数显回转工作台伺服改造

引言：

本文所涉的数显回转工作台有回转（C轴） 和轴向（X轴）两个运动轴，两个运动轴配置了一个两轴数显装置，用于显示X轴和C轴的位置。其中，C轴的位置检测元件为角度编码器，X轴的位置检测元件为直线光栅尺。X轴和C轴由同一台交流电动机驱动，具体驱动X轴或C轴由机械手柄切换不同的传动链来选择。机械传动链由普通齿轮齿条构成。由于这种机械传动结构和驱动方式，使得该设备存在一个很大的问题，那就是：尽管数显装置能准确地显示X轴和C轴的当前位置，但由于异步交流电动机较差的驱动控制性能，操作者不能使X轴和C轴快速准确地定位在所需要的目标位置上，给使用带来了很大不便。特别在需要多达上百个分度角度的应用场合，更是几乎无法加工任务。为了满足多分度角度使用场合的加工要求，需要将原来的驱动系统进行改造，使其具备伺服定位功能，能根据加工要求，准确快速地进行定位。

一、改造目标

根据实际的加工要求和操作方式，改造后的数显回转工作台应具有下列功能：

①能根据给定的位置指令值快速准确地进行定位；

②具备人机界面，用于输入位置指令及其它控制要求并反映当前设备状态；

③可编制输入简易的多分度定位程序，并可根据定位指令定位到给定位置；

④系统具有点动、增量、程序等多种工作方式；

⑤系统具有基本的停电位置记忆功能，即在受控的正常停电情况下，能够记忆当前的位置，记忆误差不超过位置传感器的单位分辨率；

⑥系统具有简单的手摇脉冲功能。

二、改造方案及系统配置

1、系统框图

整个控制系统以PLC为控制核心，触摸屏为人机界面，用于输入加工数据；C轴角度编码器和X轴直线光栅尺的位置信号、手摇脉冲信号、操作按钮和现场限位信号均输入到PLC；PLC根据人机界面输入的加工数据和输入的操作指令和位置反馈数据，通过控制程序运算输出，去控制伺服电机的运动，从而实现所需要的定位操作。

2、 控制平台 PLC

PLC是系统的控制核心，在本应用场合，控制器PLC必须满足下列条件：具有较高的运算速度，以保证较短PLC 扫描周期，提高位置控制精度；具有强大的浮点运算能力，以实现位置控制所需要的大量数据运算；应具有内置多轴定位功能，以实现定位控制；具有多通道高速计数器，以实现X轴和C轴的位置反馈输入；在硬件接口上，其高速计数接口应具有差分输入接口，以保证与原有的角度编码器和直线光栅尺输出接口相匹配；定位脉冲输出接口应为差分输出接口，以保证良好的抗干扰能力。在本案中，选用台达DVP-32EH00M3 PLC，该PLC能够满足上述条件。

3、伺服系统及定位控制

伺服系统是实现精确位置控制的必要条件。原系统采用交流电动机驱动，转动角度和移动距离可在数显表上显示。如果仅需要显示当前实际转动的角度或移动的距离，那么这种驱动方案是可以满足使用要求的。但在需要转动或移动到一个预先给定的位置时，由于普通交流电机可控性差及该设备机械传动链传递精度差，所以实际使用时操作者无法精确地将工作台移动到给定目标位置。所以必须用伺服电机替代原交流电机，以实现定位操作。综合考虑驱动性能、可靠性和经济性，选用性价比较高的台达伺服系统。

4、编码器、光栅尺与位置闭环控制

由于该设备X轴和C轴机械传动链精度很差，所以不能利用伺服电机内置的脉冲编码器采用半闭环的位置控制方案，而必须采用全闭环的位置控制方式。该设备原有的数显装置配置有位置传感器，X轴为直线光栅尺，C轴为角度编码器。在本案中，我们利用这两个传感器来构建全闭环位置控制系统。

为了实现这个目标，必须考虑下列技术条件：

①位置传感器的精度与分辨率。由于原数显装置的测量精度和分辨率能满足加工要求，所以在本次改造中也能满足要求；

②位置传感器的输出接口必须与PLC输入接口相匹配。X轴直线光栅尺和C轴角度编码器的信号输出接口为5V差分输出，PLC提供了两通道差分输入的高速计数器的输入接口，两者硬件接口匹配；

③位置传感器脉冲输出频率必须与PLC高速计数器最高计数频率相匹配。台达DVP-32EH00M3 PLC内置的高速计数器HHSC0和HHSC1最高计数频率为200KHZ。根据伺服电机的最高速度、传动链机械速比及位置传感器的分辨率计算得到，X轴直线光栅尺和C轴角度传感器的在设备最高速时的反馈脉冲频率均小于50KHZ，远小于PLC高速计数器200KHZ的最高频率。

5、人机界面与定位数据的输入

人机界面用于定位数据的输入及设备当前状态的显示。人机界面采用触摸屏，通过RS485接口与控制器PLC相连接。

6、手摇脉冲发生器与手摇脉冲移动功能

为了方便操作人员定位操作，特别在手动将工作台移动所需要位置的应用场合，设备需要具备手摇脉冲功能。在本案中，采用一个标准手摇脉冲发生器连接到PLC的高速计数器HHSC2的输入端。由于高速计数器HHSC2的输入接口不支持差分输入，所以选用了集电极开路输出的手摇脉冲发生器。另外，高速计数器HHSC2的最高计数频率为200KHZ，而手摇脉冲发生器的实际最高输出频率远低于200KHZ，两者可匹配。

7、开关量输入输出信号

操作指令、现场限位信号等开关量输入信号连接到PLC的开关量输入端。伺服驱动器的控制信号、工作台润滑电机和润滑电磁阀等开关量输出信号连接到PLC的开关量输出端。

三、关键技术

全闭环位置控制和手摇脉冲功能是本次改造的关键技术。

1、全闭环位置控制系统

在本案中，我们利用上述硬件配置构建了一个全闭环的定位控制系统。

① PLC位置伺服控制原理

图2就是我们构建的PLC位置伺服原理框图。 PLC根据定位参数（包括目标位置值和定位速度），发出给定数量的指令脉冲，控制器同时接受来自运动部件位置传感器的反馈脉冲，两者相比较得到跟踪误差△s，△s送入位置调节器。位置调节器其实是一个比例放大器，其作用是根据位置指令值与反馈位置的差值，通过比例运算，输出一个速度指令Ps。速度单元伺服驱动器接受来自位置调节器的速度指令，驱动伺服电机及运动部件运动。当指令脉冲总量与反馈脉冲总量相等时，跟踪误差△s=0，位置调节器输出Ps=0，伺服系统的速度指令也为0，定位完成。

②位置伺服的实现

台达DVP-32EH00M3 PLC提供了丰富的功能指令，特别在定位控制和高速脉冲输出方面更是具有较强大的功能。在本案中，我们采用其内置的绝对定位指令DDRVA和相对定位指令DDRVI来作为脉冲指令的发生指令。高速计数器C251和C252分别作为X轴和C轴的位置反馈计数器。比较环节由减法指令实现，DDRVA(I)指令对应的位置脉冲指令值当前值与高速计数器C251或C252当前值之差即为跟踪误差△s 。位置调节器是一个比例放大器，由乘法指令实现，其输出值Ps=△s*Kp，其中Kp为位置环增益。Kp值由调试时确定，在确保运行平稳无冲击的前提下，尽量大一些，以使定位时间缩短。位置调节器的输出Ps是伺服驱动器的速度指令，可通过可变速脉冲指令DPLSV在Y0/Y1上以脉冲串/方向的形式输出到伺服驱动器。当执行一个定位操作时，绝对定位指令DDRVA或相对定位指令DDRVI根据指令输入的速度值和位置值按一定的频率产生脉冲，同时其内部的位置脉冲寄存器当前值D1338、D1339指示出当前位置P1。高速计数器C251或C252接收来自现场光栅尺或编码器的脉冲，检测实际位置P2。两者的差值△s=P1-P2，为系统位置跟踪误差。位置调节器输出Ps=△s*Kp。Ps是可变速脉冲指DPLSV的速度方向输入值，DPLSV在Y0上输出的脉冲频率f与Ps成正比。在平衡状态下，驱动伺服电机的脉冲频率f正比于定位指令DDRVA或DDRVI的输入频率，该频率即为定位速度值。当定位指令DDRVA或DDRVI的定位脉冲全部完成时，P1不再变化，跟踪误差△s=P1-P2逐渐趋于0，当P1=P2时，可变速脉冲指令DPLSV的速度输入值为0，停止输出脉冲，电机停止，定位完成。

2、 手摇脉冲定位控制

图3是PLC手摇脉冲功能控制模型框图。在图中，可变频率脉冲发生指令DPLSV用于在Y0/Y1端输出定位脉冲，PLC内置的高速计数器C255将来自手摇脉冲发生器MPG的脉冲增量信号读入。

C255的计数值经过倍率运算后作为后续控制环节的指令值。该指令值与高速定位脉冲Y0的当前位置值进行比较形成跟踪误差，经比例放大后作为DPLSV指令的速度频率给定值。DPLSV指令根据该频率值发出定位脉冲，驱动伺服系统。当手摇脉冲发生器的位置指令与脉冲当前值相一致时，频率值D4=0，Y0脉冲停止，X轴也停止运动。如果手摇脉冲发生器转动速度较高，则位置指令与当前位置值差值较大，则速度频率值D4也较大，输出脉冲的频率和运动轴速度也较高。 轴运动距离取决于手摇脉冲发生器发出的脉冲数，轴运动速度取决于手摇脉冲发生器输出脉冲的频率，即其转动的速度。

四、控制软件编制

根据改造目标、操作方式及相关的要求，设备有JOG（手动）、INC（增量）、单一定位、程序定位和手摇脉冲移动五种工作模式。与此相对应，整个控制程序大致可分为7个功能模块，其中5个功能模块分别对应于5种工作模式，另2个功能模块为分度角度计算功能模块及伺服定位功能模块。伺服定位模块是核心关键模块，除了JOG（手动）模式之外，其余4种工作模式都需要调用该模块来实现操作功能。下面对一些主要程序功能块予以介绍。

1、伺服定位功能模块

该模块用于实现对于给定位置目标值的定位，我们根据4.1节所述的全闭环伺服位置控制原理及其实现方法，以指令形式体现出来。所涉及到的功能指令，有定位指令DDRVI、DDRVA，可变速脉冲指DPLSV令及四则运算指令等。限于篇幅，不能作详细介绍，仅将功能框图列出：当该程序块输入目标位置值、运动速度值并接受到激活指令后，执行该程序块指令。程序块输出脉冲指令Y0/Y1，以驱动伺服系统和运动部件，同时接收位置反馈值，判别定位是否完成。

2、手摇脉冲移动功能模块

手摇脉冲功能用于手动准确移动工件到目标位置，与JOG模式的点动动作相比，该操作功能可通过控制摇脉冲发生器发出的脉冲数来控制移动距离，所以手动定位操作更为方便。

当该程序块激活后，接受来自手摇脉冲发生器的脉冲，经过运算处理，在Y0/Y1上送出与输入脉冲频率和输入脉冲数成线性关系的定位脉冲及定位方向。倍率信号用于设置每个手摇脉冲对应的实际移动距离，在本案有X1、X10、X100三档。在本程序块中，涉及的功能指令有高速计数器指令、可变速脉冲指DPLSV令及四则运算指令等。

手摇脉冲定位功能并不是全闭环控制定位，同时本设备的机械传动精度又较差，所以每个手摇脉冲的移动距离与实际的移动距离有一定误差。在这里，我们是利用了手摇脉冲功能的移动可控性，实际的定位操作需依靠人机界面上显示的实际位置来帮助定位。

3、分度角度计算功能模块

本次改造的主要目的是多角度情况下实现自动分度定位。一般地，有多个不同等分角度区域；在一个等分区域，其角度分布是等分的。在多角度情况下，为了方便操作者输入分度数据，对于每个等分区域，系统只需要操作者输入起始角度值、结束角度值及等分数。本功能模块用于计算每个分度角度值，并将每个分度值存入指定寄存器区域。

4、主程序模块

在图7所示的主程序模块中，系统将根据操作者选择的操作模式，调用各对应的子程序（功能模块），为了节约篇幅，在这里采用类梯形图的表示方式。

五、人机交互画面

在本案中，为了方便操作和调试，共设置了监控画面、分度设置、分度明细、 设置帮助和调试设置等五个画面。图8和图9为两个主要画面。

结束语

该数显回转工作台经过改造后，极大地提高了精确定位方面的设备性能，X轴的定位精度和C轴的定位精度均能满足产品制造要求。系统提供了多种操作模式，极大地方便了操作。在分度数为200的实际工件加工中，设备的定位精度和可操作性得到了验证。该改造解决方案在类似的应用场合具有良好的借鉴意义。