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永宏A5伺服在数控雕刻机上的应用

2018年05月16日 17:12:52 中国传动网

本文主要阐述了永宏A5伺服在木雕数控雕刻机上的应用,该系统适用于各类木质板材的雕刻。本次为柜体板材的雕刻,有刨花板、高密度板俩种。经过一系列的调试,雕刻出的板子切刀口无刀纹、版面花纹雕刻速度可达18m/s,完全符合该行业要求。

1行业介绍

数控雕刻机是数控技术和雕刻工艺相结合的产物,是一种专用的数控机床。与通用的数控机床类似,数控雕刻机通过数控系统根据程序代码控制雕刻机作实现雕刻加工的自动化。较传统的手工雕刻、仿形雕刻,数控雕刻具有生产效率高、加工精度高、成品率高、对零件的适应性强等显著优势;同时,借助于专用的雕CAD/CAM软件系统,加工控制程序的生成快捷、修改方便。因此,数控雕刻机现已成为实现雕刻加工自动化、高效率、高精度的有效率手段,也是当今雕刻机的发展主流,广泛应用于机械工业、广告传媒、日常消费以及建筑装演等众多领域,如图1所示。

2系统设计方案

2.1方案背景

数控雕刻机目前市场上使用的控制系统方案为数控系统+伺服或者数控系统+简易步进电机,如表1所示,其中伺服使用最多的品牌是台达和松下,步进使用最多的是雷赛;数控系统使用最多的品牌是凯恩帝、新代和广数。由于永宏A5一拖二伺服性价比相对于其他品牌较高,所以永宏A5伺服在雕刻机的应用前景很好。现在客户采用的是永宏A5伺服+新代数控系统。

2.2客户需求

如表2所示,根据客户要求,该木雕雕刻机在工艺上和伺服有关的有以下要求:首先设备在水平方向运动的机械惯量略大,要求带动该方向设备的伺服电机惯量要足够;再者切割过程中,伺服要稳定,刚性可调控,才能切出无刀纹,优美的拐角的板子。

2.3解决方案

本项目中的雕刻机主要用于各类木质板材的雕刻,如图2所示。本次为柜体板材的雕刻。根据工艺要求,该系统主要包括系统硬件设计和系统软件设计;其中系统硬件设计包括硬件(产品)配置、机械结构和电气控制等三部分,系统软件设计包括流程控制、I/O配置和程序设计等三部分。

基于表3所述各项技术指标,木雕雕刻机方案架构如图3所示;本方案控制系统采用新代数控系统控制器,主要完成设备3个轴的运动、主轴运转以及刀片作等流程的控制同时数控系统自带触摸屏可以提供自动操作、手动调试和配方参数、程序修改、模拟工作画面团等功能界面,用户可根据自身需求进行各项操作和参数设置。;伺服系统采用永宏A5,主要控制XYZ三轴快速定位;主轴电机由变频器控制,可调切削速度,目前客户用的变频器是市面上较为低端的FULING变频器。

3系统硬件设计

3.1硬件配置

木雕雕刻机的硬件系统由新代数控系统控制器、永宏A5伺服驱动器、普通电机、变频器、雕刻刀头、机床、鼓风机、吸尘机、各类阀门、限位传感器和外围输入输出线路(包括按钮和报警指示灯)等组成。木雕雕刻机的硬件系统清单如表4所示木雕雕刻机硬件配置如图4所示。

3.2机械结构

木雕雕刻机的机械结构主要由四部分组成:XYZ运动轴部分(控制切刀在XYZ坐标系中移动),主轴部分(不同个主轴带着不同规格的刀高速旋转用于雕刻)、刀口部分(直接和材料接触的部分,有不同的规格,对应刻出不同效果)和工作台部分(放置待加工产品,图片放置了一块正在加工的木板)。木雕雕刻机整体结构解析如图5所示。

3.3电气控制

木雕雕刻机的电气控制采用新代数控系统作为设备核心控制单元,实现设备3个轴的运动、主轴运转以及刀片工作等流程的控制同时数控系统自带触摸屏可以提供自动操作、手动调试和配方参数、程序修改、模拟工作画面团等功能界面,用户可根据自身需求进行各项操作和参数设置。图6为控制柜接线图,图7所示为新代系统接线。

4系统软件设计

4.1工艺流程

木雕雕刻机的工艺流程主要包括三部分:对刀、雕刻图案和切板,对刀主要将各个主轴的水平点对其齐,保证切板时不会划伤工作台或者板子没用完全切透。雕刻图案是工艺的重点,完成通过各个轴带的不同的刀具完成不同的雕刻效果;切板是最后一道工艺,将板子从整版上切下来。工艺流程如图8所示。

4.2控制流程

控制流程如图9所示。

4.3I/O点配置

该处主要介绍的是新代系统IO和伺服驱动器控制IO的接线,具体见图10。

具体说明:Y轴双轴接法要图A(共用一路脉冲,接50PIN一侧就好),X轴按图A接,Z轴按图B接,一起接到一个50pin中。

4.4伺服参数说明

4.4.1参数设置以及说明,如表6所示。

4.4.2新代程序

虽然新代程序不是我们来编写,但后续调试的时候一直接触程序,有时候会改里面相应的参数,如切割速度以及哪个轴为主轴。图11所示为新代程序(图中S18000就是雕刻机对应的雕刻速度,为1.8m/s)。

4.4.3调试难点

第一台设备是四主轴的,相对来说惯量大,图案角的效果一直出不来,如图12所示,角一直有棱角,也就是说伺服3轴的刚性不匹配。

4.4.4解决方案以及说明

总共有速度环增益Pn100、速度环积分时间Pn101、位置环增益Pn102、惯量Pn103、前馈Pn109、滤波时间Pn401等6个参数。Pn100增大,Pn101减小,Pn102增大,Pn103增大,电机刚性增大,反之减小。电机刚性过大会造成抖动以及啸叫。如果电机刚性不够已经开始啸叫,可适当增加PA401以达继续提升刚性,但是参数不易太大。对工艺的影响:刚性太大会引起震动或者惯量太小(带不动设备)引起抖动的现象都会影响到截面刀纹;Fn102位置环增益太大,拐角往里收,太小拐角往外扩,此时拐角的效果和惯量也有关系,惯量上不去,位置环增益再大拐角也不会向里收(目前设备就是出于该情况,拐角收不进去)。当拐角向里收的时候,调小位置环或者适当增加前馈可以解决。还有一点,电机刚性不够时可能导致设备过冲,也会影响拐角效果。

5实施结果

经过反复的调试,摸索到了该项目与我们A5伺服性能配合的关键点。找到规律后调试起来有了方向,但对第一台设备还是比较牵强,因为第一台设备四主轴略微超过了A5伺服电机惯量的极限,每次调到那个临界点,再去调整伺服刚性没有

起到更好的效果反而更差了。第一台设备调到了最佳状态后,效果还可以但有所欠缺。后续又有新设备改成三轴了,调试起来明显得心应手,完全按着之前发现的规律来的。以下是调角的一点心得:角的效果取决于三轴联动,位置环增益可以增加伺服响应速度,参数越高响应越快,对应角处会少切,如果俩侧均匀出问题则调Z轴,单侧出问题调单轴。此外增加前馈也会明显的改变角的效果。后续调试的雕刻机性能非常好,雕刻速度可达18m/s,无刀纹、拐角美观。客户对雕刻的板子十分满意,还将其作为模板留存下来。图14所示为现场图片。

供稿:台湾永宏(研发).上海范堤(通路).厦门永陞(工厂

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=32246

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