臺(tái)達(dá)B2伺服“高響應(yīng) 高精度”性能及其在超高壓數(shù)控水刀的應(yīng)用
Abstract: This article mainly introduces the application of Delta ASDA-B2 servo in water cutter. It includes such contents: application industry of water cutter and its industry advantage that can afford、main configuration framework of digital control water cutter. Also it brings out the system requirement of servo location precision and responding speed. So this article has particular important reference meaning to industry application.
Key words: Delta B2 servo;water cutter;Motor;Control
1 前言
人類自古就利用水流的沖擊力，制成水車、水磨等水力機(jī)械。如果水流從高壓水槍中噴出，其沖擊力就更大。前蘇聯(lián)用于采煤工業(yè)，名曰水力采煤。高速噴出的水流受阻于煤層，速度驟然下降，頃刻間會(huì)產(chǎn)生足夠大的沖擊力，使煤層出現(xiàn)脆性斷裂，完成采煤作業(yè)。受此啟發(fā)，前蘇聯(lián)科學(xué)家開發(fā)出高壓水噴流切割技術(shù)，而美國(guó)公司取得了此項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán)，使之商品化。水刀應(yīng)用的行業(yè)面非常廣泛，航空、汽車、石材、陶瓷、玻璃、金屬、混凝土等行業(yè)上，而隨著產(chǎn)品的成熟和應(yīng)用面的擴(kuò)大，超高壓數(shù)控水切割機(jī)（水刀）逐漸進(jìn)入一個(gè)成長(zhǎng)期，這也要?dú)w功于機(jī)械工業(yè)近些年的長(zhǎng)足發(fā)展，依托于更高精度的數(shù)字化平臺(tái)，可以應(yīng)用水刀進(jìn)行精細(xì)加工，將水切割應(yīng)用范圍擴(kuò)展到行業(yè)更加廣闊的金屬加工領(lǐng)域，而不是僅僅局限在玻璃、陶瓷、石材等材料的加工。
以金屬切割為例，各種加工手段呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢(shì)，包括激光、火焰切割（等離子切割）、電火花切割、線切割等。各種切割手段各有優(yōu)勢(shì)，又都存在一定的局限性，各自占領(lǐng)了一部分市場(chǎng)。但在眾多的切割手段中，水切割屬于一種特殊的冷態(tài)切割，直接利用加磨料水射流的動(dòng)能對(duì)金屬進(jìn)行切削而達(dá)到切割目的，切割過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，具有對(duì)切割材質(zhì)理化性能無(wú)影響、無(wú)熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可加工傳統(tǒng)手段無(wú)法加工的材料，如玻璃、陶瓷、復(fù)合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。實(shí)際加工效果圖如圖1所示。
隨著人們對(duì)水切割技術(shù)了解的進(jìn)一步加深，市場(chǎng)逐漸認(rèn)識(shí)到水切割技術(shù)在金屬切割行業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。以激光切割為例進(jìn)行比較，激光在金屬薄板切割方面，其速度和精度要優(yōu)于水切割，但一般而言，激光很難切割大于16mm的金屬板（尤其是有色金屬），而且激光切割材料的周邊仍有一定的熱影響區(qū)；水刀切割金屬材料厚度一般可達(dá)50mm以上，并且對(duì)材料無(wú)任何影響，切割金屬的光潔度達(dá)1.6μm ，切割精度達(dá)±0.10mm，可用于精密成形切割。此外，水切割在有色金屬和不銹鋼的切割方面還有著獨(dú)到之處，無(wú)反光影響和邊緣損失，再加上水刀對(duì)切割材料沒(méi)有限制。綜合這些因素，很多早期選擇激光或其它切割手段的用戶轉(zhuǎn)而選用水切割。
在金屬切割行業(yè)中，追求高質(zhì)量，高效率的直接成形加工，是目前國(guó)際上的主流發(fā)展趨勢(shì)，“水刀”切割機(jī)正是針對(duì)這種需求而在相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用上不斷創(chuàng)新：隨著包括精密滾珠絲桿、伺服電機(jī)、諧振減速單元等技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)床可以達(dá)到更高的位置精度、反向間隙補(bǔ)償以及重復(fù)定位精度的提高。因此，機(jī)床制造廠商將更大的精力投入到機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因分析上，通過(guò)采用球桿測(cè)量?jī)x和激光干涉儀等高精度測(cè)量器具檢測(cè)機(jī)床幾何精度，并建立誤差映射表來(lái)給予精度修正，以此制造高精度機(jī)床。數(shù)控機(jī)床零部件材料和元器件的選用、制造工藝、質(zhì)量檢測(cè)手段是提高數(shù)控機(jī)床精度及穩(wěn)定性的保證。
2 工藝要求
由于“水刀”的數(shù)控平臺(tái)采用滾珠絲桿、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌等精密傳動(dòng)技術(shù)，控制精度都在+0.02mm以內(nèi)。同時(shí)，加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長(zhǎng)壽命的噴嘴材料的技術(shù)突破，配以大功率超高壓系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)工作，應(yīng)用全自動(dòng)供砂、控砂和高壓水啟、?？刂葡到y(tǒng)，使得“水刀”能24小時(shí)連續(xù)切割和自動(dòng)加工。
“水刀”更兼有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制功能，特別在“轉(zhuǎn)角和尖角”切割時(shí)自動(dòng)減速，使得切割面光潔圓滑，加之“水刀”切割具有“磨削”的特質(zhì)，這使得“水刀”在切割質(zhì)量和效率上都有了極大的變化和提高，而可直接用于金屬零件的成形切割加工。
下面就以臺(tái)達(dá)B2伺服在單臂懸梁架構(gòu)數(shù)控水刀設(shè)備中應(yīng)用為例，介紹如下：
（1） X、Y軸最大運(yùn)動(dòng)速度：20 m/min，切割速度：0-8m/min。
（2） 切割精度：+/-0.1mm，直線度：+/-0.1mm， 重復(fù)定位精度：±0.05mm。
（3） XY真圓度：<80um。
（4） 設(shè)備運(yùn)行低噪音，高響應(yīng)。
3 控制系統(tǒng)
3.1 硬件配置
（1）上位機(jī)：采用DVP80EH00R2 PLC主機(jī)
（2）驅(qū)動(dòng)部分：采用臺(tái)達(dá)B2伺服和電機(jī)。如圖2所示。
具體型號(hào)為：X軸驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2-1021-B 電機(jī) ECMA-C21310ES。
Y軸驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2-1021-B 電機(jī) ECMA-C21310ES。
（3） 人機(jī)界面：采用DOP-B07S201的HMI設(shè)備
3.2 系統(tǒng)框架
系統(tǒng)框架如圖3所示。
水刀切割機(jī)控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)人機(jī)界面作為主站監(jiān)控設(shè)備，利用人機(jī)界面DOP-B07S201三個(gè)RS232通訊口。PLC主機(jī)DVP80EH00R2采用RS232通訊口與HMI設(shè)備連接，同時(shí)利用RS485通訊口與兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2-1021-B相連，伺服驅(qū)動(dòng)器經(jīng)由U、V、W端口控制伺服電機(jī)，進(jìn)而控制水刀切割機(jī)的X軸和Y軸運(yùn)作。人機(jī)界面設(shè)定電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，讀取電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。PLC主機(jī)同時(shí)通過(guò)其他輔助設(shè)備來(lái)進(jìn)行外圍的輔助相關(guān)測(cè)量動(dòng)作。
3.3 控制系統(tǒng)實(shí)景
控制系統(tǒng)機(jī)柜實(shí)景圖如圖4所示：
4 系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)
4.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
（1） 高響應(yīng)
臺(tái)達(dá)B2伺服優(yōu)異的高速性能表現(xiàn)：速度響應(yīng)頻寬為550Hz，命令整訂時(shí)間可達(dá)1ms以下。空載情況下，額定轉(zhuǎn)速-3000rpm至3000rpm加速時(shí)間只需10ms。
（2） 高精度
臺(tái)達(dá)B2伺服采用17-bit（160，000p/rev）高解析編碼器，滿足機(jī)臺(tái)設(shè)備高精度定位控制及平穩(wěn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求?？山邮芨咚俨顒?dòng)脈波命令（4Mpps），達(dá)到高精度位置控制的設(shè)定。
（3） 共振抑制與低噪音
高響應(yīng)時(shí)，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生噪音，那么怎么樣來(lái)消除呢？B2伺服具備強(qiáng)大的自動(dòng)共振抑制功能，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)共振的抑制，也可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)3個(gè)共振點(diǎn)的抑制。這樣省去手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)抑制帶來(lái)的麻煩。而對(duì)于懸臂梁架構(gòu)，就容易出現(xiàn)共振，所以有了這個(gè)功能，給客戶帶來(lái)了很大的方便。應(yīng)用臺(tái)達(dá)B2伺服實(shí)際加工時(shí)偵測(cè)出的實(shí)際效果，如圖5：
現(xiàn)場(chǎng)用的是球桿測(cè)試實(shí)際效果，真圓度達(dá)到57.9um<80um完全滿足客戶的要求。
4.2伺服增益調(diào)整
采用B2自動(dòng)增益調(diào)整和手動(dòng)調(diào)整均可。
利用臺(tái)達(dá)B2伺服強(qiáng)大的伺服調(diào)機(jī)軟件，方便增益的調(diào)整與設(shè)置，見(jiàn)圖6。
5 結(jié)語(yǔ)
由于懸臂的架構(gòu)性導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中重心是不穩(wěn)定的，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)和噪音，容易產(chǎn)生加工光潔度不好，而利用臺(tái)達(dá)B2伺服高性能、低噪音、自動(dòng)共振抑制的特點(diǎn)從而解決了這個(gè)問(wèn)題，得到了客戶一致好評(píng)，目前已經(jīng)在客戶處得到很好的使用，深得客戶之信賴。本應(yīng)用運(yùn)行實(shí)踐表明，基于臺(tái)達(dá)伺服產(chǎn)品的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價(jià)比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。
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