兩軸過孔加工機床滑臺項目設計
一、項目概述
此項目為兩軸過孔加工機床，此類加工設備的現狀為：
采用傳統的液壓設備加工精度低、效率不高；
設備環境適應能力不強；
設備維護工作頻繁并且相對繁瑣。
為了解決上述問題，此項目采用了時光IMS系列伺服控制系統。時光IMS
伺服控制系統具有如下特點：
1、 可實現電機平穩運行于0.01Hz～250Hz工作范圍；
2、 電機運行速率低于50Hz時可實現3倍電機額定轉矩輸出，包括電機0Hz
3、鎖定時的3倍電機額定轉矩輸出，有效地解決了工件加工過程中偶爾出現的堵轉現象，保證了器件加工的高效率輸出；
4、內置PLC功能（16入/13出），通過QMCL軟件編程的方式對所有I/O進
行自定義設計。使用I/O方式接收相應動作信號及告知上位PLC滑臺是否已完成工件加工過程，工件加工過程中兩臺伺服控制器相互之間也由I/O方式實現互鎖功能；
5、使用QMCL語言編譯的程序，可以靈活的設定電氣零點，通過程序定義
好的參數設置偏置值來保證機械原位與電氣零點的可靠結合。而且由軟件根據機械實際情況設計的間隙補償量與機械結合更加緊密，由于各類補償是做為參數設定的，因此可根據實際情況及長時間使用造成的間隙改變作出相應調整。極大方便了系統調試和維和。
6、系統參數任意設定電機運行時的S曲線和轉矩限幅值。
二、項目實施情況介紹
首先將工件通過夾具固定在位于鉆床中央的工作臺上。按下“運行”按鈕后，艙門關閉，位于工作臺兩端的驅動電機通過滾珠絲杠將帶有鉆頭的加工臺高速推進至工件接近位，到達接近位后由控制器給出電氣信號使鉆頭工作，然后按固有深孔加工循環進行加工。為防止相對的兩鉆頭打刀，由控制器通過軟件編程實現兩驅動電機互鎖功能。即先加工至接近中線某位置的驅動電機會發出信號鎖住另外一邊的驅動電機，使其進入“暫停”狀態，待電機退回至安全位置后解除原電氣信號使另外一邊的驅動電機繼續完成其自身的加工動作。工件加工完成后，控制器給出相應電氣信號打開艙門并且等待下次循環動作的“運行”開始。
兩軸過孔專用加工鉆床的整體系統示意圖見圖1。
圖1 兩軸過孔專用加工鉆床的整體系統示意圖
每臺進給軸驅動電機由IMS伺服控制器進行位置控制，IMS伺服控制器通過相應編碼器（PG）反饋信號構成位置閉環系統。所有的限位開關、零位開關等電氣信號直接聯入相應的控制器做為控制信號。2臺伺服控制器利用內部集成的PLC功能，通過I/O信號與控制面板相連（根據不同用戶的要求，也可使用RS422/485通訊的方式進行相應的連線）。由于本套設備相關參數不希望能夠由設備操作者設定，因此控制面板上并沒有參數設定功能，取而代之的可即時插拔式手操作器的方式對相關參數進行修改（由相關技術人員進行修改）。
圖2所示為單臺驅動電機驅動相應鉆頭的工件加工過程，可視作“快速接近工件——慢速加工工件——快速回退”的循環加工動作往復過程。
軟件設定的“互鎖”信號分為“鎖定對方”（輸出）信號和“響應鎖定”（輸入）信號，當IMS控制器控制驅動電機將鉆臺推進至接近中心線的某位置時（軟件設定），控制器會向另外一臺控制器給出“鎖定對方”信號。對方控制器接受到“響應鎖定”信號后，如正工作在安全區內，則正常運行；如正在向前推進并有可能發生打刀情況，則執行“暫停”動作使鉆臺停留在安全范圍內直至“響應鎖定”信號消失。發出“鎖定對方”信號的控制器在所控制的鉆臺回退至安全范圍后，將“鎖定對方”信號取消以便另外一側鉆臺的正常運行。兩臺控制器本著“先入為主”的原則進行互鎖動作以保證加工時的高效率輸出。
三、項目效果
1、IMS伺服控制器調速比為1：5000，遠高于設計所要求的1：3000。經
過實用考核驗證，滑臺在該調速比下能夠可靠運行，并滿足兩軸過孔專用加工鉆床的進給要求。
2、由于IMS伺服控制器采用的是輸出轉速與轉矩的“解耦控制”，在電機
基頻（50Hz）以下能夠保證3倍電機額定轉矩的平穩輸出。滿足滑臺機構對于電機的低速大轉矩平穩輸出要求，以及在負載發生波動時依然能夠保證進給速率的穩定與正常。
3、IMS伺服控制器位置控制范圍為4字節編碼器脈沖數。本套系統采用標
配的2500線編碼器，其位置控制范圍遠遠超過滑臺的實際工作范圍2m。經過實測重復定位精度誤差為±0.002mm。滿足設備設計要求的定位誤差小于±0.005mm。
4、使用QMCL語言可實現對電機的靈活動作控制，配合實際工作情況我
們對滑臺動作進行了相應的優化設計，在原有設計方案提高效率的基礎上又將工件加工時間縮短。采用原設計方案可實現4分鐘加工2件工件的要求。我們對滑臺動作進行優化后最終實現3分10秒加工2件工件。
5、時光IMS系列伺服控制器允許輸入電壓波動范圍為±10％，在此范圍內
均可保證系統的可靠運行，滿足低電壓低轉速時大轉矩可靠輸出的系統設計要求。
6、解決原電液伺服系統存在的噪音、振動、漏油以及安裝、維護和調試過程中存在的問題或缺陷。
表1 IMS伺服控制器實測結果
四、客戶評價
1、工件加工周期由原來的4分鐘提升至3分10秒。對于設備使用廠家來
說效率就意味著產量和利潤，其重要性不言而喻，本項指標的提高也是最令設備使用廠家感到欣喜和滿意的地方。
2、系統具有極佳的可靠性與穩定性，維護簡便。相對于傳統設備的液電伺服系統，由于本套設備采用了三相異步電機做為驅動電機，因此極大地簡化了設備維護工作。系統的可靠性和穩定性對于批加工企業來說非常重要，在整個調試階段IMS伺服控制器始終處于無故障運行使廠家感到非常滿意。
3、簡單明了的參數設計。絕大多數伺服驅動系統參數都是相對固定的，對于機加工行業來說有些參數需要進行相應轉換后才能便于操作者的理解。IMS伺服控制器通過軟件設計出來的參數含義可直接按照用戶的要求進行相應設計，極大方便了設備操作者和使用者。
4、IMS伺服控制器內部集成了PLC功能，I/O使用起來更加靈活方便，在簡化了系統集成商整體設計方案難度的同時也減少了部分硬件成本。
此項目為兩軸過孔加工機床，此類加工設備的現狀為：
采用傳統的液壓設備加工精度低、效率不高；
設備環境適應能力不強；
設備維護工作頻繁并且相對繁瑣。
為了解決上述問題，此項目采用了時光IMS系列伺服控制系統。時光IMS
伺服控制系統具有如下特點：
1、 可實現電機平穩運行于0.01Hz～250Hz工作范圍；
2、 電機運行速率低于50Hz時可實現3倍電機額定轉矩輸出，包括電機0Hz
3、鎖定時的3倍電機額定轉矩輸出，有效地解決了工件加工過程中偶爾出現的堵轉現象，保證了器件加工的高效率輸出；
4、內置PLC功能（16入/13出），通過QMCL軟件編程的方式對所有I/O進
行自定義設計。使用I/O方式接收相應動作信號及告知上位PLC滑臺是否已完成工件加工過程，工件加工過程中兩臺伺服控制器相互之間也由I/O方式實現互鎖功能；
5、使用QMCL語言編譯的程序，可以靈活的設定電氣零點，通過程序定義
好的參數設置偏置值來保證機械原位與電氣零點的可靠結合。而且由軟件根據機械實際情況設計的間隙補償量與機械結合更加緊密，由于各類補償是做為參數設定的，因此可根據實際情況及長時間使用造成的間隙改變作出相應調整。極大方便了系統調試和維和。
6、系統參數任意設定電機運行時的S曲線和轉矩限幅值。
二、項目實施情況介紹
首先將工件通過夾具固定在位于鉆床中央的工作臺上。按下“運行”按鈕后，艙門關閉，位于工作臺兩端的驅動電機通過滾珠絲杠將帶有鉆頭的加工臺高速推進至工件接近位，到達接近位后由控制器給出電氣信號使鉆頭工作，然后按固有深孔加工循環進行加工。為防止相對的兩鉆頭打刀，由控制器通過軟件編程實現兩驅動電機互鎖功能。即先加工至接近中線某位置的驅動電機會發出信號鎖住另外一邊的驅動電機，使其進入“暫停”狀態，待電機退回至安全位置后解除原電氣信號使另外一邊的驅動電機繼續完成其自身的加工動作。工件加工完成后，控制器給出相應電氣信號打開艙門并且等待下次循環動作的“運行”開始。
兩軸過孔專用加工鉆床的整體系統示意圖見圖1。
每臺進給軸驅動電機由IMS伺服控制器進行位置控制，IMS伺服控制器通過相應編碼器（PG）反饋信號構成位置閉環系統。所有的限位開關、零位開關等電氣信號直接聯入相應的控制器做為控制信號。2臺伺服控制器利用內部集成的PLC功能，通過I/O信號與控制面板相連（根據不同用戶的要求，也可使用RS422/485通訊的方式進行相應的連線）。由于本套設備相關參數不希望能夠由設備操作者設定，因此控制面板上并沒有參數設定功能，取而代之的可即時插拔式手操作器的方式對相關參數進行修改（由相關技術人員進行修改）。
圖2所示為單臺驅動電機驅動相應鉆頭的工件加工過程，可視作“快速接近工件——慢速加工工件——快速回退”的循環加工動作往復過程。
軟件設定的“互鎖”信號分為“鎖定對方”（輸出）信號和“響應鎖定”（輸入）信號，當IMS控制器控制驅動電機將鉆臺推進至接近中心線的某位置時（軟件設定），控制器會向另外一臺控制器給出“鎖定對方”信號。對方控制器接受到“響應鎖定”信號后，如正工作在安全區內，則正常運行；如正在向前推進并有可能發生打刀情況，則執行“暫停”動作使鉆臺停留在安全范圍內直至“響應鎖定”信號消失。發出“鎖定對方”信號的控制器在所控制的鉆臺回退至安全范圍后，將“鎖定對方”信號取消以便另外一側鉆臺的正常運行。兩臺控制器本著“先入為主”的原則進行互鎖動作以保證加工時的高效率輸出。
三、項目效果
1、IMS伺服控制器調速比為1：5000，遠高于設計所要求的1：3000。經
過實用考核驗證，滑臺在該調速比下能夠可靠運行，并滿足兩軸過孔專用加工鉆床的進給要求。
2、由于IMS伺服控制器采用的是輸出轉速與轉矩的“解耦控制”，在電機
基頻（50Hz）以下能夠保證3倍電機額定轉矩的平穩輸出。滿足滑臺機構對于電機的低速大轉矩平穩輸出要求，以及在負載發生波動時依然能夠保證進給速率的穩定與正常。
3、IMS伺服控制器位置控制范圍為4字節編碼器脈沖數。本套系統采用標
配的2500線編碼器，其位置控制范圍遠遠超過滑臺的實際工作范圍2m。經過實測重復定位精度誤差為±0.002mm。滿足設備設計要求的定位誤差小于±0.005mm。
4、使用QMCL語言可實現對電機的靈活動作控制，配合實際工作情況我
們對滑臺動作進行了相應的優化設計，在原有設計方案提高效率的基礎上又將工件加工時間縮短。采用原設計方案可實現4分鐘加工2件工件的要求。我們對滑臺動作進行優化后最終實現3分10秒加工2件工件。
5、時光IMS系列伺服控制器允許輸入電壓波動范圍為±10％，在此范圍內
均可保證系統的可靠運行，滿足低電壓低轉速時大轉矩可靠輸出的系統設計要求。
6、解決原電液伺服系統存在的噪音、振動、漏油以及安裝、維護和調試過程中存在的問題或缺陷。
四、客戶評價
1、工件加工周期由原來的4分鐘提升至3分10秒。對于設備使用廠家來
說效率就意味著產量和利潤，其重要性不言而喻，本項指標的提高也是最令設備使用廠家感到欣喜和滿意的地方。
2、系統具有極佳的可靠性與穩定性，維護簡便。相對于傳統設備的液電伺服系統，由于本套設備采用了三相異步電機做為驅動電機，因此極大地簡化了設備維護工作。系統的可靠性和穩定性對于批加工企業來說非常重要，在整個調試階段IMS伺服控制器始終處于無故障運行使廠家感到非常滿意。
3、簡單明了的參數設計。絕大多數伺服驅動系統參數都是相對固定的，對于機加工行業來說有些參數需要進行相應轉換后才能便于操作者的理解。IMS伺服控制器通過軟件設計出來的參數含義可直接按照用戶的要求進行相應設計，極大方便了設備操作者和使用者。
4、IMS伺服控制器內部集成了PLC功能，I/O使用起來更加靈活方便，在簡化了系統集成商整體設計方案難度的同時也減少了部分硬件成本。
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