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臺達B2伺服“高響應高精度”性能及其在超高壓數控水刀的應用

2011/6/20 9:47:00

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、水磨等水力機械。如果水流從高壓水槍中噴出，其沖擊力就更大。前蘇聯用于采煤工業(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，頃刻間會產生足夠大的沖擊力，使煤層出現脆性斷裂，完成采煤作業(yè)。受此啟發(fā)，前蘇聯科學家開發(fā)出高壓水噴流切割技術，而美國公司取得了此項技術的專利權，使之商品化。水刀應用的行業(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，而隨著產品的成熟和應用面的擴大，超高壓數控水切割機（水刀）逐漸進入一個成長期，這也要歸功于機械工業(yè)近些年的長足發(fā)展，依托于更高精度的數字化平臺，可以應用水刀進行精細加工，將水切割應用范圍擴展到行業(yè)更加廣闊的金屬加工領域，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，各種加工手段呈現百花齊放態(tài)勢，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，又都存在一定的局限性，各自占領了一部分市場。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能對金屬進行切削而達到切割目的，切割過程中無化學變化，具有對切割材質理化性能無影響、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無污染等優(yōu)點，可加工傳統(tǒng)手段無法加工的材料，如玻璃、陶瓷、復合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。實際加工效果圖如圖1所示。

隨著人們對水切割技術了解的進一步加深，市場逐漸認識到水切割技術在金屬切割行業(yè)的獨特優(yōu)勢。以激光切割為例進行比較，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50mm以上，并且對材料無任何影響，切割金屬的光潔度達1.6μm ，切割精度達±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到之處，無反光影響和邊緣損失，再加上水刀對切割材料沒有限制。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而選用水切割。
在金屬切割行業(yè)中，追求高質量，高效率的直接成形加工，是目前國際上的主流發(fā)展趨勢，“水刀”切割機正是針對這種需求而在相關的技術應用上不斷創(chuàng)新：隨著包括精密滾珠絲桿、伺服電機、諧振減速單元等技術的出現，機床可以達到更高的位置精度、反向間隙補償以及重復定位精度的提高。因此，機床制造廠商將更大的精力投入到機床幾何誤差產生的原因分析上，通過采用球桿測量儀和激光干涉儀等高精度測量器具檢測機床幾何精度，并建立誤差映射表來給予精度修正，以此制造高精度機床。數控機床零部件材料和元器件的選用、制造工藝、質量檢測手段是提高數控機床精度及穩(wěn)定性的保證。

2 工藝要求
由于“水刀”的數控平臺采用滾珠絲桿、滾動直線導軌等精密傳動技術，控制精度都在+0.02mm以內。同時，加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長壽命的噴嘴材料的技術突破，配以大功率超高壓系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)工作，應用全自動供砂、控砂和高壓水啟、?？刂葡到y(tǒng)，使得“水刀”能24小時連續(xù)切割和自動加工。
“水刀”更兼有強大的計算機輔助設計和控制功能，特別在“轉角和尖角”切割時自動減速，使得切割面光潔圓滑，加之“水刀”切割具有“磨削”的特質，這使得“水刀”在切割質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。

下面就以臺達B2伺服在單臂懸梁架構數控水刀設備中應用為例，介紹如下：
（1） X、Y軸最大運動速度：20 m/min，切割速度：0-8m/min。
（2）切割精度：+/-0.1mm，直線度：+/-0.1mm，重復定位精度：±0.05mm。
（3） XY真圓度：<80um。
（4）設備運行低噪音，高響應。

3 控制系統(tǒng)
3.1 硬件配置
（1）上位機：采用DVP80EH00R2 PLC主機
（2）驅動部分：采用臺達B2伺服和電機。如圖2所示。
具體型號為：X軸驅動器ASDA-B2-1021-B 電機 ECMA-C21310ES。
Y軸驅動器ASDA-B2-1021-B 電機 ECMA-C21310ES。

（3）人機界面：采用DOP-B07S201的HMI設備
3.2 系統(tǒng)框架
系統(tǒng)框架如圖3所示。

水刀切割機控制系統(tǒng)采用臺達人機界面作為主站監(jiān)控設備，利用人機界面DOP-B07S201三個RS232通訊口。PLC主機DVP80EH00R2采用RS232通訊口與HMI設備連接，同時利用RS485通訊口與兩個伺服驅動器ASDA-B2-1021-B相連，伺服驅動器經由U、V、W端口控制伺服電機，進而控制水刀切割機的X軸和Y軸運作。人機界面設定電機目標轉速，讀取電機實際轉速。PLC主機同時通過其他輔助設備來進行外圍的輔助相關測量動作。
3.3 控制系統(tǒng)實景
控制系統(tǒng)機柜實景圖如圖4所示：

4 系統(tǒng)技術要點
4.1 系統(tǒng)優(yōu)點
（1）高響應
臺達B2伺服優(yōu)異的高速性能表現：速度響應頻寬為550Hz，命令整訂時間可達1ms以下?？蛰d情況下，額定轉速-3000rpm至3000rpm加速時間只需10ms。
（2）高精度
臺達B2伺服采用17-bit（160，000p/rev）高解析編碼器，滿足機臺設備高精度定位控制及平穩(wěn)低速運轉的應用要求?？山邮芨咚俨顒用}波命令（4Mpps），達到高精度位置控制的設定。
（3）共振抑制與低噪音
高響應時，運行中會產生噪音，那么怎么樣來消除呢？B2伺服具備強大的自動共振抑制功能，可以實現持續(xù)共振的抑制，也可以實現多達3個共振點的抑制。這樣省去手動調節(jié)參數進行振動抑制帶來的麻煩。而對于懸臂梁架構，就容易出現共振，所以有了這個功能，給客戶帶來了很大的方便。應用臺達B2伺服實際加工時偵測出的實際效果，如圖5：

現場用的是球桿測試實際效果，真圓度達到57.9um<80um完全滿足客戶的要求。
4.2伺服增益調整
采用B2自動增益調整和手動調整均可。
利用臺達B2伺服強大的伺服調機軟件，方便增益的調整與設置，見圖6。

5 結語
由于懸臂的架構性導致設備在運行過程中重心是不穩(wěn)定的，進而會產生機構的抖動和噪音，容易產生加工光潔度不好，而利用臺達B2伺服高性能、低噪音、自動共振抑制的特點從而解決了這個問題，得到了客戶一致好評，目前已經在客戶處得到很好的使用，深得客戶之信賴。本應用運行實踐表明，基于臺達伺服產品的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。