1 6RA8261主軸定位裝置的工作過程
圖1 6RA8261定位裝置原理框圖

1. 輸入電壓 DC±24V或AC22～28V；
2. 定位方式 絕對/增量；
3. 定位精度 ±0.176°(檢測元件為1024編碼器)；
4. 允許主軸變速 3檔(任意減速比)；
5. 定位轉(zhuǎn)速輸出 高速≥500r/min，低速≤200r/min；
6. 定位點(diǎn)設(shè)置 0～360°。

1. 當(dāng)主軸不需要定位時(shí)，由NC或外部給定的轉(zhuǎn)速給定值直接控制主軸調(diào)速單元，圖1中的n_set=n_NC，定位裝置的位置環(huán)無效，主軸轉(zhuǎn)速由外部調(diào)速單元組成的速度閉環(huán)控制。
2. 當(dāng)主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速n_act≥600r/min時(shí)，輸入定位指令，主軸立即減速到定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速(約600r/min)再旋轉(zhuǎn)1.5～3轉(zhuǎn)后達(dá)到同步，然后進(jìn)入位置控制，使主軸定位到預(yù)置點(diǎn)并保持位置閉環(huán)。
    
3. 當(dāng)主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速60r/min≤n_act＜600r/min時(shí)，輸入定位指令，主軸以現(xiàn)行轉(zhuǎn)速達(dá)到同步，然后進(jìn)入位置控制(下限60r/min為可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速)。
4. 當(dāng)主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速為0或＜60r/min時(shí)，輸入定位指令，主軸以60r/min的轉(zhuǎn)速起動(dòng)并達(dá)到同步，再進(jìn)入位置控制。

2 定位裝置各部分工作原理

1. 電源部分 以LM317K穩(wěn)壓塊為核心，組成輸出為±12V及+5V獨(dú)立可調(diào)電源回路，供定位裝置內(nèi)部線路用。對輸入電源的要求為AC22～28V/300mA或DC±24V/300mA，交、直流均可。
2. 輸入控制 由SN75116線驅(qū)動(dòng)、MC14027J•K觸發(fā)器等組成，作用有3：①對編碼器輸入的信號(u_a，u_b，u_c)進(jìn)行整形、放大；②產(chǎn)生兩倍頻的內(nèi)部計(jì)數(shù)脈沖Z；③檢測主軸實(shí)際轉(zhuǎn)向，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)向鑒別信號V/R,V/R，(正轉(zhuǎn)：V/R=1,V/R=0,反之亦然)。
3. 計(jì)數(shù)控制與D/A轉(zhuǎn)換單元 由計(jì)數(shù)值預(yù)置、脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換、置數(shù)控制、D/A轉(zhuǎn)換四部分組成，產(chǎn)生閉環(huán)位置調(diào)節(jié)所對應(yīng)的速度給定電壓K_vDf(Df為與實(shí)際計(jì)數(shù)脈沖相對應(yīng)的主軸角度)(圖3)。
   計(jì)數(shù)預(yù)置的作用是將內(nèi)部撥碼開關(guān)設(shè)置的定位點(diǎn)偏移值、外部I/O給定的定位點(diǎn)偏移值及編碼器脈沖數(shù)調(diào)整值相加后，作為進(jìn)入閉環(huán)位置調(diào)節(jié)瞬間的計(jì)數(shù)器初始值。而后隨著主軸的旋轉(zhuǎn)通過輸入的計(jì)數(shù)脈沖對預(yù)置值進(jìn)行加/減運(yùn)算，其結(jié)果送給D/A轉(zhuǎn)換器作數(shù)據(jù)輸入。在實(shí)際線路里它由MC14519“與或”選擇器、MC14008全加器及MC14516計(jì)數(shù)器組成，限于篇幅線路圖從略。
   脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換是為了使定位裝置能適用于不同脈沖的編碼器，它是通過設(shè)置計(jì)數(shù)器不同的初始值達(dá)到脈沖數(shù)變換的目的。例如：對于每轉(zhuǎn)1024脈沖的編碼器，計(jì)數(shù)值預(yù)置為2048；對于每轉(zhuǎn)1000脈沖的編碼器，計(jì)數(shù)值預(yù)置為2000。這一選擇在裝置內(nèi)部是通過短接棒予以設(shè)置的。
   置數(shù)控制的作用是在編碼器0脈沖到達(dá)的瞬間對計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置控制，保證內(nèi)部同步。
   

   圖4 計(jì)數(shù)控制和D/A轉(zhuǎn)換波形圖

   圖5 給定值轉(zhuǎn)換單元原理圖

   D/A轉(zhuǎn)換單元在維修和調(diào)試時(shí)要注意三點(diǎn)。首先，該裝置為了提高轉(zhuǎn)換精度，采用正負(fù)輸出疊加輸出方式，D/A轉(zhuǎn)換器比較終輸出的模擬量為-K_vDf，SIEMENS取K_v=2。其次，是在實(shí)際線路里計(jì)數(shù)器的輸出并不是直接作為D/A轉(zhuǎn)換器的輸入，而是將計(jì)數(shù)器輸出的第10位(Z₁₀)取反后輸入D/A轉(zhuǎn)換器，目的是當(dāng)計(jì)數(shù)器被減(或加)到1024時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出K_vDf=0。如前所述，輸入脈沖是被輸入控制線路兩倍頻后作計(jì)數(shù)脈沖的，所以事實(shí)上比較終定位點(diǎn)是在180°的點(diǎn)上，而不在脈沖編碼器的0位。第三，當(dāng)編碼器為1000脈沖/r時(shí)，計(jì)數(shù)器被預(yù)置2000，第10位(Z₁₀)取反后D/A轉(zhuǎn)換器的初始值為976；這是因?yàn)閷/A轉(zhuǎn)換器來說，輸入為1024時(shí)恒有K_vDf=0，在這種情況下只要再輸入976個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器即被減到1024，結(jié)果是使用1000脈沖/r編碼器的定位點(diǎn)成了176°，而不再是180°，見圖4。
4. 給定值轉(zhuǎn)換與傳動(dòng)級交換 控制要求有3點(diǎn)：①根據(jù)定位開始時(shí)的不同初始轉(zhuǎn)速，輸出圖2所示的速度給定電壓；②給定電壓應(yīng)隨主軸傳動(dòng)級的不同而改變，以保證主軸轉(zhuǎn)速嚴(yán)格和圖2相一致，而不是電機(jī)轉(zhuǎn)速與之對應(yīng)；③主軸轉(zhuǎn)速在60r/min＜nact≤600r/min時(shí)，保證系統(tǒng)從速度環(huán)切換到位置環(huán)瞬間，速度給定不產(chǎn)生突跳。
   其中第②點(diǎn)實(shí)際處理比較方便，只須將速度給定電壓根據(jù)不同傳動(dòng)級進(jìn)行相應(yīng)放大或縮小即可。
   第①點(diǎn)是由圖5所示的特殊線路保證的。圖中u₀為經(jīng)傳動(dòng)級變換后的同步搜索轉(zhuǎn)速給定。線路原理如下：

   1. 定位前u₀=0，n_gr=0,|n_NC|≥0,A1負(fù)飽和，D1截止。
   2. 定位開始時(shí)，同步搜索轉(zhuǎn)速u₀＞0，這時(shí)分兩種情況：
      1. |n_NC|＞K₂u₀ (K₂:A2環(huán)節(jié)的閉環(huán)增益)，D1仍截止，n_gr=K₂u₀不變，主軸被降至搜索轉(zhuǎn)速n_gr。
      2. |n_NC|＜K₂u₀,D1導(dǎo)通，各點(diǎn)電壓計(jì)算如下：
         u₁=(1+K₁)n_gr-|n_NC|•K₁≈K₁(n_gr-|n_NC|) (K₁>>1)
         n_gr=K₂[u₀-(n_gr-|n_NC|)•K₁] (K₁：A1閉環(huán)增益)
         得：
         
      由此可知：若定位前|n_NC|=0，則n_gr=； 若
      |n_NC|≠0，則n_gr≈|n_NC|(因很小)，也就是說調(diào)節(jié)K₂就可以改變定位搜索轉(zhuǎn)速的上限，調(diào)節(jié)u₀可以改變搜索轉(zhuǎn)速的下限，并滿足了圖2給定值的要求。

   
   

   圖6 D/A轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生原理

   第③點(diǎn)是由圖6所示的特殊線路保證的。
   如前所述，進(jìn)入位置環(huán)的瞬間，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為：-K_vDf=V_Ref。因此只要保證V_Ref=n_gr，即可以保證系統(tǒng)從速度環(huán)切換成位置環(huán)時(shí)的平穩(wěn)過渡。圖6的原理如下：
   正轉(zhuǎn)時(shí)，-K_vDf＜0，D3截止，A4輸出為 V_Ref=K₅(u₀-u₄)=K₅[u₀-K₄Df+K₄n_gr]
   在進(jìn)入位置環(huán)的瞬間K_vDf=V_ref代入后得
   滿足了平穩(wěn)過渡的要求。
   

   圖7 定位三階段的速度給定

5. 定位控制單元 這一部分的作用是根據(jù)控制的各階段選擇不同的速度給定。即：在正常旋轉(zhuǎn)時(shí)選擇來自NC的速度給定、在同步階段選擇同步搜索速度n_gr、在進(jìn)入位置環(huán)后選擇閉環(huán)位置調(diào)節(jié)輸入K_vDf作為速度給定輸入(圖7)。
6. 到位判別單元 到位判別單元的作用是在主軸進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)后將計(jì)數(shù)器的剩余脈沖數(shù)和設(shè)定的值相比較，當(dāng)小于設(shè)定值即認(rèn)為到位，并輸出相應(yīng)的觸點(diǎn)信號，位置環(huán)繼續(xù)保持閉環(huán)調(diào)節(jié)。

3 主軸定位單元的調(diào)試

1. 設(shè)置到位信號寬度 由定位板內(nèi)部撥碼開關(guān)設(shè)置，比較大為：±5.45°，比較小為±0.176°。
2. 調(diào)整傳動(dòng)級變換回路的電阻(本文未畫出)R₂₂、R₃₃、R₄₄(實(shí)際電阻號)，計(jì)算公式為
   式中i為減速比，R₁₀在定位板內(nèi)已固定為10kW。如對應(yīng)傳動(dòng)級I的減速比為i=2，則取R₃₃=10kW即可。
3. 根據(jù)要求的定位轉(zhuǎn)速上、下限值，調(diào)節(jié)圖5中的R₅改變上限搜索轉(zhuǎn)速(n_gr)，改變u₀(在傳動(dòng)級變換回路，本文未畫出)即可改變下限轉(zhuǎn)速。