基于VersaMotion的单轴位置控制装置设计与调试

刘艺柱

（天津中德职业技术学院，天津 300350）

0 引言

随着自动化水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问题。位置控制的精确性主要取决于伺服驱动器和运动控制器的精度。高端的运动控制模块可以对伺服系统进行非常复杂的运动控制。但在有些位置控制的场合，其对位置精度要求比较高，但运动轨迹简单，这就没有必要选择昂贵的高端运动控制系统[1]。GE智能平台VersaMotion作为一款独立型单轴控制器，常用于低端位置控制应用。因此，如何利用VersaMotion实现对伺服电机运动位置精准控制是本文的研究重点。

1 控制系统描述

1.1 控制对象

单轴位置控制对象原理如图1所示。

图1 单轴位置控制对象原理图

1.2 控制流程

单轴位置控制工作流程图如图2所示。

图2 单轴位置控制流程图

1.3 结构设计

结构设计如图3所示。伺服电机、THK1605型精密滚珠丝杠（含滑台）、THK90精密数控直线导轨和支架等组成传动装置。组合气动机械手安装在滑台上，滑台由导轨支撑、滚珠丝杠驱动；丝杠经联轴器与伺服电机连接。操控指示台与传动装置分离，便于远距离监控。

THK1605型精密滚珠丝杠具有摩擦小、精度高、满足于高低速场合应用等特性。全长600mm，丝杠导程5mm，滚珠圈数4圈，重复定位精度误差为±0.02mm。THK90型精密数控直线导轨具有摩擦小、机械强度高等特性。导轨直径16mm，导轨全长600mm。铝制型材工作台由4080型和4040型铝合金型材通过专用直角连接件拼接而成。

安装时SQ2距SQ326mm，SQ3距SQ5387mm；SQ4在SQ5的左侧，两者距离L1=28mm；滑台宽度W=60mm。L1＜W是指机械手到达放料位SQ5时，能够同时触碰到SQ4和SQ5，目的是为电机反转发出控制信号。

图3 单轴位置控制对象实物图

2 系统硬件设计

控制系统包括电气控制回路和气动控制回路两部分。电气控制回路主要是由IC800VMA022-BB进阶泛用型伺服驱动器、IC800VMM02LNKSE25A伺服电机、时间继电器、开关和指示灯等组成；而气动回路则是由多组电磁阀气缸与若干气路组成[2]。

2.1 硬件选型

2.1.1 伺服驱动器

图4所示为IC800VMA022-BB进阶泛用型区数字伺服驱动器及接口接线图。伺服驱动器的铭牌参数如表1所示。

表1 伺服驱动器铭牌参数表

伺服驱动器使用方便、操作维护简单，可以处于长时间连续运行状态，具备位置、速度、扭矩三种标准控制模式，可实现原点归位、分度、自动循环定位、瞬时停电再启动、参数跳变、模式切换等功能，及过电流、过电压、欠电压、过负载、编码器故障等自我保护功能，具有较高的环境适应和抗干扰能力。

2.1.2 伺服电机

IC800VMM02LNKSE25A型伺服电机的铭牌参数如表2所示。

表2 伺服驱动器铭牌参数表

伺服电机可实现位置、速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；低速运行平稳、高速性能好、加减速的动态相应时间；发热慢、噪音低、抗过载能力强；特别适用于有瞬间负载波动和要求快速起动响应的场合。

2.1.3 时间继电器

欧姆龙H3Y-2S通电延时型继电器的名牌参数如表3所示。

表3 时间继电器铭牌参数表

欧姆龙H3Y-2S通电延时采用集成电路作主要元件，具有延时范围广，延时精度高，可靠性好，寿命长以及体积小，重量轻等优点，广泛应用于各种要求高精度、高可靠性的自动控制系统。

2.2 电气控制回路设计

电气控制回路主要由主电路和控制电路两部分组成，主电路主要是指伺服电机的驱动电路，控制电路主要是指伺服驱动器的控制接口电路。伺服驱动器的接线图如图4所示。

伺服驱动器的CN1接口通过专用线缆扩展为CN1端子接线排，端子接线排上有50个端子接口，分为上下两排，每排25个端子；每个端子接口标有接口序号和接口功能代码。接线端子排实物图及具体电路接线图如图5所示。

图4 伺服驱动器各功能口应用接线图

3 系统参数设置

3.1 参数计算

系统中定位控制距离、丝杠导程和伺服电机转数三者之间的关系如公式(1)所示。

其中，r为电机转数，L为定位控制的距离，l为误差距离，Ph为丝杠的导程。

对于误差距离l需要设置一定的脉冲数加以修正，以 IC800VMM02LNKSE25A型伺服电机旋转编码器每转产生10000个脉冲为例。脉冲数、误差距离、丝杠导程三者的关系如公式（2）所示。

图5 接线端子排实物图及接线图

其中，n为脉冲数，l为误差距离，Ph为丝杠导程。

以原点位SQ2为基准，抓料位SQ3距SQ226mm，即：L=26mm，丝杠导程Ph=5mm，代入公式（1）计算得：r=5，l=1mm；l=1mm代入公式（2）计算得n=2000。

实际运行中，滚珠丝杠自身误差、机械行程开关触点误差、装配误差都影响控制精度。经过现场调试修订，最后r=5，n=2540。

机械手抓料位SQ3距放料位SQ5387mm，即L=387mm；代入公式（1）计算r=77、l=2mm；l=2mm代入公式（2）计算得n=4000。调试修订，最后r=77，n=4840。

3.2 参数设置

伺服驱动器参数是通过操作伺服驱动器面板进行设置的，设置数值保存在驱动器的内部寄存器中。伺服驱动器参数设置流程如图6所示。

图6 伺服驱动器参数设置流程图

单轴位置控制系统中伺服驱动器的具体参数及设定值如表4所示。

表4 参数设置表

4 调试中问题及处理

问题：机械手循环流程不稳定、时常失效。

原因分析：系统循环同时满足两个重要条件：1）伺服电机运转脉冲数达到伺服驱动器的设定值；2）伺服驱动器接收到返程脉冲。现场测试伺服电机和伺服驱动器质量没有问题，返程脉冲是由放料行程开关发出的也没有问题。分析原因是两个条件不同步，时间上条件2）早于条件1），而驱动器是在条件1）满足的情况下才去判断条件2）造成的。因此对于高精度的伺服驱动机构，机械装置和开关行程误差就不能忽略不计。

处理办法：设计通电延时型时间继电器作为调节部件。原理是利用行程开关控制时间继电器定时，以时间继电器的动合触点作为产生条件b的脉冲。有效地消除了行程开关直接作为动作指令开关所导致的故障，降低调试难度，提高了系统运行的稳定性。

5 结束语

充分利用伺服驱动器的功能，实现了伺服电机精确、快速、有效的定位控制。目前该装置已在“暖宝宝”自动发热贴包装设备上得到了较好的应用，成本低，维护方便、运行可靠。

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