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      摘要：應(yīng)用REXROTH  DKR系列主軸驅(qū)動(dòng)器改造RENAULT自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床，詳細(xì)介紹DKR系列主軸伺服驅(qū)動(dòng)器的選型、硬件配置、參數(shù)設(shè)定、接口信號(hào)、安全調(diào)試等。

 
      1.背景

      XF0218是RENAULT自動(dòng)化1995年為神龍汽車公司襄陽工廠設(shè)計(jì)制造的一臺(tái)數(shù)控車?yán)玻糜?1發(fā)動(dòng)機(jī)車間曲軸L1線EC曲軸連桿徑車?yán)庸ぁＴ摍C(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用法國NUM1060系列，主要控制軸有刀盤進(jìn)給X軸，刀盤旋轉(zhuǎn)C軸，工件旋轉(zhuǎn)主軸S軸。S軸采用機(jī)械花鍵軸連接的方法來實(shí)現(xiàn)頭尾架同步，即頭架驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)頭架來帶動(dòng)曲軸，同時(shí)又通過一長花鍵軸將動(dòng)力傳到尾架，再經(jīng)過減速箱使尾架與頭架實(shí)現(xiàn)同步，X軸使用光柵尺反饋保證加工精度，C軸和S軸使用外置編碼器保證旋轉(zhuǎn)精度，主軸S軸同時(shí)使用外置傳感器檢測初始原位，保證機(jī)械手上下料不與卡盤干涉。

      由于該機(jī)床的主軸S軸工作負(fù)荷較大，加工時(shí)啟停頻繁，加之備件老化等原因，導(dǎo)致主軸驅(qū)動(dòng)器損壞率較高，維修成本居高不下。同時(shí)該型號(hào)的RAC驅(qū)動(dòng)REXROTH已經(jīng)停產(chǎn)數(shù)年，損壞的驅(qū)動(dòng)備件一般依靠外委維修來維持。為了保障公司的產(chǎn)能提升需求，降低維修成本，率先對(duì)該機(jī)床主軸伺服驅(qū)動(dòng)實(shí)施改造勢在必行。

      2.主軸驅(qū)動(dòng)選型

      2.1原主軸驅(qū)動(dòng)介紹

      原主軸驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為REXROTH RAC2.2-250-380-A00-W1，由數(shù)控系統(tǒng)NUM1060輸出±10V模擬電壓作為主軸驅(qū)動(dòng)的指令電壓，主軸上安裝外置編碼器為數(shù)控系統(tǒng)提供角度位置反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主軸位置環(huán)控制。原數(shù)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器實(shí)物如圖1、圖2所示。

          圖1  NUM數(shù)控系統(tǒng)及REXROTH進(jìn)給驅(qū)動(dòng)

         圖2 原RAC主軸伺服驅(qū)動(dòng)

      2.2原RAC主軸伺服系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)

      原RAC主軸伺服驅(qū)動(dòng)為REXROTH早期主軸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，主要存在如下缺點(diǎn)：

      ----穩(wěn)定性差，易受溫度影響而產(chǎn)生“零漂”，夏天尤為明顯
      ----反映其動(dòng)態(tài)性能的“特征卡”由模擬元器件構(gòu)成，其穩(wěn)定性較差
      ----該驅(qū)動(dòng)器的控制部分由“模擬型”控制單元構(gòu)成，調(diào)節(jié)精度有限，負(fù)載適應(yīng)能力較差，損壞率較高
     
 
      3.新驅(qū)動(dòng)器選型
 
 
      3.1選型原則
 
 
      ----主要功能匹配
      該機(jī)床主軸具有定位功能，旋轉(zhuǎn)速度可精確調(diào)整。
      ----負(fù)載能力匹配。
      伺服驅(qū)動(dòng)和原電機(jī)功率相匹配。
      ----電壓等級(jí)匹配
      采用標(biāo)準(zhǔn)三相交流380V主電壓。
      ----安裝方式匹配
      新驅(qū)動(dòng)尺寸大小與原驅(qū)動(dòng)尺寸相差不大，便于在電柜原位置安裝。

      3.2主軸伺服驅(qū)動(dòng)選型

      綜合上述選型原則及匹配情況，本次改造主軸驅(qū)動(dòng)器選型為REXROTH主軸數(shù)字型驅(qū)動(dòng)器DKR系列。同時(shí)，考慮到機(jī)床主軸負(fù)荷較大及原伺服驅(qū)動(dòng)功率部分容易損壞的情況（原驅(qū)動(dòng)為250A），本次改造決定適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)器容量，使用300A功率單元驅(qū)動(dòng)器，其型號(hào)為DKR02.1-W300N-BA03-01-FW。另外，該型號(hào)伺服驅(qū)動(dòng)可完全兼容原主軸伺服電機(jī)，因此原主軸電機(jī)不用更換。

      4.改造方案

      4.1總體方案

      保留原機(jī)床控制柜的NUM1060數(shù)控系統(tǒng)，保留X軸、C軸驅(qū)動(dòng)及電機(jī)、電纜，保留原主軸伺服電機(jī)，拆除原主軸RAC伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用REXROTH  DKR伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)替換改造S軸，同時(shí)更換主軸電機(jī)動(dòng)力電纜及反饋電纜。根據(jù)新舊主軸伺服驅(qū)動(dòng)接口信號(hào)的差別，重新制作相關(guān)信號(hào)接口電纜。改造后電氣控制示意圖如下圖3所示。

      圖3 改造后電氣控制示意圖

      改造后，主軸伺服驅(qū)動(dòng)指令仍然使用來自原NUM1060數(shù)控系統(tǒng)軸卡的±10V模擬電壓，電機(jī)速度反饋信號(hào)經(jīng)DKR驅(qū)動(dòng)器的編碼器仿真卡轉(zhuǎn)換后輸出到數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)控制。

      DKR伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)配置如下：

      硬件方面：
 
     ① 驅(qū)動(dòng)器功率及控制單元：DKR02.1-W300N-BA03-01-FW
     ② 固化軟件模塊：FWA-DIAX03-AHS-03VRS-MS
     ③ 指令接口板：DSS2.1M
     ④ 電機(jī)編碼器反饋板：DEA4.1M
     ⑤ 軟件模塊：DSM2.3-FW
     ⑥ 根據(jù)控制原理增加必要的電器元件如：中間繼電器、參數(shù)鑰匙、接線端子等

     參數(shù)方面：
 
     主軸伺服驅(qū)動(dòng)參數(shù)按照實(shí)際情況重新配置并調(diào)整

     4.2 DKR主軸伺服驅(qū)動(dòng)各功能接口說明

     4.2.1 DKR各功能接口定義

     圖4 DKR各功能接口定義示意圖

     圖5 DKR主軸驅(qū)動(dòng)接口信號(hào)圖

     其中：
 
     X2:RS232接口；
     X3:模擬量診斷輸出、電源準(zhǔn)備信號(hào)、上電初始化；
     X4:電機(jī)編碼器反饋；
     X6:電機(jī)溫度及抱閘監(jiān)控；
     X7:反饋給數(shù)控的輸出信號(hào)，包括準(zhǔn)備信號(hào)，直流總線電壓信號(hào)，溫度報(bào)警等；
     X8:信號(hào)電壓，用于信號(hào)測試；
     X9：內(nèi)部功率單元接觸器輸入控制；
     X75(U1)：指令接口板DAE2.1M；
     X17(U2)：輸入輸出控制板DEA4.2M；
     X50(U3)：編碼器接口板DZF2.1；

     4.3新舊驅(qū)動(dòng)接口區(qū)別

     從以上新舊驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，兩者之間差異點(diǎn)最多處在于X75,X17兩塊，其中,X17為主軸定位用。
X75連接的信號(hào)有：

     ① 10V模擬電壓輸入E1、E2
     ② 動(dòng)使能信號(hào)RF
     ③ 動(dòng)停止信號(hào)AH
     ④ 障清除CLR
     ⑤ 部24V電源
 
     X17連接的信號(hào)有：
 
     ① Home switch
     ② Pos1
     ③ Pos2
     ④ Pos start
     ⑤ N=CMD
     ⑥ N<MIN
     ⑦ 90%Load
     ⑧ In pos
      
     X50為電機(jī)編碼器接口，接線圖如下圖6所示：

     圖6  編碼器接口信號(hào)圖
 

     4.4.線路更改
 

     新舊驅(qū)動(dòng)主要接線對(duì)照表

     表1 新舊驅(qū)動(dòng)接口信號(hào)更改比較
 

     4.5．PLC程序更改
 
     本次改造，需要對(duì)主軸定位控制部分和主軸解鎖修改部分PLC程序進(jìn)行修改，更改后的PLC程序如圖7所示。

  
                                                       圖7

     4.6主軸定位（回零）功能的實(shí)現(xiàn)

     該主軸除加工過程中使用1400轉(zhuǎn)左右加工零件外，還需要定位功能，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在上下料過程中準(zhǔn)確抓放料。為實(shí)現(xiàn)此功能，需根據(jù)情況設(shè)置以下主軸驅(qū)動(dòng)器參數(shù)：

     加工過程中回零示意圖如圖8所示。

     5．調(diào)試

     該伺服系統(tǒng)采用專用軟件“DriveTop”對(duì)各軸參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)試。軟件“DriveTop”以系統(tǒng)控制原理的形式展現(xiàn)了伺服系統(tǒng)各單元的參數(shù)。各參數(shù)的選項(xiàng)以下拉菜單的形式供用戶選擇。用戶還可根據(jù)自己的需要組建適合自己的系統(tǒng)。如調(diào)節(jié)器類型選擇、擾動(dòng)輸入選擇、仿真卡選用等。此軟件還可用作伺服系統(tǒng)的手動(dòng)動(dòng)作，如選擇相應(yīng)的軸作任意速度運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)功能在調(diào)試和故障處理時(shí)很有幫助。該軟件還帶有示波器功能，可用于觀察伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為參數(shù)的精確配置提供檢測工具。

     使用DriveTop軟件設(shè)置主軸驅(qū)動(dòng)器參數(shù)流程如下：

     ① 通訊方式設(shè)定
     ② 電機(jī)參數(shù)設(shè)置
     ③ 操作模式選擇
     ④ 電機(jī)編碼器類型選擇
     ⑤ 齒輪傳動(dòng)比及負(fù)載類型設(shè)定
     ⑥ 速度環(huán)斜率
     ⑦ 模擬量輸入設(shè)置
     ⑧ 驅(qū)動(dòng)器極限設(shè)置
     ⑨ 控制環(huán)（位置、速度、電流）設(shè)定
     ⑩ 回零/電機(jī)編碼器設(shè)定

     ? 錯(cuò)誤響應(yīng)
     ? 急停功能設(shè)定
     ? 狀態(tài)信息（到位窗口等）設(shè)定
     ? 主軸定位設(shè)定
     ? 編碼器仿真卡設(shè)定

     本次改造調(diào)試過程中，出現(xiàn)過主軸定位故障和驅(qū)動(dòng)器過流報(bào)警（F228），通過優(yōu)化增益、加減速度、回零速度等參數(shù)得以解決。

     6．結(jié)束語

     DKR系列主軸伺服驅(qū)動(dòng)是REXROTH推出的一款全新的數(shù)字化的主軸驅(qū)動(dòng)，具備控制精度高、相應(yīng)快、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。此次改造項(xiàng)目完成后，效果顯著，機(jī)床故障率大大降低，尤其是主軸伺服驅(qū)動(dòng)的故障率明顯降低，大大提高了設(shè)備可靠性，降低了備件的消耗，為公司節(jié)約了維修成本并創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，此次改造，為公司后續(xù)類似設(shè)備的改造提供了很好的技術(shù)指導(dǎo)作用。

      參考文獻(xiàn)：[1] RENAULT自動(dòng)化設(shè)備資料   [2] REXROTH電氣資料光盤