羅升ELMO 多軸控制器在魚尾切溝機中的應用

關鍵字： 羅升伺服電機、總線系統、穩定性、Elmo

一、魚尾切溝機介紹

魚尾切溝機是一類精密的產業機械（圖1），生產鉆針和銑刀，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定性。X 、Y 、Z三軸是用作加工 Z軸為旋轉軸，
刀料夾在Z 軸做旋轉， X、Y 軸為刀料坐，每次加工中通過X、Y 軸的反復運動，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 要求轉速不高，基本在200rpm以下（不加減速機）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

二、切溝機電氣配置方案

圖2 切溝機電氣配置方案

圖2所示新電氣方案使用羅升HITECH 人機界面+軸控制器（羅升ELMO Maestro）＋
羅升Elmo 伺服（Basoon）5 臺 構架。其中在多軸控制器上擴展Wago公司的支持CAN 總線DS401 協議的輸出模塊（共16 個輸出點）。HMI仍然使用羅升HITECH 型號3261 10.5寸。

三、新方案的特點及優點

1）電源系統

羅升ELMO Basoon-5/230 內部內置濾波器，回升電阻等，可極大的包括驅動器的壽命，它可以屏蔽從工廠電網傳輸過來的各種電壓波動，確保供給穩定的直流電壓，同時內置回升電阻，確保吸收驅動器在高頻率啟停時電機的回饋電壓。同時該驅動器符合UL、CE 認證。

2）總線系統

采用目前歐洲流行的CANOPEN 總線，CANOPEN 總線是目前應用在伺服系統最多的總
線，以其傳輸數據的高速性和穩定性著稱，而MAESTRO 與ELMO 驅動器之間通訊協議是以DS402（專為運動控制開發的CAN 協議）為基礎的特殊的ELMO 自己的協議，這樣就使得ELMO的驅動器與CAN通訊協議結合得更加完美，所以ELMO產品并不僅僅是一款符合CAN通訊的伺服驅動器，同時我們的語言，控制方式，和網絡都是符合ELMO 特色的產品。

3 ）控制器（羅升ELMO MAESTRO）

MAESTRO 是ELMO 的控制類產品，它向上兼容以太網，RS232,通訊協議，內部使用摩
托羅拉32 位DSP處理芯片，和微軟WINCE系統，內置64 兆硬盤（豐富的存儲空間），向下兼容CAN 網絡（DS301,DS402,ELMO 協議），可控制多大256 軸，同時ELMO 協議，發送一組數據單元的時間僅為200 微秒，同時在MAESTRO、ELMO 之間含有ELMO 特制的
CALLBACK 功能，確保數據傳輸的實時性，同時極大的減小了網絡負載率。同時MAESTRO可使用以太網，方便的實現遠程維護。同時內置可編程I/O，并可自由編程，控制。

4）伺服系統

目前羅升ELMO 系統以其出眾的穩定性，超小的體積，強大的功能，已經為中國很多軍工院所，醫療機械廠家，多軸聯動的廠家所采用，且得到很高的評價。

羅升ELMO 伺服采用以速度環衛標準的PIP 控制，使得調試更加簡單，內置64 組PID 確
保全速率下平穩高速的運行，同時高速位置環采樣時間（240 微秒）、速度環采樣時間（120微秒）又使得定位更加精準，速度波動更加平穩，同時內置5 組濾波器，同時可以對系統進行FFT（快速傅麗葉變換）得到系統共振點，減小系統共振，并可在驅動器內部設置平滑系數，減小系統沖擊。并采用載波頻率為22K 的開關期間，使得伺服驅動器發到伺服電機的電流特性更佳。

5）配線優點

CAN BUS 對系統進行控制，可極大減少電控箱內配線，使得系統弱電信號的干擾降到
最低。

6）系統搭配

整套系統均為羅升合作伙伴以色列ELMO 公司設計，以色列生產，符合歐洲標準，且均
為同一公司生產制造，所以不存在任何兼容問題，可使整套系統達到無縫對接。而且MAESTRO與ELMO SIMPLIQ 內控制方法，控制語言，具有對接性強，傳承性，這是采用不同公司控制產品所不能比擬的。

7）提高速度

由于已經在歐洲普遍應用，所以MAESTRO 內部亦含有非常豐富的功能，將運動控制發
揮到極致。決定系統速度的有很多因素，有控制方法的優化，伺服電機的性能等，而控制方法的優化很大程度取決于系統編程思路的開放性，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，即可實現我們所需要的功能。

8）提高精度

系統精度，系統的精度取決于幾個因素，電機反饋精度，機械情況，應用ELMO 系統可
以通過各種分析對我們的系統應用進行分析，對我們提高系統的剛度，降低共振造成的不良影響。同時因為ELMO 系統的高速的位置環采樣時間，和高速的CAN 網絡傳遞速度，可以很大的提高我們的系統速度，舉例：MAESTRO 知道伺服電機的運行位置的時間為，240 微妙（伺服位置環刷新時間）+200 微妙（CAN 網絡PDO 傳遞數據時間），即400微秒就可以完成該功能。

9）系統穩定性

ELMO 公司MAESTRO 采用PC BASED 框架，內部各芯片均采用成熟芯片（包括CPU，CAN 網絡芯片），ELMO 伺服驅動器采用FASST（FAST AND SOFT SWITCH SWITCH
TECHNOLOGY）很大程度上減小了系統的熱損等。

四、結論

1. 本文所述的設備是切溝研磨設備，上圖中為生產的最終產品。在進行工藝了解時，首先要對最終產品研究，以確定初期選型的方案。例如客戶產品為魚尾銑刀以及鉆針，看似很復雜的產品，在與公司生產部進行討論研究后，銑刀以及鉆針的詳細生產工藝如下：

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。旋轉軸與直線運動
的合成，關鍵問題在于分刃，以及左旋右選的合成，每刀采用的是PTP運動，斜度是
由Y 軸的PVT曲線合成。

b． 鉆針 鉆針工藝比較復雜，加工比較精細，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
刀與主溝之間旋轉一個角度，然后進行邊刀切割，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有產品是否能滿足工藝生產要求并根據現有產品進行電氣配置選型
客戶以前的配置是 HMI + 研華工控機 + 研華運動控制卡 + 5臺東方步進電機，客戶希
望HMI的程序不做改動，以現有產品提出新方案 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協議的WAGO 擴展輸出點，輸入點需要10 個，Maestro以及驅動器上的輸入點夠用。

3. 根據工藝，在HMI上以及各個設備上從新規劃I/O

根據Maestro與HMI 的協議，在HMI 上從新定義按鈕，數值顯示，數值輸入輸出等。此
規劃要在后續的程序編寫中應用。

4. 配電盤制作

由于客戶對我們的產品不熟悉，只是對以前的工控機接線方式比較熟悉，所以需要我們
自己制作配電盤。根據已經規劃好的各個設備上的輸入輸出點進行接線。要盡量與之前工控機的接線方式保持一致。把原點開關放在每個驅動器上，其它的輸入輸出為了編程方便以及響應快，放在Maestro以及WAGO 的擴展輸出上。驅動器與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 加工產品結果

5. 調試驗收是項目開發中最關鍵的階段，考驗程序是否可靠就在這個階段，與編寫程序相
同，從簡單的手動運行開始，然后是空車銑刀運行，然后是空車鉆針運行。接下來是銑刀實際加工，銑刀連續加工，鉆針實際加工，鉆針連續加工。

驗收中遇到很多問題，基本屬于加工工藝問題，總結如下：

a． JOG 過程 以前認為JOG過程不重要但是經過客戶實際介紹，JOG 的響應是否快，是否準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，要求在低速下響應快，如果不能加快響應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 時候的程序執行速度，從而實現實時響應。

b． 回原點過程，連續回原點與單獨回原點。在開機后回原點過程，連續回原點，總是Y 軸與實際運動不符，原因是回原點的設置不正確，在進行設置改動后，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為切溝角錯誤，從新計算了切溝角，并根據計算結果從新規劃X 軸與Z軸的合成曲線，即Z軸轉動過的距離與X 軸的走過的距離，即溝長的對應。問題得以解決。

e． 參數存儲問題 參數在加工后做到實時存儲。由于Flash 的擦寫次數有限，因此要做到實時存儲，必須次數要少，在需要的時候存儲。把存儲的位置加在每次自動運行停止之后，減少了存儲次數，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據加在原有的數據上面。方便加工中調整，防止輸入錯誤。這個功能在HMI上寫宏指令實現。

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象，在監視電機運行曲線時候發現電機的運行是非常平穩的，并沒有停頓現象，實際更換砂輪后，鈍刀現象消失。

i． 最終我們羅升電氣部分已經完成，程序也經歷了考驗。但是在測試0.2mm 料的時候一直不是理想，監視電機曲線，沒有問題，與客戶達成一致，是機械或者是料的問題，也得到客戶的認可。