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数控定子绕线机伺服系统应用实例

中达电通股份有限公司
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    利用中达CNC数控系统强大的轴控功能和台达伺服系统快速精准的运动响应,使绕线机的工作效率得到了很大的提高。
   本文主要介绍了数控定子绕线机功能的需求,以及系统操作界面和I/O的规划。
 
 
一、前言


图1   数控定子绕线机外观

    目前绕线机的市场可谓庞大,品种繁多,有平行绕线机、环型绕线机、定转子绕线机、纺织绕线机等。本文主要介绍的是利用中达CNC数控系统和伺服产品构建出的设备:数控定子绕线机。他的最大特点是可以自动变换绕线方向,所绕的线圈整齐且圈数准确。操作简便,节省人工,提高产量,产品品质好,其绕线、排线、停车、换槽,完全按程序自动执行。排线宽幅可调,圈数准确。生产速度快,并大量节省线材。下面概述如何利用中达的数控和台达的伺服整合此方案。
 
二、技术和精度要求
    客户原用PLC+伺服控制整台设备,因其加工出来的产品的合格率较低,且一些功能无法实现,满足不了市场上需求,故提出开发数控定子绕线机,并且需要控制系统和伺服满足如下条件:
1.伺服运动轴
    在机械上,需要三轴的控制坐标系。其中,排线X轴采用伺服电机直接驱动螺距为4mm的滚珠丝杠,在连接工作台做直线运动;飞叉Y轴采用伺服电机驱动1:2的齿轮箱间接传动,做360度的圆周运动;分度Z轴采用伺服电机驱动1:9的齿轮箱间接传动,做360度的圆周运动。这3个轴要求能够联动。
    此外,对于飞叉轴来说,由于在运动过程中,机械负载惯量会因为绕线的速度的不同而发生较大的变化,这就要求伺服系统具有优异的稳定性、相应性和对负载变化自适应能力。
2.精度要求
    机械回零精度:排线轴0.005mm 飞叉轴+/-1度 分度轴+/-1度
    定位精度:0.02mm   +/-1度
    要求控制系统和伺服系统能够具有检测反馈,来保证机械运动精度。
3.CNC控制系统
    因定子绕线机不仅讲究绕的匝数要准确,而且排线出来的密度要均匀,即最少需要两轴之间做插补运算,实现联动;画面可以自由规划;要给客户方便传输加工程序,并且可以对NC程序编辑和存储;控制系统要提供一个D/A口,实现恒张力控制功能。
    另外,客户希望数控系统再开放一个轴,以备后用。
 
三、方案可行性分析
    通过对机械设计和控制技术的要求分析,确定采用一台中达电通通用的四轴H4-4上位机控制系统+3套台达B系列交流伺服ASD-B做下位机控制的控制架构。
具体分析如下:
1.中达电通通用数控H4的主要特点:
    (1)    独立的伺服接口,可以实现多轴联动。
    (2)    电压命令型(V-Comnand)伺服接口,最小解析精度0.001mm,可配合光栅尺或旋转编码器实现闭环、半闭环控制,能够满足精度要求。
    (3)    最大响应速度500KPPS编码器反馈,能够满足快速定位的要求。
    (4)    控制器内存512K的存储空间,可存储1000个NC加工程序,配合标准的CNC键盘可以轻松的编写加工程序。
    (5)    通过CNC简易I/O控制命令和内制PLC开发,能够灵活的实现辅助机能。
    (6)    内置可编程PLC,标准配置为24INPUT/16OUTPUT,最大可以在增加32INPUT/32OUTPUT。
    (7)    2组D/A输出,2组A/D输入,完全可以满足实现恒张力的控制要求。
      通过比较分析,完全可以满足做为上位机的控制要求。
2.台达交流伺服系统的主要特点:
    (1)    具有多种控制模式,可与上位控制器灵活配合,应用广泛。
    (2)    具有位置P-CURVE和速度S-CURVE功能。
    (3)    强健式的控制模式,在负载惯量大范围的变化时,系统仍然可以保持优异的性能。
    (4)    丰富的软件功能,方便用户调试。
    通过比较分析,台达交流伺服系统完全可以满足做为下位机的控制要求。通过对机械结构、负载惯量、输出扭矩的分析计算,故选用:ASDB 400W*1颗、ASDB 750W*2颗做为下位控制器。
     
四、功能设计
1、系统架构

2、外观和功能需求
    绕线机具有寻原点、点动模式、单次模式、自动模式、编程模式、参数设定、测试输出点功能等多项功能。
(1)    系统操作界面规划
    操作界面主要分为以下几个功能区块:

开机画面:

    系统在上电后,进入此画面。此时为待机状态,画面的最下一排是功能显示区。
 
原点模式:
    当画面在原点模式下,分别按下X、Y、Z功能键,在按下启动键可以顺次执行回原点;或者可以按下X&Y&Z功能键,在按下启动键三轴同时回原点。

手动模式:
    到进入手动模式后,可以分别按下X、Y、Z三轴按键,在按 可以实现前后移动或正反转。速度值的大小可以设定。

自动模式:

    在自动模式下,当程式正在运行时,可以观察到目前的各轴的行进情况,目前的加工程式号,参数组别号,当前加工至第几极,以及完成一个工件所需时间。并且可以根据自己的需要,可以实现程式暂停、单步执行。

报警画面:
    当出现报警故障出现时,系统会自动停止运行,并且画面会进入到报警画面,故障警号会反白显示出来。只有当把故障排除后,才可以执行其他动作。

设参数功能:

    在此功能下,客户会根据实际的工件需要设置相应的参数,并且保存于当前的参数组别下,共可以保存12个工件参数,有6页画面的参数可设。客户也可以根据自己的需要,将参数读出来。

 
(2)    重要功能的实现
急停:
    当设备在使用时,出现任何问题时,按下急停,即可阻止危险动作的发生。松开急停后,系统会按规定的动作程序执行归位。以下为动作流程图。

程序见主控制程式。
 
读、写参数功能的实现:
    客户可根据实际工件规格要求设置相应的参数,并将参数储存于控制器中,目前开放了12个工件参数,同时方便客户直接读参数。程序见主控制程式。
 
极绕与层绕功能的实现:
    不同的工件要求不同的绕制方式,目前有两种:极绕和层绕。极绕根据每个极的总匝数,实现自动排线,自动分层,直至绕制完成。层绕要求每个层的匝数可设,根据总匝数分成好多层,一般线径较粗的用此方式加工。程序见主控制程式。
 
工件程式的编制:
    由于每个工件的极数,绕制方式,以及每个汽缸的动作顺序都有可能不一样,所以要求可以用G代码编写出来,这样从而可以节省不必要的环节,大量节约时间。工件程式的存储个数可以达到900多个,完全可以满足所有工件形式的加工。

3、I/O点规划及接线

 
五、结束语

    该数控定子绕线机控制方案具有控制精度高,系统稳定性强,用户操作灵活的特点,为利用中达CNC系统和台达伺服在绕线机行业上的典型案例。
    利用中达电通开放式、全功能通用数控系统,配合台达伺服系统优异的性能,可以灵活地整合出专用的控制系统,提供更有价值的整合方案以满足不同客户与行业的特殊要求。

 


 
 
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