影响数控飞剪机动态剪切精度的诸因素实验研究

摘要：本文精确地分析数控齿条机动态剪切工作模式，论述了影响动态剪切精度的各种因素及其调整优化方法。对编码器脉冲信号的防干扰措施，PLC计数器的使用，伺服电机加减速时间与动态剪切行程差的关系，伺服电机延迟启动的原因都做了详细的研究。对同类机械的控制系统设计和调试有借鉴意义。

关键词：动态剪切编码器计数信号抗干扰伺服电机延迟启动

1.工作机械的运行方式及控制系统构成

①放卷工步由变频器驱动实施钢带放卷。

②成型工步完成冲齿和成型。

③移动剪切平台（以下简称移动平台）完成对齿条的剪切。

本文讨论的是“移动剪切平台对齿条的动态剪切过程及其各影响因素”。

1.1移动剪切平台对齿条的动态剪切过程

⑴齿条的运动

齿条的运动速度由成型工步的速度决定。成型工步由变频器驱动。其速度是一确定值。

⑵移动平台由数控系统的伺服电机驱动。移动平台上装有编码器和冲切模。由编码器对齿条的长度进行数齿计数。由冲切模实施动态冲切。

⑶动态冲切

①在正常工作时，齿条由成型工步驱动以规定的速度运行。齿条进入移动平台后，安装在移动平台上的编码器对齿条的齿数进行计数，当计数信号到达“启动计数值”时，数控系统发出伺服电机正向启动信号。

②移动平台正向移动跟随齿条运动速度，当计数信号到达“齿长计数值”时，此时移动平台速度已经与齿条运动速度相等，系统发出冲切信号切断齿条。

③移动平台正向停止，反向运动回到起点。等待下一次冲切循环。

1.2移动平台控制系统的构成

（1）控制系统主控单元三菱FX1S-20MR。FX1S-20MR负责接收编码器计数信号，发出移动平台启动信号，冲切信号，正向停止信号、反向启动信号。

⑵移动平台的伺服电机是数控系统中的一个伺服轴。其正向启动/停止，反向启动/停止信号由主控单元三菱FX1S-20MR发送至数控系统。

⑶编码器为国产编码器，每转32脉冲。对应于齿条是每齿1个脉冲。脉冲信号接入FX1S-20MR。

2.移动平台的动态冲切模式分析

在编制完成移动平台的PLC程序和设置伺服电机的相关运行参数后，对齿条进行了试切。以5条为一组试验了各运行参数。其结果是移动平台运行节拍符合生产要求，但齿条长度长短不一。试验了各种参数仍然没有得到满意结果。为此必须对移动平台的冲切方式及影响冲切精度的各因素进行仔细的分析，找出影响冲切精度的主要原因。

2.1移动平台的动态冲切模式分析

移动平台的动态冲切过程如图2所示：

（1）A-B阶段：

齿条进入移动平台后，安装在移动平台上的编码器对齿条的齿数进行计数，当计数信号到达“启动计数值”时，数控系统发出伺服电机正向启动信号。

移动平台启动加速运行，当“齿条行程”与“移动平台行程”之差=跟随行程，即图2的B点，系统发出计数完成信号（已经达到标准剪切长度）。

（2）B-G阶段：

移动平台继续加速运行，齿条也继续运行，这一阶段移动平台速度尚未到达齿条运动速度，两者之间有相对移动。这一阶段产生的相对移动即“剪切长度误差”

（3）B-C阶段：

速度跟随阶段。目的是让移动平台速度达到齿条速度，使两者速度完全相等。

（4）C-D阶段。在C点发出冲切启动信号。由于电气机械的延迟约200ms，实际在D点位置切断齿条。

（5）D-E阶段。

在E点位置编码器计数清零。由于冲切的震动会引起编码器误动作发出脉冲。为消除该影响，因此延迟到E点才发出清零脉冲。所以从B点---E点这一区间齿条与移动平台的相对运动（尽管很小）没有受到编码器的计数监视。（实际试验中，在B点就发出清零信号剪切长度最整齐就是因为齿条运动全程受到监视。）

不管震动脉冲是正，负都在E点被清掉。

但在E—F阶段还出现震动脉冲，就可能出现两种情况：

①正脉冲-------出现短齿。

②负脉冲------出现长齿。

（6）E-F阶段。计数器清零---移动平台正向停止阶段。这一阶段要保证清零完成再正向停止。在该阶段出现过清零时间延迟到正向停止点出现正常计数脉冲被清零从而出现“长齿”的现象。

2.2移动平台动态冲切的PLC程序

根据对移动平台动态冲切模式的分析，编制了运动部分的PLC程序：

第0步为设置“滤波系数”，提高计数口X0接收计数信号的频率。

第6步以X0为接收编码器计数信号口。计数器C1为齿条长度齿数计数。C3为移动平台启动计数。

第14步计数器C3到位，发移动平台启动信号（Y0）

第35步计数器C1到位，延时T201时间后发冲切指令（Y5）

第37步计数器C1到位，延时T202时间后发计数器清零指令。

2.2影响剪切长度精度的因素

基于对移动平台的动态冲切模式分析，归纳出影响剪切长度精度的因素如下；

（1）编码器脉冲信号

（2）同步冲切-----在冲切时，如果移动平台与齿条有相对运动，则冲切长度无法保证。为了实现同步冲切必须调整跟随时间，即图2中的C-D阶段和PLC程序中的T201。

（3）伺服电机加速时间

3.对影响冲切精度诸因素的进一步分析和优化

3.1编码器脉冲信号的影响

编码器脉冲信号-----编码器脉冲信号是控制移动平台运动和发出冲切信号的基础。如果有干扰信号窜入计数器，则冲切长度变短。如果漏掉了编码器脉冲信号，则冲切长度变长。因此在分析冲切齿条长度时，如果齿条过长过短，都首先判断是计数脉冲不正常。

齿条机配置的编码器为国产编码器，特地为齿条机配置。

每转32脉冲，对应为每齿1脉冲。

齿条齿距=6mm。当齿条速度=13000mm/分，其对应的脉冲频率=36HZ，而PLC常规接口可接受的信号频率=25HZ，因此不能直接使用常规接口。

（1）使用高速计数器

三菱FX1SPLC具备高速计数器功能。为此首先使用单相高速计数器C235，但是高速计数器C235很容易受干扰，当编码器信号接入高速计数器后，在PLC监视画面上观察到一旦编码器旋转，计数器数据立即紊乱。即使编码器不转，计数器数值也无规律增加，显然是受到干扰。（接线不规范也会加剧干扰，现场接线曾经发生未使用接线端子而干扰加剧的现象，改用接线端子后，干扰减少。）

使用双相高速计数器C251，干扰的影响大大减少。但是也不稳定。某一时间段计数稳定。某一时间段计数不稳定。由于PLC和数控伺服系统及变频器同装于一台控制柜内。数控伺服系统及变频器对PLC显然是有严重干扰。经过多次试验后，放弃了使用高速计数器方案。

（2）使用普通计数器

使用普通计数器要解决如何提高接收信号频率的问题。其方法之一是缩短输入信号的滤波时间。三菱PLC具备缩短输入信号的滤波时间的功能，其方法是向D8020设置数字。如图3PLC程序第0步。通过这一方法，可以将接受信号频率提高到50HZ。

这样就可以满足齿条的运行速度要求。但是输入信号的滤波时间不能够设置过小，设置过小其抗干扰能力就降低。必须摸索应该最佳数据。其数据D8020=3-5

在现场中对编码器的抗干扰做了如下措施：

①编码器屏蔽线接地。

②单独穿金属管。

3.2加速时间

动态剪切的最重要阶段是移动平台的加速跟随阶段，即图2中的A-G阶段。在论述这一阶段前必须先给出相关的运动参数。

（1）相关运动参数

①齿条长度------以齿数表示。如200齿。

②齿距L-----------单位mm。

③跟随齿数N（距离）-----预留的一段行程，在该行程内，移动平台加速达到齿条运行速度。

④齿条运行速度V----mm/秒

⑤加速时间T-----移动平台加速到齿条速度的时间

(2)“行程差”和“加速时间”计算

在加速阶段：

根据式1和图2，加速时间T决定了加速阶段的行程差，从理论上分析，只要精细的调整加速时间，可以在“行程差=跟随距离”的同一时间点，使移动平台的速度=齿条速度。

在实际调试时，先根据式2确定跟随齿数（距离）；再根据式3精确调整加速时间。其原则上在移动平台总行程范围内尽可能延长加速段，其原因是加速时间越长，加速越平稳，避免加速时间太短引起的加速振荡，从而影响同步速度的平稳。

3.3计数器清零时间

计数器清零时间----在多次冲切过程中观察到，齿条总长度经常短1-2个齿。发生短齿必然是有非正常的脉冲进入。这多出来的脉冲是那一环节产生的呢？经过试验和比较，发现在动态冲切时，冲切产生较大的机械振动，而编码器和冲切模具都装在移动平台上，冲切振动引起编码器抖动有时会发出1个脉冲信号。这个脉冲信号被计入正常计数值，所以导致齿条长度短1齿。

为了消除这一影响。必须将计数器的清零点安排冲切完成后

再延长一个时间段，即图2中的“E”点。这样即使有振动脉冲进入计数器，也在“E”点被清除。从“E”点开始重新进行下一循环的计数。（从理论上分析，计数器的清零点应该安排在“G”点，即当前计数值一到达，立即清零。进入下一循环的计数）

在PLC程序中，计数器清零时间为T202。计数器清零时间必须反复试验以获得最佳值。

4实验结果及关键因素

4.1防干扰措施及实验步骤

为了排除电磁干扰波的影响，采取了如下措施：

（1）将PLC移出控制柜，单独给PLC供AC220V电源，PLC接地。将PLC完全封闭在另一金属柜内。使PLC部分完全独立。排除干扰的影响。

（2）齿条运行速度=13米的实验

相关参数跟随齿数=10，加减速模式：直线加减速。

加减速时间360—400ms，

剪切结果：多数长度=1015-1022，偏长4-10mm。

调节伺服电机加减速时间，有效果，但是调到最好状态也是偏长4-10mm。在同一组参数下，长短不一。即使有几组切得长度一样。也是偏长。

（3）齿条运行速度=8米的实验

相关参数跟随齿数=7，加减速模式：直线加减速。

加减速时间300--360ms

剪切结果：多数长度=1015-1022，偏长4-10mm。一组中也有1-2根偏短5mm。

4.2对实验结果分析

使用各种参数对移动平台的动态冲切进行了实验，但冲切效果仍然很差。在同一组参数下，冲切齿条长度长短不一。实验结果如表1

表1动态冲切实验记录

从表1的实验数据看，调节加速时间有效果，当加速时间逐渐变小时，剪切齿条长度逐渐逼近标准长度，但是无法达到标准值。而且一组齿条长短不一。在影响冲切精度的诸因素中，已经排除了干扰的影响和漏计脉冲的影响（降低了运行速度），而且加速时间，同步跟随时间，清零时间都已经反复调节并处于受控状态。但冲切长短数据结果是如此分散。那么必定有一“不受控因素”或“随机因素”在起作用。

5寻找关键因素

5.1延迟时间的影响

再一次分析“移动平台的动态冲切模式”并仔细观察实际的冲切过程，发现移动平台的启动存在延迟------即从PLC发出启动信号到移动平台实际启动，有120ms左右的延迟时间。

齿条机的控制系统由“PLC+NC”构成，在PLC---NC之间信号传递过程及时间如下：

⑴PLC负责接收计数信号，经过运算后发出移动平台启动信号，“PLC的扫描周期+输出延迟”约20ms。

⑵启动信号被送入数控系统并处理，这段时间约60ms。

⑶数控发出伺服轴启动信号经过总线送入“伺服驱动器。”这段时间约40ms

因此，总延迟时间约100-120ms。这段时间是由系统硬件性能所决定，不受控制。

而在这段延迟时间内，（当齿条以13000mm/分速度运行）齿条已经运动了29mm左右。

在图2所示的动态冲切模式中，0-A阶段就是延迟阶段。

而行程差计算公式必须修正为：

在齿条机控制系统中，由于延迟时间不是一个稳定的值，所以其大大影响了齿条冲切精度。

5.2整改措施及效果

为了减少延迟时间的影响，采取了如下措施：

⑴更换移动平台驱动系统，由PLC直接控制该驱动系统。减少中间信号的传递环节。

⑵降低齿条运行速度。

经过以上处理后，移动平台的动态剪切精度得到保证。

6.结束语：

动态冲切不同于静态冲切。在静态冲切中100ms的延迟时间不会对冲切精度有任何影响，而在动态冲切中，延迟时间就成为影响剪切精度的主要因素。保持移动平台与齿条的同步运行也是动态剪切的基础。