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罗升ELMO 多轴控制器在鱼尾切沟机中的应用
    摘要: 以罗升ELMO 多轴控制器在鱼尾切沟机的应用介绍了多轴控制器在切槽设备的应
用,介绍了CAN 总线控制方式的优点,以及伺服电机对于步进电机性能的改进。

    关键字: 罗升伺服电机、总线系统、稳定性、Elmo

一、鱼尾切沟机介绍

鱼尾切沟机是一类精密的产业机械(图1),生产钻针和铣刀,用于精密PCB 和BGA 要
求高精度,要求高精度以及低速度下的稳定性。X 、Y 、Z三轴是用作加工 Z轴为旋转轴,
刀料夹在Z 轴做旋转, X、Y 轴为刀料坐,每次加工中通过X、Y 轴的反复运动,完成刀料
在不同的位置被砂轮研磨,以使刀具成型。X1、 Y1 轴的作用是控制料盘处于不同位置。X1左右,Y1上下。通过X1,Y1的移动,保证取料的顺序。各轴 要求转速不高,基本在200rpm以下(不加减速机)X、Y、X1、Y1 轴的丝杠长度为X: 180mm ;Y: 200mm ; X1:200mmY1:250mm。


图1 鱼尾切沟机

二、切沟机电气配置方案


图2 切沟机电气配置方案

    图2所示新电气方案使用罗升HITECH 人机界面+轴控制器(罗升ELMO Maestro)+
罗升Elmo 伺服(Basoon)5 台 构架。其中在多轴控制器上扩展Wago公司的支持CAN 总线DS401 协议的输出模块(共16 个输出点)。HMI仍然使用罗升HITECH 型号3261 10.5寸。

三、新方案的特点及优点

1)电源系统

    罗升ELMO Basoon-5/230 内部内置滤波器,回升电阻等,可极大的包括驱动器的寿命,它可以屏蔽从工厂电网传输过来的各种电压波动,确保供给稳定的直流电压,同时内置回升电阻,确保吸收驱动器在高频率启停时电机的回馈电压。同时该驱动器符合UL、CE 认证。

2)总线系统

    采用目前欧洲流行的CANOPEN 总线,CANOPEN 总线是目前应用在伺服系统最多的总
线,以其传输数据的高速性和稳定性著称,而MAESTRO 与ELMO 驱动器之间通讯协议是以DS402(专为运动控制开发的CAN 协议)为基础的特殊的ELMO 自己的协议,这样就使得ELMO的驱动器与CAN通讯协议结合得更加完美,所以ELMO产品并不仅仅是一款符合CAN通讯的伺服驱动器,同时我们的语言,控制方式,和网络都是符合ELMO 特色的产品。

3 )控制器(罗升ELMO MAESTRO)

    MAESTRO 是ELMO 的控制类产品,它向上兼容以太网,RS232,通讯协议,内部使用摩
托罗拉32 位DSP处理芯片,和微软WINCE系统,内置64 兆硬盘(丰富的存储空间),向下兼容CAN 网络(DS301,DS402,ELMO 协议),可控制多大256 轴,同时ELMO 协议,发送一组数据单元的时间仅为200 微秒,同时在MAESTRO、ELMO 之间含有ELMO 特制的
CALLBACK 功能,确保数据传输的实时性,同时极大的减小了网络负载率。同时MAESTRO可使用以太网,方便的实现远程维护。同时内置可编程I/O,并可自由编程,控制。

4)伺服系统

    目前罗升ELMO 系统以其出众的稳定性,超小的体积,强大的功能,已经为中国很多军工院所,医疗机械厂家,多轴联动的厂家所采用,且得到很高的评价。

    罗升ELMO 伺服采用以速度环卫标准的PIP 控制,使得调试更加简单,内置64 组PID 确
保全速率下平稳高速的运行,同时高速位置环采样时间(240 微秒)、速度环采样时间(120微秒)又使得定位更加精准,速度波动更加平稳,同时内置5 组滤波器,同时可以对系统进行FFT(快速傅丽叶变换)得到系统共振点,减小系统共振,并可在驱动器内部设置平滑系数,减小系统冲击。并采用载波频率为22K 的开关期间,使得伺服驱动器发到伺服电机的电流特性更佳。

5)配线优点

CAN BUS 对系统进行控制,可极大减少电控箱内配线,使得系统弱电信号的干扰降到
最低。

6)系统搭配

整套系统均为罗升合作伙伴以色列ELMO 公司设计,以色列生产,符合欧洲标准,且均
为同一公司生产制造,所以不存在任何兼容问题,可使整套系统达到无缝对接。而且MAESTRO与ELMO SIMPLIQ 内控制方法,控制语言,具有对接性强,传承性,这是采用不同公司控制产品所不能比拟的。

7)提高速度

由于已经在欧洲普遍应用,所以MAESTRO 内部亦含有非常丰富的功能,将运动控制发
挥到极致。决定系统速度的有很多因素,有控制方法的优化,伺服电机的性能等,而控制方法的优化很大程度取决于系统编程思路的开放性,而目前ELMO 在这方面可谓是极大的开放,只要你有思路,就可以通过MAESTRO 来完成。也就是说MAESTRO 内部有很多控制模式PT,PVT,ECAM等等,所以我们只需要选择我们所需要的功能,即可实现我们所需要的功能。

8)提高精度

系统精度,系统的精度取决于几个因素,电机反馈精度,机械情况,应用ELMO 系统可
以通过各种分析对我们的系统应用进行分析,对我们提高系统的刚度,降低共振造成的不良影响。同时因为ELMO 系统的高速的位置环采样时间,和高速的CAN 网络传递速度,可以很大的提高我们的系统速度,举例:MAESTRO 知道伺服电机的运行位置的时间为,240 微妙(伺服位置环刷新时间)+200 微妙(CAN 网络PDO 传递数据时间),即400微秒就可以完成该功能。

9)系统稳定性

ELMO 公司MAESTRO 采用PC BASED 框架,内部各芯片均采用成熟芯片(包括CPU,CAN 网络芯片),ELMO 伺服驱动器采用FASST(FAST AND SOFT SWITCH SWITCH
TECHNOLOGY)很大程度上减小了系统的热损等。

四、结论

1. 本文所述的设备是切沟研磨设备,上图中为生产的最终产品。在进行工艺了解时,首先要对最终产品研究,以确定初期选型的方案。例如客户产品为鱼尾铣刀以及钻针,看似很复杂的产品,在与公司生产部进行讨论研究后,铣刀以及钻针的详细生产工艺如下:

a. 铣刀 铣刀工艺比较简单,加工相对于铣刀比较粗,料直径>1mm。旋转轴与直线运动
的合成,关键问题在于分刃,以及左旋右选的合成,每刀采用的是PTP运动,斜度是
由Y 轴的PVT曲线合成。

b. 钻针 钻针工艺比较复杂,加工比较精细,料直径<0.45mm。最小直径的是0.15mm。
包括单段式以及三段式,单段里面首先是切主沟2 刀,在主沟完成后需要切边刀,边
刀与主沟之间旋转一个角度,然后进行边刀切割,边刀与切沟之间有韧带是工艺上的
难点。韧带的作用是在钻针工作的时候钻动的主力,相当于刀的开刃,因此非常重要,
每个钻针必须有韧带,并且韧带要与主沟平行。

2. 对工艺熟悉后判断现有产品是否能满足工艺生产要求并根据现有产品进行电气配置选型
客户以前的配置是 HMI + 研华工控机 + 研华运动控制卡 + 5台东方步进电机,客户希
望HMI的程序不做改动,以现有产品提出新方案 罗升HMI + 罗升ELMO Maestro + 5 台罗升ELMO 伺服。由于Maestro的输出点只有8 个,驱动器的输出点2 个/台,共10个,但是客户需要26 个输出点,因此选择支持CANopen协议的WAGO 扩展输出点,输入点需要10 个,Maestro以及驱动器上的输入点够用。

3. 根据工艺,在HMI上以及各个设备上从新规划I/O

根据Maestro与HMI 的协议,在HMI 上从新定义按钮,数值显示,数值输入输出等。此
规划要在后续的程序编写中应用。

4. 配电盘制作

由于客户对我们的产品不熟悉,只是对以前的工控机接线方式比较熟悉,所以需要我们
自己制作配电盘。根据已经规划好的各个设备上的输入输出点进行接线。要尽量与之前工控机的接线方式保持一致。把原点开关放在每个驱动器上,其它的输入输出为了编程方便以及响应快,放在Maestro以及WAGO 的扩展输出上。驱动器与Maestro的接线方式是不一样的,需要接电阻值也不相同。在接线的时候首先做测试,把24V 电源与输出,输入分别测试,如果输入能够被检测到,或者输出能够被控制,则证明接线正确,再做完整的接线工作。


图3 加工产品结果

5. 调试验收是项目开发中最关键的阶段,考验程序是否可靠就在这个阶段,与编写程序相
同,从简单的手动运行开始,然后是空车铣刀运行,然后是空车钻针运行。接下来是铣刀实际加工,铣刀连续加工,钻针实际加工,钻针连续加工。

验收中遇到很多问题,基本属于加工工艺问题,总结如下:

    a. JOG 过程 以前认为JOG过程不重要但是经过客户实际介绍,JOG 的响应是否快,是否准确是影响加工的非常主要的一个过程,在对刀的过程中需要使用到JOG,要求在低速下响应快,如果不能加快响应速度的话在对刀的时候,Y 轴很容易会撞到砂轮,造成损失。解决的方法是在轴相选择时把扫描油压输出的过程去除,这样就能保证了JOG 时候的程序执行速度,从而实现实时响应。

    b. 回原点过程,连续回原点与单独回原点。在开机后回原点过程,连续回原点,总是Y 轴与实际运动不符,原因是回原点的设置不正确,在进行设置改动后,回原点过程完成。

    c. 急停逻辑也增加了很多,急停按下后要完成的动作Y 轴后退防止撞砂轮。手臂逻辑以及换刀座逻辑,砂轮停止,切削液停止等,这些逻辑是在实际操作中根据客户要求增加。

    d. 在加工铣刀时候,由于最初对切沟角的计算错误,使X 轴与Z 轴的合成曲线实际位置错误。在实际加工出的表现为切沟角错误,从新计算了切沟角,并根据计算结果从新规划X 轴与Z轴的合成曲线,即Z轴转动过的距离与X 轴的走过的距离,即沟长的对应。问题得以解决。

    e. 参数存储问题 参数在加工后做到实时存储。由于Flash 的擦写次数有限,因此要做到实时存储,必须次数要少,在需要的时候存储。把存储的位置加在每次自动运行停止之后,减少了存储次数,并做到了实时存储。

    f. 偏移量改变输入。改变偏移量输入时做到输入的数据加在原有的数据上面。方便加工中调整,防止输入错误。这个功能在HMI上写宏指令实现。

    g. 钻针加工工艺在抬刀的时候要提前抬刀,防止后端吃刀过深,回使钻针在使用中容易断裂。因此在程序中加提前抬刀过程,效果比较好。

    h. 钻针加工中会在切沟或者是边刀中会有钝刀的现象,在监视电机运行曲线时候发现电机的运行是非常平稳的,并没有停顿现象,实际更换砂轮后,钝刀现象消失。

    i. 最终我们罗升电气部分已经完成,程序也经历了考验。但是在测试0.2mm 料的时候一直不是理想,监视电机曲线,没有问题,与客户达成一致,是机械或者是料的问题,也得到客户的认可。

  
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