英威腾伺服系统在立式加工中心上的应用

2014/10/31 9:48:54

1.引言 
        本文主要介绍了上海英威腾H600高精度伺服系统作为进给驱动在立式加工中心上的应用。

 

 

2.立式加工中心 
        立式加工中心是指主轴为垂直状态的加工中心,其结构形式多为固定立柱,工作台为长方形,无分度回转功能,适合加工盘、套、板类零件,它一般具有三个直线运动坐标轴,并可在工作台上安装一个沿水平轴旋转的回转台,用以加工螺旋线类零件。
        立式加工中心装卡方便,便于操作,易于观察加工情况,调试程序容易,应用广泛。
3.加工中心技术要求

工作台台面尺寸

Table size ( W X L )

590*1450 mm

工作台T型槽

Table tee slots

18*5*125 mm

工作台最大承重

Max load of table

1350 kg

X/Y/Z向行程

X/Y/Z travel

1270/610/760mm

X/Y/Z导轨形式

X/Y/Z guideway type

滑轨

X/Y/Z快速移动速度

X/Y/Z Rapid speed

20 m/min

切削进给速度范围

Cutting feed speed range

1~8000 mm

主轴中心线至主柱导轨面距离

Distance from spindle center to vertical guideway

635 mm

主轴端面至工作台面距离

Distance from spindle nose to table center

150~910 mm

主轴锥孔

Taper of spindle

ISO50

主轴电机功率

Spindle motor power

11/15 kw

主轴转速范围

Spindle speed range

20~6000 rpm

主轴最大输出扭距

Max.output of spinder

95.4 N.m

刀库容量/形式

Tool magazine capacity / type

斗笠式、圆盘式

刀具最大重量

Max.weight of tool

15 kg

刀具最大直径/长度

Max.dia/length of tool

147 / 350 mm

换刀时间(刀对刀)

Tool change time (T-T)

8 s

定位精度

Position accruacy of coordinate

+0.010 mm

重复定位精度

Repeatability

+0.005 mm

机床总功率

Total motor power

35 kw

机床外形尺寸(长X宽X高)

Overall dimensions (LxWxH)

3200X2650X3320 mm

机床重量

Weight of machine

 

4.伺服与上位机的接线示意图

上位机跟伺服驱动器之间只靠一根工业网线通过ETHERCAT通讯来实现数据的传输与反馈,接线简单,同步性高,速率快。
4.1H600伺服所应用的EtherCAT通讯 
        EtherCAT是开放的实时以太网络通讯协议,最初由德国倍福自动化有限公司(Beckhoff Automation GmbH) 研发。EtherCAT为系统的实时性能和拓扑的灵活性树立了新的标准,同时,它还符合甚至降低了现场总线的使用成本。EtherCAT的特点还包括高精度设备同步,可选线缆冗余,和功能性安全协议(SIL3)。
运行原理:
        通过采用EtherCAT技术, Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制:不必再像从前那样在每个连接点接收以太网数据包,然后进行解码并复制为过程数据。当帧通过每一个设备(包括底层端子设备)时,EtherCAT从站控制器读取对于该设备十分重要的数据。同样,输入数据可以在报文通过时插入至报文中。在帧被传递 (仅被延迟几位)过去的时候,从站会识别出相关命令,并进行处理。此过程是在从站控制器中通过硬件实现的,因此与协议堆栈软件的实时运行系统或处理器性能无关。网段中的最后一个EtherCAT从站将经过充分处理的报文返回,这样该报文就作为一个响应报文由第一个从站返回到主站。
        端子实现以太网: 系统的每个设备都保证使用完整的以太网协议,甚至每个I/O端子亦如此,无需使用子总线。只需将耦合器的传输介质由双绞线(100baseTX)转换为E总线即可满足电子端子排的要求。端子排内的E总线信号类型(LVDS)并不是专用的,它还可用于10千兆位以太网。在端子排末端,物理总线特性被转换回 100baseTX 标准。
        标准以太网MAC或便宜的标准网卡(NIC)足以作为控制器中的硬件使用。DMA(直接存储器存取)用于将数据传输到PC。这意味着网络访问对CPU性能没有影响。在Beckhoff多端口卡中运用了相同的原理,它在一个PCI插槽中捆绑最多4个以太网通道。
        协议: EtherCAT协议针对过程数据进行了优化,它被直接传送到以太网帧,或被压缩到UDP/IP数据报文中。UDP协议在其它子网中的 EtherCAT网段由路由器进行寻址的情况下使用。以太网帧可能包含若干个EtherCAT 报文,每个报文专门用于特定存储区域,该存储区域可编制大小达4GB的逻辑过程镜像。由于数据链独立于EtherCAT端子物理顺序,因此可以对EtherCAT端子进行任意编址。从站之间可进行广播、多点传送和通讯。 
        除了符合主站/从站原理的数据交换外,EtherCAT还非常适用于控制器之间(主站/主站)的通讯。可自由编址的过程数据网络变量以及各种参数化、诊断、编程和远程控制服务,可以满足众多要求。用于主站/从站和主站/主站通讯的数据接口是相同的。
        性能: EtherCAT在网络性能上达到了一个新的高度。1000个分布式I/O数据的刷新周期仅为30μs,其中包括端子循环时间。通过一个以太网帧,可以交换高达1486字节的过程数据,几乎相当于12000个数字量I/O。而这一数据量的传输仅用300μs。
        与100个伺服轴的通讯只需100μs。在此期间,可以向所有轴提供设置值和控制数据,并报告它们的实际位置和状态。分布式时钟技术保证了这些轴之间的同步时间偏差小于1微秒。
        利用 EtherCAT 技术的优异性能,可以实现用传统现场总线系统所无法实现的控制方法。这样,通过总线也可以形成超高速控制回路。以前需要本地专用硬件支持的功能现在可在软件中加以映射。巨大的带宽资源使状态数据与任何数据可并行传输。EtherCAT技术使得通讯技术与现代高性能的工业PC相匹配。总线系统不再是控制理念的瓶颈。分布式I/O的数据传递超过了只能由本地I/O接口才能实现的性能。
4.2 现场电控柜结构图片

 试机过程中为考验伺服驱动器散热不良的环境下工作,故意将其安装紧靠在一起,长时间运行,在散热不良的环境下运行,H600,试机结果没有任何问题。

4.3加工工件图片

 

 加工工件表面光洁度很好,并且没有象限凸起(在圆弧插补过程中,由于XY轴过象限交点而引起的表面象限楞凸起)的痕迹。整个圆弧插补的过程,XY轴伺服进给高响应性的结果。

        结语:H600伺服在立式加工中心上的应用,与上位机通过通过采用EtherCAT技术, Beckhoff突破了其它以太网解决方案的这些系统限制,在网络性能上达到了一个新的高度。也正因为此,工件在加工过程中由于各轴的高度同步性,加工效果,非常的令人惊叹,这将是机床加工领域驱动进给方向的一个新的突破。

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