摘要： 以羅升ELMO 多軸控制器在魚(yú)尾切溝機(jī)的應(yīng)用介紹了多軸控制器在切槽設(shè)備的應(yīng)用，介紹了CAN 總線控制方式的優(yōu)點(diǎn)，以及伺服電機(jī)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)性能的改進(jìn)。 關(guān)鍵字： 羅升伺服電機(jī)、總線系統(tǒng)、穩(wěn)定性、Elmo 一、魚(yú)尾切溝機(jī)介紹 魚(yú)尾切溝機(jī)是一類精密的產(chǎn)業(yè)機(jī)械（圖1），生產(chǎn)鉆針和銑刀，用于精密PCB 和BGA 要求高精度，要求高精度以及低速度下的穩(wěn)定性。X 、Y 、Z三軸是用作加工 Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，刀料夾在Z 軸做旋轉(zhuǎn)， X、Y 軸為刀料坐，每次加工中通過(guò)X、Y 軸的反復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成刀料在不同的位置被砂輪研磨，以使刀具成型。X1、 Y1 軸的作用是控制料盤處于不同位置。X1左右，Y1上下。通過(guò)X1，Y1的移動(dòng)，保證取料的順序。各軸 要求轉(zhuǎn)速不高，基本在200rpm以下（不加減速機(jī)）X、Y、X1、Y1 軸的絲杠長(zhǎng)度為X: 180mm ；Y: 200mm ； X1：200mmY1：250mm。 [align=center] 圖1 魚(yú)尾切溝機(jī)[/align] 二、切溝機(jī)電氣配置方案 [align=center] 圖2 切溝機(jī)電氣配置方案[/align] 圖2所示新電氣方案使用羅升HITECH 人機(jī)界面+軸控制器（羅升ELMO Maestro）＋羅升Elmo 伺服（Basoon）5 臺(tái) 構(gòu)架。其中在多軸控制器上擴(kuò)展Wago公司的支持CAN 總線DS401 協(xié)議的輸出模塊（共16 個(gè)輸出點(diǎn)）。HMI仍然使用羅升HITECH 型號(hào)3261 10.5寸。 三、新方案的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn) 1）電源系統(tǒng) 羅升ELMO Basoon-5/230 內(nèi)部?jī)?nèi)置濾波器，回升電阻等，可極大的包括驅(qū)動(dòng)器的壽命，它可以屏蔽從工廠電網(wǎng)傳輸過(guò)來(lái)的各種電壓波動(dòng)，確保供給穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)內(nèi)置回升電阻，確保吸收驅(qū)動(dòng)器在高頻率啟停時(shí)電機(jī)的回饋電壓。同時(shí)該驅(qū)動(dòng)器符合UL、CE 認(rèn)證。 2）總線系統(tǒng) 采用目前歐洲流行的CANOPEN 總線，CANOPEN 總線是目前應(yīng)用在伺服系統(tǒng)最多的總線，以其傳輸數(shù)據(jù)的高速性和穩(wěn)定性著稱，而MAESTRO 與ELMO 驅(qū)動(dòng)器之間通訊協(xié)議是以DS402（專為運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)的CAN 協(xié)議）為基礎(chǔ)的特殊的ELMO 自己的協(xié)議，這樣就使得ELMO的驅(qū)動(dòng)器與CAN通訊協(xié)議結(jié)合得更加完美，所以ELMO產(chǎn)品并不僅僅是一款符合CAN通訊的伺服驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)我們的語(yǔ)言，控制方式，和網(wǎng)絡(luò)都是符合ELMO 特色的產(chǎn)品。 3 ）控制器（羅升ELMO MAESTRO） MAESTRO 是ELMO 的控制類產(chǎn)品，它向上兼容以太網(wǎng)，RS232,通訊協(xié)議，內(nèi)部使用摩托羅拉32 位DSP處理芯片，和微軟WINCE系統(tǒng)，內(nèi)置64 兆硬盤（豐富的存儲(chǔ)空間），向下兼容CAN 網(wǎng)絡(luò)（DS301,DS402,ELMO 協(xié)議），可控制多大256 軸，同時(shí)ELMO 協(xié)議，發(fā)送一組數(shù)據(jù)單元的時(shí)間僅為200 微秒，同時(shí)在MAESTRO、ELMO 之間含有ELMO 特制的CALLBACK 功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同時(shí)極大的減小了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。同時(shí)MAESTRO可使用以太網(wǎng)，方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)。同時(shí)內(nèi)置可編程I/O，并可自由編程，控制。 4）伺服系統(tǒng) 目前羅升ELMO 系統(tǒng)以其出眾的穩(wěn)定性，超小的體積，強(qiáng)大的功能，已經(jīng)為中國(guó)很多軍工院所，醫(yī)療機(jī)械廠家，多軸聯(lián)動(dòng)的廠家所采用，且得到很高的評(píng)價(jià)。 羅升ELMO 伺服采用以速度環(huán)衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)的PIP 控制，使得調(diào)試更加簡(jiǎn)單，內(nèi)置64 組PID 確保全速率下平穩(wěn)高速的運(yùn)行，同時(shí)高速位置環(huán)采樣時(shí)間（240 微秒）、速度環(huán)采樣時(shí)間（120微秒）又使得定位更加精準(zhǔn)，速度波動(dòng)更加平穩(wěn)，同時(shí)內(nèi)置5 組濾波器，同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FFT（快速傅麗葉變換）得到系統(tǒng)共振點(diǎn)，減小系統(tǒng)共振，并可在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)置平滑系數(shù)，減小系統(tǒng)沖擊。并采用載波頻率為22K 的開(kāi)關(guān)期間，使得伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)到伺服電機(jī)的電流特性更佳。 5）配線優(yōu)點(diǎn) CAN BUS 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可極大減少電控箱內(nèi)配線，使得系統(tǒng)弱電信號(hào)的干擾降到最低。 6）系統(tǒng)搭配 整套系統(tǒng)均為羅升合作伙伴以色列ELMO 公司設(shè)計(jì)，以色列生產(chǎn)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)，且均為同一公司生產(chǎn)制造，所以不存在任何兼容問(wèn)題，可使整套系統(tǒng)達(dá)到無(wú)縫對(duì)接。而且MAESTRO與ELMO SIMPLIQ 內(nèi)控制方法，控制語(yǔ)言，具有對(duì)接性強(qiáng)，傳承性，這是采用不同公司控制產(chǎn)品所不能比擬的。 7）提高速度 由于已經(jīng)在歐洲普遍應(yīng)用，所以MAESTRO 內(nèi)部亦含有非常豐富的功能，將運(yùn)動(dòng)控制發(fā)揮到極致。決定系統(tǒng)速度的有很多因素，有控制方法的優(yōu)化，伺服電機(jī)的性能等，而控制方法的優(yōu)化很大程度取決于系統(tǒng)編程思路的開(kāi)放性，而目前ELMO 在這方面可謂是極大的開(kāi)放，只要你有思路，就可以通過(guò)MAESTRO 來(lái)完成。也就是MAESTRO 內(nèi)部有很多控制模式PT,PVT,ECAM等等，所以我們只需要選擇我們所需要的功能，即可實(shí)現(xiàn)我們所需要的功能。 8）提高精度 系統(tǒng)精度，系統(tǒng)的精度取決于幾個(gè)因素，電機(jī)反饋精度，機(jī)械情況，應(yīng)用ELMO 系統(tǒng)可以通過(guò)各種分析對(duì)我們的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行分析，對(duì)我們提高系統(tǒng)的剛度，降低共振造成的不良影響。同時(shí)因?yàn)镋LMO 系統(tǒng)的高速的位置環(huán)采樣時(shí)間，和高速的CAN 網(wǎng)絡(luò)傳遞速度，可以很大的提高我們的系統(tǒng)速度，舉例：MAESTRO 知道伺服電機(jī)的運(yùn)行位置的時(shí)間為，240 微妙（伺服位置環(huán)刷新時(shí)間）+200 微妙（CAN 網(wǎng)絡(luò)PDO 傳遞數(shù)據(jù)時(shí)間），即400微秒就可以完成該功能。 9）系統(tǒng)穩(wěn)定性 ELMO 公司MAESTRO 采用PC BASED 框架，內(nèi)部各芯片均采用成熟芯片（包括CPU，CAN 網(wǎng)絡(luò)芯片），ELMO 伺服驅(qū)動(dòng)器采用FASST（FAST AND SOFT SWITCH SWITCHTECHNOLOGY）很大程度上減小了系統(tǒng)的熱損等。 四、結(jié)論 1. 本文所述的設(shè)備是切溝研磨設(shè)備，上圖中為生產(chǎn)的最終產(chǎn)品。在進(jìn)行工藝了解時(shí)，首先要對(duì)最終產(chǎn)品研究，以確定初期選型的方案。例如客戶產(chǎn)品為魚(yú)尾銑刀以及鉆針，看似很復(fù)雜的產(chǎn)品，在與公司生產(chǎn)部進(jìn)行討論研究后，銑刀以及鉆針的詳細(xì)生產(chǎn)工藝如下： a． 銑刀 銑刀工藝比較簡(jiǎn)單，加工相對(duì)于銑刀比較粗，料直徑>1mm。旋轉(zhuǎn)軸與直線運(yùn)動(dòng)的合成，關(guān)鍵問(wèn)題在于分刃，以及左旋右選的合成，每刀采用的是PTP運(yùn)動(dòng)，斜度是由Y 軸的PVT曲線合成。 b． 鉆針 鉆針工藝比較復(fù)雜，加工比較精細(xì)，料直徑<0.45mm。最小直徑的是0.15mm。包括單段式以及三段式，單段里面首先是切主溝2 刀，在主溝完成后需要切邊刀，邊刀與主溝之間旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，然后進(jìn)行邊刀切割，邊刀與切溝之間有韌帶是工藝上的難點(diǎn)。韌帶的作用是在鉆針工作的時(shí)候鉆動(dòng)的主力，相當(dāng)于刀的開(kāi)刃，因此非常重要，每個(gè)鉆針必須有韌帶，并且韌帶要與主溝平行。 2. 對(duì)工藝熟悉后判斷現(xiàn)有產(chǎn)品是否能滿足工藝生產(chǎn)要求并根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行電氣配置選型客戶以前的配置是 HMI + 研華工控機(jī) + 研華運(yùn)動(dòng)控制卡 + 5臺(tái)東方步進(jìn)電機(jī)，客戶希望HMI的程序不做改動(dòng)，以現(xiàn)有產(chǎn)品提出新方案 羅升HMI + 羅升ELMO Maestro + 5 臺(tái)羅升ELMO 伺服。由于Maestro的輸出點(diǎn)只有8 個(gè)，驅(qū)動(dòng)器的輸出點(diǎn)2個(gè)/臺(tái)，共10個(gè)，但是客戶需要26 個(gè)輸出點(diǎn)，因此選擇支持CANopen協(xié)議的WAGO擴(kuò)展輸出點(diǎn)，輸入點(diǎn)需要10 個(gè)，Maestro以及驅(qū)動(dòng)器上的輸入點(diǎn)夠用。 3. 根據(jù)工藝，在HMI上以及各個(gè)設(shè)備上從新規(guī)劃I/O 根據(jù)Maestro與HMI 的協(xié)議，在HMI 上從新定義按鈕，數(shù)值顯示，數(shù)值輸入輸出等。此規(guī)劃要在后續(xù)的程序編寫(xiě)中應(yīng)用。 4. 配電盤制作 由于客戶對(duì)我們的產(chǎn)品不熟悉，只是對(duì)以前的工控機(jī)接線方式比較熟悉，所以需要我們自己制作配電盤。根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃好的各個(gè)設(shè)備上的輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行接線。要盡量與之前工控機(jī)的接線方式保持一致。把原點(diǎn)開(kāi)關(guān)放在每個(gè)驅(qū)動(dòng)器上，其它的輸入輸出為了編程方便以及響應(yīng)快，放在Maestro以及WAGO 的擴(kuò)展輸出上。驅(qū)動(dòng)器與Maestro的接線方式是不一樣的，需要接電阻值也不相同。在接線的時(shí)候首先做測(cè)試，把24V 電源與輸出，輸入分別測(cè)試，如果輸入能夠被檢測(cè)到，或者輸出能夠被控制，則證明接線正確，再做完整的接線工作。 [align=center] 圖3 加工產(chǎn)品結(jié)果[/align] 5. 調(diào)試驗(yàn)收是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中最關(guān)鍵的階段，考驗(yàn)程序是否可靠就在這個(gè)階段，與編寫(xiě)程序相同，從簡(jiǎn)單的手動(dòng)運(yùn)行開(kāi)始，然后是空車銑刀運(yùn)行，然后是空車鉆針運(yùn)行。接下來(lái)是銑刀實(shí)際加工，銑刀連續(xù)加工，鉆針實(shí)際加工，鉆針連續(xù)加工。 驗(yàn)收中遇到很多問(wèn)題，基本屬于加工工藝問(wèn)題，總結(jié)如下： a． JOG 過(guò)程 以前認(rèn)為JOG過(guò)程不重要但是經(jīng)過(guò)客戶實(shí)際介紹，JOG 的響應(yīng)是否快，是否準(zhǔn)確是影響加工的非常主要的一個(gè)過(guò)程，在對(duì)刀的過(guò)程中需要使用到JOG，要求在低速下響應(yīng)快，如果不能加快響應(yīng)速度的話在對(duì)刀的時(shí)候，Y 軸很容易會(huì)撞到砂輪，造成損失。解決的方法是在軸相選擇時(shí)把掃描油壓輸出的過(guò)程去除，這樣就能保證了JOG 時(shí)候的程序執(zhí)行速度，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)響應(yīng)。 b． 回原點(diǎn)過(guò)程，連續(xù)回原點(diǎn)與單獨(dú)回原點(diǎn)。在開(kāi)機(jī)后回原點(diǎn)過(guò)程，連續(xù)回原點(diǎn)，總是Y 軸與實(shí)際運(yùn)動(dòng)不符，原因是回原點(diǎn)的設(shè)置不正確，在進(jìn)行設(shè)置改動(dòng)后，回原點(diǎn)過(guò)程完成。 c． 急停邏輯也增加了很多，急停按下后要完成的動(dòng)作Y 軸后退防止撞砂輪。手臂邏輯以及換刀座邏輯，砂輪停止，切削液停止等，這些邏輯是在實(shí)際操作中根據(jù)客戶要求增加。 d． 在加工銑刀時(shí)候，由于最初對(duì)切溝角的計(jì)算錯(cuò)誤，使X 軸與Z 軸的合成曲線實(shí)際位置錯(cuò)誤。在實(shí)際加工出的表現(xiàn)為切溝角錯(cuò)誤，從新計(jì)算了切溝角，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果從新規(guī)劃X 軸與Z軸的合成曲線，即Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)的距離與X 軸的走過(guò)的距離，即溝長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)。問(wèn)題得以解決。 e． 參數(shù)存儲(chǔ)問(wèn)題 參數(shù)在加工后做到實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。由于Flash 的擦寫(xiě)次數(shù)有限，因此要做到實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，必須次數(shù)要少，在需要的時(shí)候存儲(chǔ)。把存儲(chǔ)的位置加在每次自動(dòng)運(yùn)行停止之后，減少了存儲(chǔ)次數(shù)，并做到了實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。 f． 偏移量改變輸入。改變偏移量輸入時(shí)做到輸入的數(shù)據(jù)加在原有的數(shù)據(jù)上面。方便加工中調(diào)整，防止輸入錯(cuò)誤。這個(gè)功能在HMI上寫(xiě)宏指令實(shí)現(xiàn)。 g． 鉆針加工工藝在抬刀的時(shí)候要提前抬刀，防止后端吃刀過(guò)深，回使鉆針在使用中容易斷裂。因此在程序中加提前抬刀過(guò)程，效果比較好。 h． 鉆針加工中會(huì)在切溝或者是邊刀中會(huì)有鈍刀的現(xiàn)象，在監(jiān)視電機(jī)運(yùn)行曲線時(shí)候發(fā)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行是非常平穩(wěn)的，并沒(méi)有停頓現(xiàn)象，實(shí)際更換砂輪后，鈍刀現(xiàn)象消失。 i． 最終我們羅升電氣部分已經(jīng)完成，程序也經(jīng)歷了考驗(yàn)。但是在測(cè)試0.2mm 料的時(shí)候一直不是理想，監(jiān)視電機(jī)曲線，沒(méi)有問(wèn)題，與客戶達(dá)成一致，是機(jī)械或者是料的問(wèn)題，也得到客戶的認(rèn)可。