高精度DMCS系統鉆孔機的設計*

張 星，陳菡菡，徐維雄，曹 勁，吳麗明

(1.湄洲灣職業技術學院，福建 莆田 351100；2.湄洲灣職業技術學校，福建 莆田 351254)

隨著科學技術的發展和機械產品的不斷更新，追求高質量、高效率、低損耗是各制造業的共同目標[1].為了保證產品質量和減輕工人勞動強度，制造業必須實現轉型升級，以提升制造業核心制造能力.鉆孔是一種常用的加工方法，在機加工各類場合中的運用比較廣泛，特別是隨著第二產業的發展，鉆孔加工設備智能化改造有巨大的市場[2].通過設備的技術改造，在同一臺機床上，將不同的加工技術集中在一起，從而完成復合式、集約式的加工方式，是未來機床智能化發展的重要趨勢之一[3].因此，設計基于DMCS控制系統的高精度自動鉆孔機具有積極的現實意義.

1 系統的總體概述

1.1 系統整體框架

利用伺服驅動器控制電機的X，Y，Z軸3個方向，從而提升系統的加工定位精度[4].通過DMP示教方式對程序文件進行編輯，再結合控制手柄的使用，可以提升系統的易用性.采用大力矩的電機，能確保在加工過程中不失步，從而保證加工的連續性和可靠性.系統運行的具體流程如圖1所示.

圖1 系統運行流程Fig.1 Flow Chart of System Operation

1.2 系統總電源電路設計

圖2示出了整機電源控制原理.

圖2 系統總電源原理Fig.2 Schematic Diagram System Total Power Supply

在給DMCS控制卡和變頻器供電之前增加EMI濾波器，以防止電網電力不穩或外來高次諧波對DMCS控制卡和變頻器的運行形成干擾(此干擾有可能使控制器或變頻器產生誤判[5])，從而使系統設備得到更純凈的電源.系統采用單級EMI濾波器，其主要參數如下：

(1)電源濾波器只允許50～60 Hz的特定頻率的電流通過，故濾波器的額定電壓是250 V.

(2)引入濾波器以后，系統的工作電流將會通過濾波器[6]，因此其內部的電子元件必須滿足要求：L為2×0.54 mH；開關電源濾波器的額定電流為20 A，變頻器的前置濾波器的額定電流為6 A；濾波器電容器Cx為0.1 μF，Cy為2×0.022 μF，耐壓為630 V；采用漏電電流小的滌綸電容.

(3)插入衰減參數可以體現濾波器抑制干擾的能力，該濾波器對高頻干擾諧波信號的噪聲電壓衰減65 dB.

1.3 DMCS控制系統

DMCS控制系統主要應用于高速、高精度的輪廓控制設備上，它是一種能夠實現連續軌跡運動的控制器[7].本系統借助FPGA和DSP 技術實現軸的連續軌跡插補運動或聯動[8]，從而提高效率.

DMCS控制系統主要是通過DMP示教盒進行示教.用戶先規劃所需要的運動軌跡，并在控制界面里調整參數，生成源程序，再將源程序發送到DMCS控制系統.DMCS控制系統按照示教的程序來驅動X，Y，Z軸的3個電機自動運行，達到加工產品的目的.示教盒的功能層次如圖3所示.

圖3 示教盒功能層次Fig.3 Hierarchical Functions of Teaching Box

2 系統的主要硬件組態

2.1 伺服系統

伺服系統可以實現高精度的定位.驅動器和編碼器是伺服系統的2個重要組成部分.驅動器通過速度、力矩、位置等方式控制電機[9]；伺服電機自帶編碼器，能夠比對目標值和反饋值，并及時調整轉動角度，實現精確控制，其位置控制模式連接如圖4所示.同時，伺服電機作為控制系統中的執行元件，可以將電信號轉為角位移或角速度，從而驅動系統設備的直線運動或旋轉運動.在鉆孔加工中，保證Z軸的精度是實現加工質量的重要前提之一，但由于人工定位的效率低且難以保證精度，因此本系統選用雷賽智能驅動器L5-400S進行定位.最新的矢量控制算法和轉矩前饋控制算法，以及對負載特性的在線觀測，可以提升位置控制精度，此功能對多軸機械的運動控制十分有效[10].為了保護伺服驅動系統，輸入輸出采用光電隔離，其電路連接如圖5所示.

圖4 位置控制模式連接Fig.4 Position Control Mode Wiring Diagram

圖5 信號輸入輸出示意Fig.5 Signal Input and Output Diagram

伺服驅動器的控制連線定義見表1.

表1 伺服驅動器控制連線定義Table 1 Servo-Drive Control Connection Definition

2.2 DMP示教盒

DMP示教盒可以測試系統高速、中速、低速運動的情況，還可測試輸入、輸出IO端口及電機軸處于極限位置的開關狀態.示教盒輸入IO定義見表2.

表2 示教盒輸入IO定義Table 2 Teaching Box Input IO Definition

2.3 光柵尺

在通常情況下，鉆孔的移位是由電機和驅動裝置實現的，因此存在尺寸的誤差，同時考慮到Z軸加工要求較高，為了確實提高鉆孔精度，可以通過加裝光柵尺對鉆頭的動作進行實時監測和校正[11].這樣，就構成一個完整的閉環控制系統，能大大提高加工的效率和精度.光柵編碼尺由尺架和滑塊2個部分組成，其信號輸出見表3.根據本系統的特點，選用行程為1.2 m就能滿足使用要求.

表3 柵編碼尺信號輸出示意Table 3 Grating Ruler Signal Output Diagram

2.4 變頻器

變頻調速是電氣工程中的一種電動調速方式，核心設備是變頻器[12]，它主要由控制電路和主電路2個部分組成.

考慮到示教鉆銑機主要用于教學，加工材料以塑膠、薄鋁件為主，不需要強力切削，因此選用富凌B型通用變頻器，其接線如圖6所示.該變頻器的功率為1.5 kW，變頻范圍為0.1～400 Hz，采用矢量控制模式[14]，可滿足鉆銑機快速正反轉、自由調速和變速切削的要求.富凌B型通用變頻器具體參數設置如下：

圖6 富凌B型通用變頻器接線示意Fig.6 Inverter Wiring Diagram of Fuling B-Type General Purpose Converter

F0.00速度控制模式 1 V/F控制

F0.01運行指令通道 0 鍵盤控制

F0.02鍵盤及端子UP/DOWN設定 0 有效

F0.03頻率指令選擇 1 面板電位器VI設定

F0.04最大輸出頻率 150

F0.05運行上限 150

F0.06運行下限 0

F0.08加速時間I 8

F0.09減速時間1 8

F2.01 FWD端子功能選擇 1 正轉

F2.02REV端子功能選擇 2 反轉

F2.03 MI1端子功能選擇 15 加減數時間選擇

F2.04 MI2端子功能選擇 8 外部故障輸入

F2.05 MI3端子功能選擇 7 故障復位

F2.07端子控制運行模式 1 兩線式控制1

F2.19 MO1輸出選擇 1 頻率到達

F4.00加速時間2 4

F4.00減速時間2 4

3 系統操作實例

根據生產的實際要求，為了提高鉆孔的精度和效率，本系統通過示教盒的人機互動界面，在編程上采用示教模式，使得編程更簡潔方便.用戶依據系統界面所提供的信息，可以了解當前系統的工作狀態和將要進行的操作，再通過示教操控面板輸入相關參數，就能實現對系統的操控.這樣不僅可以控制成品率，還可以提升質量，也有利于設備的普及推廣，從而降低企業成本，提高生產效率.系統的具體操作步驟如下：

(ⅰ)接通電源，啟動系統.

(ⅱ)進入主機界面(圖7).主機界面是整個系統的主要界面，對于系統主要功能的控制，都集中在這個界面.設定好相關加工參數后，回到主界面，進行下一步的加工.選擇“3示教編輯”鍵，進入程序的編輯狀態(圖8).

圖7 系統主機界面Fig.7 System Main Interface

圖8 程序編輯界面Fig.8 Program Editing Interface

(ⅲ)在圖9所示的界面中，用戶可以完成各種圖形及相關控制的示教編程工作.

圖9 程序編輯Fig.9 Program Editing

(ⅳ)編輯完文件后，通過單步命令來校驗指令的坐標位置是否正確.程序編輯完成后會下載到控制卡，這時編輯程序的界面也將自動返回主界面.在主界面的操作面板上選擇“1開始加工”鍵，系統就按照編輯程序進行加工，從而完成整個鉆孔加工過程.