运行时电流在20~30A之间,说明所选电机与实际的负载相匹配,但今后还需要在实际中不断学习并积累调试经验,使电机的动、静态特性趋于最佳。
    四、西门子SIMOREG 6RA70主轴驱动系统
    7.1m立车主电机为l00kW、380V、273A、1000/1800r/min,If=6.6A,Uf = 220V,选用400A的可控硅整流装置SIMOREG6RA70。主电路、励磁电路均有进线电抗器和快速熔断器。6RA70接口控制信号有:控制使能(38端子),启动/停止(37端子),装置故障(46端子),装置准备好(48端子),主回路上电确认(110与109端子)。SIMOREG6 RA70整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置,采用传统的速度电流双闭环调节系统和逻辑无环流可逆方式。为给可调速直流电机的电枢和励磁供电,电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能由两片高效微处理器控制软件通过参数构成的程序模块来实现。电枢回路中的调节功能有:转速给定值,转速实际值,斜坡函数发生器,带有自适应调节的速度控制器,电流调节,移相触发电路,转矩限幅等。其中调节器的控制规律为PI特性。通常的移相过程是计算出移相角或对应移相起点的延迟时间,再由定时器和输出器形成相角可控的触发脉冲,然后由双脉冲发生电路形成触发可控硅所要求的双脉冲,同时实现无环流逻辑的脉冲切换和封锁功能。励磁回路调节功能:EMK调节器,励磁电流调节器。
    6RA70的自优化功能可通过P51参数设定,分别对电流调节器、转速调节器、励磁调节器进行优化;自动测取用于转速调节器预控制器的摩擦和惯性转矩补偿量;自动测取与EMK有关的弱磁控制的磁化性曲线和在弱磁工作时对EMK调节器的自动优化。通过优化和调整参数达到装置与电机及负载之间的较佳匹配。6RA70的监控与诊断功能可通过操作面板修改所有的参数。内外部控制信号经过光电祸合器和接口电路保证电隔离,提高抗干扰能力。励磁回路采用电流反馈的闭环调节器,以保证励磁电流稳定,同时可对电机的励磁特性进行测量,以实现最佳弱磁升速特性。通过开关量输入输出信号与控制系统进行联锁逻辑控制,通过整体调试完成对主轴电机调速的最佳控制。
    五、欧姆龙C200HE PLC完成机床电器控制
    按设计的电器原理图,装配了四个电器控制柜。欧姆龙C200HE PLC CPU上带有RS232接口,用SYSMAC支持CPT编程软件的计算机与C200HE连接,进行在线调试。
    主轴换挡机构由三个电磁阀控制二个油缸,分别推动两个齿轮组上下移动,每组齿轮有上下两个位置,4挡转速。在主轴箱内安装有4个挡位确认开关。压力继电器检测换挡液压压力。主轴换挡的控制过程是在PLC中实现的。PLC接受到换挡命令,先检查主轴电机是否处于停止状态,在6RA70主轴驱动系统上有主轴电机停转信号,只有在主轴电机停止时,才允许主轴变挡。为使主轴正常换挡,机床控制系统通电时,PLC就扫描主轴挡位开关,用中间标志位记录“当前挡位”。PLC接受的换挡命令后与“当前挡位”信号比较,如果不同,启动换挡有效信号,根据目标挡位,相应的换挡电磁阀推动相应的齿轮运动。同时,启动6RA70开关量输入“变挡适应信号”,设置摆动频率,使齿轮在摆动中啮合。PLC检测相应的挡位开关是否生效,如果生效,说明换挡齿轮啮合到位,同时点亮相应挡位指示灯,说明换挡完成。换挡完成后自动转到齿轮箱润滑。
    有近150个机床电器控制信号连接到C200HE PLC输入输出单元,由PLC程序完成强电逻辑控制,新配制的四个控制柜采用西门子电器控制元器件,提高了机床电器控制系统的可靠性。重新制作了主操作台和操作吊钮盒。机械和液压系统也进行了大修。
    六、刀架电气驱动系统改造
    数控机床的性能在很大程度上取决于伺服驱动系统的性能,如机床的最高运行速度、跟踪精度、定位精度等重要指标均取决于伺服驱动系统的动、静态特性。该大型数控立车原采用老式可控硅直流驱动系统,性能差且不稳定,经常出问题。采用西门子的直流驱动系统进行替换改造。用两套SIMODRIVE6RA26(V3)进给伺服驱动系统驱动中心刀架进给轴,由欧姆龙C200HE PLC完成这两套装置的接口控制。
    V3系统是三相桥式无环流可控硅直流调速系统。为了保证直流电动机的调速精度和限制电枢电流的冲击,采用自适速度控制及转速与转矩有关的限流控制,使其能与直流电动的转速一转矩特性曲线相匹配,保证系统具有最佳的加速和动的时间特性。在电动机启动或制动过程中,电动机转矩和枢电流急剧增加,电枢电流达到限定值时,使电动机以最大转加速,转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超过了给定时,速度反馈电压大于速度给定电压,速度调节器的输出将退饱和,从限幅值降下来,它作为电流调节器的输入给定值将使枢电流下降,随之电动机的转矩也将下降,开始减速;当电动的转矩小于负载转矩时,电动机又会加速,直到重新回到速度定值。V3系统速度控制加限流控制的方案与过去常用的双控制相比较,由于没有电流环的串联控制,减少了环节的延主加速了系统的响应速度。
    7.1m数控立车技术改造后,机床运行稳定可靠、操作简实用。通过试件加工,产品质量完全符合要求。   

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