数控系统与伺服控制的研究与应用剖析

1、数控系统与伺服控制的研究与应用摘 要：一般来说， 数控系统和伺服系统都使用同一厂家的产品来配 置，这样的好处是配套性好，各项功能参数出厂设置匹配度 较高，各种接口电缆都是标准的，使用起来相对方便，调试 也简单，也有标准化的售后技术服务，省去了使用客户的不 少麻烦。但有些情况需要用不同厂家的数控系统与伺服系统 来进行配置，比如设备改造，成本控制，PLC控制伺服的专机改造等因素。 因此本文主要针对这类情况的配置调试进行 了相关的技术研究和探讨。关键词：设备改造 PLC 数控系统 数字伺服1. 前言近几年，数控技术的发展是日新月异，变化惊人的，各种品牌的 数控产品也层出不穷， 从目前的国际市场来看，

2、 以发那科和西门子两 家的数控系统作为数控机床核心的产品占了 75%，而从国内市场来看， 以这两家的数控系统作为数控机床核心的产品也占了 50%，其余部分 主要由国产数控系统占据，主要以广州数控，华中数控等为主。进口 数控产品质量虽然很好， 但价格相对来说较贵， 而国产数控产品虽然 功能上与国际主流数控产品有着一定的差距，但是其价格要便宜得 多，而且国产数控产品的功能要求已基本能满足中小型企业的需求， 因此得到了国内很多客户的青睐。 我们通过利用设备改造， 使用其他 相对合理的数控产品来控制保留在原先设备上的伺服驱动， 或者说用 原先设备上的数控系统来控制改换的伺服驱动，这样一来就可以省去 很

3、多不必要的经济开支，降低了成本，而且功能也达到了要求。2.数控系统的基本概念与理论数控技术，简称数控(Numerical Control NC)，是利用数字 化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。 由于现代数控都 采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控(Computerized Numerical con trol CNC)。为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应 的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体称为数 控系统(Numerical control system )，数控系统的核心是数控装置( Numerical Con troller)

4、。数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的主要控制对象是坐 标轴的位移(包括移；速度、方向、位置等)，其控制信息主要来源 于数控加工或运动控制程序。因此，作为数控统的最基本组成应包括： 程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。图2-1数控机床的组成3伺服系统的基本概念与控制原理伺服系统（servo system ）亦称随动系统，属于自动控制系统的 一种，它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地、连续 地、精确地复规输入指令的变化规律。 它通常是具有负反馈的闭环控 制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。全数字伺服一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三环结构。 系统硬件

5、大致由以下几部分组成：电源单元；功率逆变和保护单元； 检测器单元；数字控制器单元；接口单元。相对应伺服系统由外到内 的“位置”、“速度”、“转矩”三个闭环，伺服系统一般分为三种控制 方式。在使用位置控制方式时，伺服完成所有的三个闭环的控制。在 使用速度控制方式时，伺服完成速度和扭矩（电流）两个闭环的控制。 一般来讲，我们需要位置控制的系统，既可以使用伺服的位置控制方 式，也可以使用速度控制方式，只是上位机的处理不同。而扭矩控制 方式时伺服系统只进行扭矩的闭环控制， 即电流控制，只需要发送给 伺服单元一个目标扭矩值，多用在单一的扭矩控制场合。如图2-1为伺服控制的原理图：jf 哼 4"

6、 « t tfi件 i 1i".'Bii伽拎創元图3-1伺服控制原理4.数控系统控制伺服驱动的方式与调试方法数控系统控制伺服驱动其实并不复杂，只要熟悉清楚其内部信号 的含义，并使两者的定义的指令信号和位置反馈等信号相匹配，再通过对数控系统和数字伺服中相关参数的设定就能达到控制的目的。目前市场上主流数控产品均可控制大部分的驱动产品，如SIEMENSFANUC等。下面以我厂日本铣床改造中，使用华中HNC-21MD系统和安川SGDB系列驱动为例来具体说明。HNC-21数控装置提供了三类轴控制接口：串行接口，脉冲接口， 模拟接口，可与目前流行的大多数驱动装备连接。 首先我们

7、需要了解 下华中HNC-21M系统的指令接口定义，HNC-21M使用的是脉冲接口， 如图所示：XS30XS33 (DB15 头孔唾计S:DIR-7iCP-6:0l：TAo15:DIR+14:CP-5;GM)4:+5V3:2+2:B+1:A+o QOO13:GND12：-5VU：Z*10 :B-们勺名说明A+. A-编码器A和位反馈信号B+、B-编码器B相位信反馈信号Z+. Z-編侣器ZI冰冲反锻倍号-5V, GNDDC5V电源0UTA模拟指令输出 （20mA+20mA）CP+. CP-指令脉冲输出（A相DIR+. DIR-指令方向输出（B+H）注：OUTA模拟指令信号在HNC-21 QD型号中

8、无效。图4-1 HNC-21MD旨令接口定义其中6号脚OUTA模拟指令输出）在HNC-21M当中是无效的。CP+CP-DIR+、DIR-为轴控制接口中的指令输出信号，A+、A-、B+、B-为编码器A B相位的反馈输入信号，Z+、Z-为编码器Z脉冲（即零脉冲）反馈输入信号。数控装置通过发出CN（指令信号传达给伺服驱动装置,然后伺服驱动装置通过接收这些指令来控制伺服电机的运转，靠电机 编码器的反馈信号来告知数控装置目前的位置和速度， 这样就形成了 一个闭环的控制。其次我们只需要把这些指令和反馈信号连接到安川 SGD驱动器上 对应的指令输入及反馈输出的信号接口上就可以了 （需根据接口定义 自制指令电

9、缆），如图所示：XS30XS33W站米屏蔽层 7*:二 DIR-丨 *S1CNHNC-219R-11Z+IF|r7-*vDIX-X212.-SLL使能雉电器电注伺服报警FUL呂间服驱动器安川P翌 水PEO PCOPELSRl*SIdFAO tFAQS4L12333435361920TPEA r4 142-2Wp-orC43N-OTV40S-OKIfSOSRV-PDY-pr295RV-RDY+rc32Al f-31ALM-2CXDC24V T 24¥地:L間服強电诃版电源编码器反馈AC 3P380/200电机电源同脸电机安川 SGMG-3OA2ABG1ENU无權图4-2 HNC-21M

10、DT安川SGD驱动的连接其中当使用多个伺服驱动器时，通常将各伺服驱动器的SRV-RDY、SRV-RDYt尾串起来通过一个中间继电器作为 伺服准备好信号提 供给系统或其他电路使用，注意：不能作为伺服使能条件；将各伺服 驱动器的ALM-ALM首尾串起来通过一个中间继电器作为伺服报警信号提供给系统或其他电路使用连接好所有的电路以后，接下来就到了调试的阶段了。由于该设 备在改造前使用的是 FANUC 6系统，是一款很老的数控产品，备配件 已购买不到，其采用的是速度 （模拟量）控制方式，而华中的 HNC-21MD 是位置（数字量）控制方式，与安川 SGD原先的控制方式不能匹配， 因此下一步我们需要对安川

11、SGD驱动器进行参数修改，使其工作在位 置控制的模式下。首先，我们通过SigmaWin嗽件（可从安川官网下载）由PC连接到 安川SGD驱动器上进行通讯。进入软件后选择伺服驱动器的型号，之后软件会显示一个参数列表，找到参数Cn-2B： Control methodselection （即控制方式选择） ，把0改为 1， 注：0：速度控制方式1 ：位置控制方式2 ：扭矩控制方式确定好控制方式好以后，再找到Cn-02号参数Refere nee Pulseform（参考脉冲形式）的Bit3、Bit4、Bit5位，有五种参考脉冲形式选 择：Bit5 Bit4 Bit3 Referenee Pulse f

12、orm000 :Sign + Pulse0 0 1 :CW + CCW0 1 0 :A-phase + B-phase（x1 multiplieation）0 1 1 :A-phase + B-phase（x2 multiplieation）100:A-phase + B-phase(x4 multiplicatio n)这里我们选择Sign + Pulse （脉冲加方向）的形式，而在华中HNC-21MD 数控装置中通过修改硬件配置参数，可以将脉冲输出形式设定为脉冲 加方向，双脉冲，两相正交三种模式。如图：CPDIR模式一财冲方向模式二正脉冲负向脉冲模式三A相B相图4-3脉冲形式选择这里我们为

13、与安川驱动器所设参数进行匹配，所以选择模式一：脉冲加方向的形式。之后再设定 Cn-11（Number of encoder pulses） 参数 与Cn-OA（PG dividing ratio ）参数为8192 P/R （安川伺服电机每转 脉冲数），同时在HNC-21M系统中也需要把相应的编码器脉冲数改为 8192 P/R,若该两项参数设定不一致会导致丢脉冲现象并发生跟踪误 差太大的报警，其次再根据机床实际情况设定好电子齿轮比等其他常 规参数之后，在系统设置界面里显示机床实际坐标值，与机床指令坐标值进行对比，准确无误后轴的基本运行调试就完成了。同样的道理，如果是使用速度控制的方式也是大致按照此流程来 做（根据客户购买的数控产品类型来选择），只是指令输出接线部分 需要使用模拟量OUT的信号，驱动器参数需修改为速度控制方式以及 其他相关的主要参数就可以了。5.结束语目前市场上的大部分数控产品和驱动产品都无非是采用这三种控制方式，因此只要懂