摘要： 以羅升ELMO 多軸控制器在魚尾切溝機(jī)的應(yīng)用介紹了多軸控制器在切槽設(shè)備的應(yīng)
用，介紹了CAN 總線控制方式的優(yōu)點，以及伺服電機(jī)對于步進(jìn)電機(jī)性能的改進(jìn)。
關(guān)鍵字： 羅升伺服電機(jī)、總線系統(tǒng)、穩(wěn)定性、Elmo
一、魚尾切溝機(jī)介紹
魚尾切溝機(jī)是一類精密的產(chǎn)業(yè)機(jī)械（圖1），生產(chǎn)鉆針和銑刀，用于精密PCB 和BGA 要
求高精度，要求高精度以及低速度下的穩(wěn)定性。X 、Y 、Z三軸是用作加工 Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，
刀料夾在Z 軸做旋轉(zhuǎn)， X、Y 軸為刀料坐，每次加工中通過X、Y 軸的反復(fù)運(yùn)動，完成刀料
在不同的位置被砂輪研磨，以使刀具成型。X1、 Y1 軸的作用是控制料盤處于不同位置。X1左右，Y1上下。通過X1，Y1的移動，保證取料的順序。各軸 要求轉(zhuǎn)速不高，基本在200rpm以下（不加減速機(jī)）X、Y、X1、Y1 軸的絲杠長度為X: 180mm ；Y: 200mm ； X1：200mmY1：250mm。
圖1 魚尾切溝機(jī)
二、切溝機(jī)電氣配置方案
圖2 切溝機(jī)電氣配置方案
圖2所示新電氣方案使用羅升HITECH 人機(jī)界面+軸控制器（羅升ELMO Maestro）＋
羅升Elmo 伺服（Basoon）5 臺 構(gòu)架。其中在多軸控制器上擴(kuò)展Wago公司的支持CAN 總線DS401 協(xié)議的輸出模塊（共16 個輸出點）。HMI仍然使用羅升HITECH 型號3261 10.5寸。
三、新方案的特點及優(yōu)點
1）電源系統(tǒng)
羅升ELMO Basoon-5/230 內(nèi)部內(nèi)置濾波器，回升電阻等，可極大的包括驅(qū)動器的壽命，它可以屏蔽從工廠電網(wǎng)傳輸過來的各種電壓波動，確保供給穩(wěn)定的直流電壓，同時內(nèi)置回升電阻，確保吸收驅(qū)動器在高頻率啟停時電機(jī)的回饋電壓。同時該驅(qū)動器符合UL、CE 認(rèn)證。
2）總線系統(tǒng)
采用目前歐洲流行的CANOPEN 總線，CANOPEN 總線是目前應(yīng)用在伺服系統(tǒng)最多的總
線，以其傳輸數(shù)據(jù)的高速性和穩(wěn)定性著稱，而MAESTRO 與ELMO 驅(qū)動器之間通訊協(xié)議是以DS402（專為運(yùn)動控制開發(fā)的CAN 協(xié)議）為基礎(chǔ)的特殊的ELMO 自己的協(xié)議，這樣就使得ELMO的驅(qū)動器與CAN通訊協(xié)議結(jié)合得更加完美，所以ELMO產(chǎn)品并不僅僅是一款符合CAN通訊的伺服驅(qū)動器，同時我們的語言，控制方式，和網(wǎng)絡(luò)都是符合ELMO 特色的產(chǎn)品。
3 ）控制器（羅升ELMO MAESTRO）
MAESTRO 是ELMO 的控制類產(chǎn)品，它向上兼容以太網(wǎng)，RS232,通訊協(xié)議，內(nèi)部使用摩
托羅拉32 位DSP處理芯片，和微軟WINCE系統(tǒng)，內(nèi)置64 兆硬盤（豐富的存儲空間），向下兼容CAN 網(wǎng)絡(luò)（DS301,DS402,ELMO 協(xié)議），可控制多大256 軸，同時ELMO 協(xié)議，發(fā)送一組數(shù)據(jù)單元的時間僅為200 微秒，同時在MAESTRO、ELMO 之間含有ELMO 特制的
CALLBACK 功能，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，同時極大的減小了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。同時MAESTRO可使用以太網(wǎng)，方便的實現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)。同時內(nèi)置可編程I/O，并可自由編程，控制。
4）伺服系統(tǒng)
目前羅升ELMO 系統(tǒng)以其出眾的穩(wěn)定性，超小的體積，強(qiáng)大的功能，已經(jīng)為中國很多軍工院所，醫(yī)療機(jī)械廠家，多軸聯(lián)動的廠家所采用，且得到很高的評價。
羅升ELMO 伺服采用以速度環(huán)衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)的PIP 控制，使得調(diào)試更加簡單，內(nèi)置64 組PID 確
保全速率下平穩(wěn)高速的運(yùn)行，同時高速位置環(huán)采樣時間（240 微秒）、速度環(huán)采樣時間（120微秒）又使得定位更加精準(zhǔn)，速度波動更加平穩(wěn)，同時內(nèi)置5 組濾波器，同時可以對系統(tǒng)進(jìn)行FFT（快速傅麗葉變換）得到系統(tǒng)共振點，減小系統(tǒng)共振，并可在驅(qū)動器內(nèi)部設(shè)置平滑系數(shù)，減小系統(tǒng)沖擊。并采用載波頻率為22K 的開關(guān)期間，使得伺服驅(qū)動器發(fā)到伺服電機(jī)的電流特性更佳。
5）配線優(yōu)點
CAN BUS 對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可極大減少電控箱內(nèi)配線，使得系統(tǒng)弱電信號的干擾降到
最低。
6）系統(tǒng)搭配
整套系統(tǒng)均為羅升合作伙伴以色列ELMO 公司設(shè)計，以色列生產(chǎn)，符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)，且均
為同一公司生產(chǎn)制造，所以不存在任何兼容問題，可使整套系統(tǒng)達(dá)到無縫對接。而且MAESTRO與ELMO SIMPLIQ 內(nèi)控制方法，控制語言，具有對接性強(qiáng)，傳承性，這是采用不同公司控制產(chǎn)品所不能比擬的。
7）提高速度
由于已經(jīng)在歐洲普遍應(yīng)用，所以MAESTRO 內(nèi)部亦含有非常豐富的功能，將運(yùn)動控制發(fā)
揮到極致。決定系統(tǒng)速度的有很多因素，有控制方法的優(yōu)化，伺服電機(jī)的性能等，而控制方法的優(yōu)化很大程度取決于系統(tǒng)編程思路的開放性，而目前ELMO 在這方面可謂是極大的開放，只要你有思路，就可以通過MAESTRO 來完成。也就是說MAESTRO 內(nèi)部有很多控制模式PT,PVT,ECAM等等，所以我們只需要選擇我們所需要的功能，即可實現(xiàn)我們所需要的功能。
8）提高精度
系統(tǒng)精度，系統(tǒng)的精度取決于幾個因素，電機(jī)反饋精度，機(jī)械情況，應(yīng)用ELMO 系統(tǒng)可
以通過各種分析對我們的系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行分析，對我們提高系統(tǒng)的剛度，降低共振造成的不良影響。同時因為ELMO 系統(tǒng)的高速的位置環(huán)采樣時間，和高速的CAN 網(wǎng)絡(luò)傳遞速度，可以很大的提高我們的系統(tǒng)速度，舉例：MAESTRO 知道伺服電機(jī)的運(yùn)行位置的時間為，240 微妙（伺服位置環(huán)刷新時間）+200 微妙（CAN 網(wǎng)絡(luò)PDO 傳遞數(shù)據(jù)時間），即400微秒就可以完成該功能。
9）系統(tǒng)穩(wěn)定性
ELMO 公司MAESTRO 采用PC BASED 框架，內(nèi)部各芯片均采用成熟芯片（包括CPU，CAN 網(wǎng)絡(luò)芯片），ELMO 伺服驅(qū)動器采用FASST（FAST AND SOFT SWITCH SWITCH
TECHNOLOGY）很大程度上減小了系統(tǒng)的熱損等。
四、結(jié)論
1. 本文所述的設(shè)備是切溝研磨設(shè)備，上圖中為生產(chǎn)的最終產(chǎn)品。在進(jìn)行工藝了解時，首先要對最終產(chǎn)品研究，以確定初期選型的方案。例如客戶產(chǎn)品為魚尾銑刀以及鉆針，看似很復(fù)雜的產(chǎn)品，在與公司生產(chǎn)部進(jìn)行討論研究后，銑刀以及鉆針的詳細(xì)生產(chǎn)工藝如下：
a． 銑刀 銑刀工藝比較簡單，加工相對于銑刀比較粗，料直徑>1mm。旋轉(zhuǎn)軸與直線運(yùn)動
的合成，關(guān)鍵問題在于分刃，以及左旋右選的合成，每刀采用的是PTP運(yùn)動，斜度是
由Y 軸的PVT曲線合成。
b． 鉆針 鉆針工藝比較復(fù)雜，加工比較精細(xì)，料直徑<0.45mm。最小直徑的是0.15mm。
包括單段式以及三段式，單段里面首先是切主溝2 刀，在主溝完成后需要切邊刀，邊
刀與主溝之間旋轉(zhuǎn)一個角度，然后進(jìn)行邊刀切割，邊刀與切溝之間有韌帶是工藝上的
難點。韌帶的作用是在鉆針工作的時候鉆動的主力，相當(dāng)于刀的開刃，因此非常重要，
每個鉆針必須有韌帶，并且韌帶要與主溝平行。
2. 對工藝熟悉后判斷現(xiàn)有產(chǎn)品是否能滿足工藝生產(chǎn)要求并根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行電氣配置選型
客戶以前的配置是 HMI + 研華工控機(jī) + 研華運(yùn)動控制卡 + 5臺東方步進(jìn)電機(jī)，客戶希
望HMI的程序不做改動，以現(xiàn)有產(chǎn)品提出新方案 羅升HMI + 羅升ELMO Maestro + 5 臺羅升ELMO 伺服。由于Maestro的輸出點只有8 個，驅(qū)動器的輸出點2 個/臺，共10個，但是客戶需要26 個輸出點，因此選擇支持CANopen協(xié)議的WAGO 擴(kuò)展輸出點，輸入點需要10 個，Maestro以及驅(qū)動器上的輸入點夠用。
3. 根據(jù)工藝，在HMI上以及各個設(shè)備上從新規(guī)劃I/O
根據(jù)Maestro與HMI 的協(xié)議，在HMI 上從新定義按鈕，數(shù)值顯示，數(shù)值輸入輸出等。此
規(guī)劃要在后續(xù)的程序編寫中應(yīng)用。
4. 配電盤制作
由于客戶對我們的產(chǎn)品不熟悉，只是對以前的工控機(jī)接線方式比較熟悉，所以需要我們
自己制作配電盤。根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃好的各個設(shè)備上的輸入輸出點進(jìn)行接線。要盡量與之前工控機(jī)的接線方式保持一致。把原點開關(guān)放在每個驅(qū)動器上，其它的輸入輸出為了編程方便以及響應(yīng)快，放在Maestro以及WAGO 的擴(kuò)展輸出上。驅(qū)動器與Maestro的接線方式是不一樣的，需要接電阻值也不相同。在接線的時候首先做測試，把24V 電源與輸出，輸入分別測試，如果輸入能夠被檢測到，或者輸出能夠被控制，則證明接線正確，再做完整的接線工作。
圖3 加工產(chǎn)品結(jié)果
5. 調(diào)試驗收是項目開發(fā)中最關(guān)鍵的階段，考驗程序是否可靠就在這個階段，與編寫程序相
同，從簡單的手動運(yùn)行開始，然后是空車銑刀運(yùn)行，然后是空車鉆針運(yùn)行。接下來是銑刀實際加工，銑刀連續(xù)加工，鉆針實際加工，鉆針連續(xù)加工。
驗收中遇到很多問題，基本屬于加工工藝問題，總結(jié)如下：
a． JOG 過程 以前認(rèn)為JOG過程不重要但是經(jīng)過客戶實際介紹，JOG 的響應(yīng)是否快，是否準(zhǔn)確是影響加工的非常主要的一個過程，在對刀的過程中需要使用到JOG，要求在低速下響應(yīng)快，如果不能加快響應(yīng)速度的話在對刀的時候，Y 軸很容易會撞到砂輪，造成損失。解決的方法是在軸相選擇時把掃描油壓輸出的過程去除，這樣就能保證了JOG 時候的程序執(zhí)行速度，從而實現(xiàn)實時響應(yīng)。
b． 回原點過程，連續(xù)回原點與單獨回原點。在開機(jī)后回原點過程，連續(xù)回原點，總是Y 軸與實際運(yùn)動不符，原因是回原點的設(shè)置不正確，在進(jìn)行設(shè)置改動后，回原點過程完成。
c． 急停邏輯也增加了很多，急停按下后要完成的動作Y 軸后退防止撞砂輪。手臂邏輯以及換刀座邏輯，砂輪停止，切削液停止等，這些邏輯是在實際操作中根據(jù)客戶要求增加。
d． 在加工銑刀時候，由于最初對切溝角的計算錯誤，使X 軸與Z 軸的合成曲線實際位置錯誤。在實際加工出的表現(xiàn)為切溝角錯誤，從新計算了切溝角，并根據(jù)計算結(jié)果從新規(guī)劃X 軸與Z軸的合成曲線，即Z軸轉(zhuǎn)動過的距離與X 軸的走過的距離，即溝長的對應(yīng)。問題得以解決。
e． 參數(shù)存儲問題 參數(shù)在加工后做到實時存儲。由于Flash 的擦寫次數(shù)有限，因此要做到實時存儲，必須次數(shù)要少，在需要的時候存儲。把存儲的位置加在每次自動運(yùn)行停止之后，減少了存儲次數(shù)，并做到了實時存儲。
f． 偏移量改變輸入。改變偏移量輸入時做到輸入的數(shù)據(jù)加在原有的數(shù)據(jù)上面。方便加工中調(diào)整，防止輸入錯誤。這個功能在HMI上寫宏指令實現(xiàn)。
g． 鉆針加工工藝在抬刀的時候要提前抬刀，防止后端吃刀過深，回使鉆針在使用中容易斷裂。因此在程序中加提前抬刀過程，效果比較好。
h． 鉆針加工中會在切溝或者是邊刀中會有鈍刀的現(xiàn)象，在監(jiān)視電機(jī)運(yùn)行曲線時候發(fā)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行是非常平穩(wěn)的，并沒有停頓現(xiàn)象，實際更換砂輪后，鈍刀現(xiàn)象消失。
i． 最終我們羅升電氣部分已經(jīng)完成，程序也經(jīng)歷了考驗。但是在測試0.2mm 料的時候一直不是理想，監(jiān)視電機(jī)曲線，沒有問題，與客戶達(dá)成一致，是機(jī)械或者是料的問題，也得到客戶的認(rèn)可。
