□ 杨文博 □ 曹奕刚

1．上海开通数控有限公司 上海 200233

2．上海市特种设备监督检验技术研究院 上海 200062

转塔刀架是数控机床的核心部件,随着数控技术的发展,由液压转塔刀架、编码器反馈的电动转塔刀架发展至今天的伺服控制转塔刀架。伺服控制转塔刀架的特点是：转位速度快、转位精度高、稳定性好。伺服控制转塔刀架是数控机床设计时的首选设备，其核心控制技术是伺服刀架的驱动和控制系统。

传统的伺服刀架控制系统由人机界面+数控系统+可编程逻辑控制器PLC+伺服驱动器+伺服电动机组成（见图1原方案一和原方案二）。

传统的刀架控制系统有结构复杂、系统成本高、接线繁琐、抗干扰能力弱、可靠性差等缺点，已逐渐不能适应先进装备制造业快速发展的要求。而基于开放式结构的伺服刀架专用驱动控制系统可以很好地解决这一系列的问题，将刀架控制所需的逻辑控制功能在系统中集成，大大提高了整个系统的集成性、可靠性、维护性和抗干扰能力。在KT系列伺服驱动器的基础上，开发了基于开放式结构的伺服刀架专用交流同步电动机伺服驱动控制系统（见图1新方案）。

1 开放式结构伺服刀架控制系统介绍

▲图1 方案比较

▲图2 伺服刀架专用驱动控制系统组成框图

基于开放式结构的伺服刀架专用交流同步电动机伺服驱动控制系统具有结构开放、软件功能集成、外部模块可以扩展、强大的实时通信功能、丰富灵活的编程语言等多项优点。

整个系统由输入输出信号模块、逻辑控制单元、位置控制单元、交流永磁同步电动机驱动单元组成，具体组成如图2所示。

1．1 系统特性

（1） 功率范围 0．4～2．2kW，最高转速 3000r/min，电动机定位精度1/10000转，调速比1∶5000。

（2）具有回原点（零点）功能，可设置上电自动、外部控制2种回原点模式，原点偏移可通过参数设置。

（3）具有多种转位控制方式：自动最短路径定位、自动单方向定位、点动定位控制模式。

（4）4～16档位任意可选，高低定位速度可以任意设定，具有自动加减速功能。

（5）具有刀架专用机械减速比设置参数，可以配合多种刀架机械减速装置。

（6）标配8输入、4输出接口，通过扩展模块可再增加8输入、4输出接口。

（7）具有完善的保护功能（有过流、过压、欠压、位置超差、编码器信号异常等多种报警保护）。

（8）具有RS485通信接口 （符合MODBUS-RTU通信协议），通过与上位机连接，可实现伺服控制、参数设定、现场监控等多种通信功能。

（9）最大行程为-10000转～10000转。

1．2 输入信号

（1）具有4个刀架位置选择输入信号，可以最多选择16个刀架位置，在选择了刀架位置后，配合ST1启动输入信号，实现选刀操作，见表1。

表1 刀架选择输入信号

（2）具有MD0、MD1模式选择输入信号，可以灵活地选择不同的刀架控制模式和工作工艺，具体操作见表2。

在碎片化学习的时代，学习者必须突破浅层学习的局限，以实现深度学习。碎片化学习中信息的片段化拾取往往是零碎的甚至闲散的，这样的信息获取往往缺乏对内容的深入思考，不能建立信息的广泛联系，学习仅仅停留在浅层面，不易进行学习的推理。如果学习只能停留在这种无组织、孤立的知识片段层面，也就难以超越碎片化导致的浅层学习局限。超越碎片化实现深层学习，是探索解决碎片化问题的要义。

表2 控制模式选择输入信号

输入信号可以由外部扩展模块扩展，这样控制程序可以根据外部扩展的输入信号使刀位数得以扩展，可以方便地适用于不同工位的刀架。

1．3 输出信号

系统具有4个（PS0—PS3）刀架位置输出信号，可以表明当前的刀架位置，便于位置显示和控制，见表3。

表3 刀架位置输出信号

1．4 正常运行模式

（1）自动就近运行模式，在伺服刀架控制器收到启动信号（ST1）后，根据位置选择信号 （DI3～DI0），刀架按照最短路径运行到达指定工位。

（2）自动单方向运行模式，在伺服刀架控制器收到启动信号（ST1）后，根据位置选择信号（DI3～DI0），刀架按照方向信号开关选择的方向路径运行到达指定工位。

（3）单方向点动运行模式，在伺服刀架控制器收到启动信号（ST1）后，刀架按照方向信号开关选择的方向路径运行到下一个指定工位。

（4）回原点（零点）运行模式，上电自动找到这个系统起始位置。

2 系统的设计与实现

2．1 可编程输入、输出接口（可以扩展）

可编程单元有8个可编程多功能输入信号和4个可编程多功能输出信号，每一个输入与输出信号都可以根据参数设置来选定其功能。同时每一个输入与输出信号的有效信号（高电平、低电平、上升沿、下降沿）都可以根据用户的需要来设置，极大地提高了系统的灵活性，为用户的操作提供了极大的便利，也提高了系统对于不同外围硬件的适应性。

2．2 系统编程

可以通过计算机专用编程软件进行编程 （界面如图3所示），若采用灵活的点对点直接位置编程模式，只需输入目标位置的坐标和运行速度，即可完成一步点到点的位置编程。同时可以在位置指令间插入PLC（可编程逻辑控制）指令，实现运动控制和逻辑控制的完美结合。在完成指令编程后，可以通过指令编译、目标连接，形成可执行代码，并通过RS485通信接口下载到控制系统中。

▲图3 软件编程界面

2．3 指令系统

2．4 中断优先控制

整个可编程单元有16级不同优先级别的中断，每一级中断可以由任何一个输入信号来触发，这样保证了系统中断的灵活性，也使用户的编程有了更多的选择，为实现较复杂的控制功能提供了强有力的保证。

2．5 通信功能

整个系统还提供了RS485通信接口,严格遵循Modbus-RTU通信协议，可以通过由上海开通数控有限公司开发的基于PC的软件来监控被控对象的运行工作状态，整个通信系统还可以连成网络，实现对系统的联控与群控。

2．6 伺服刀架控制功能程序设计

考虑到伺服刀架的运行工艺，在编程时将整个程序分成初始化模块、主循环模块与中断响应程序模块。

在初始化模块中，主要是对系统进行一些配置，然后进行系统回原点操作。由于驱动系统所带的电机是增量式光电编码器，所以整个系统在初始上电的过程中，必须进行回原点操作，找到系统的初始定位原点。

主循环程序模块又可分成多个子程序模块，根据不同的输入信号来调用不同的子程序，以完成不同的伺服刀架的控制动作。

主循环程序中，程序不断地扫描系统的输入信号，一旦收到输入信号后，程序就调用对应功能的子程序，然后将对应的数控子程序放在后台运行，主程序继续执行对输入信号的扫描，这样可以保证系统对输入信号最大的实时扫描性。

在中断响应程序模块中，主要是处理刀架的位置控制功能、粗定位和精定位功能以及系统保护功能，系统程序主框图如图4所示。

3 应用结果

▲图5 现场应用情况

基于开放式结构的伺服刀架专用交流同步电动机伺服驱动控制系统在实际应用中比传统的刀架控制效率明显提升，可靠性也有了显著提高，功能更完善，保护措施也进一步提高，完全达到了国外同类产品的先进水平（图5为现场应用情况）。

4 结束语

随着我国伺服驱动器在工业控制与自动化领域的广泛应用，基于开放式结构的伺服刀架专用交流同步电动机伺服驱动控制系统在一些集成度要求较高的工控领域，完全可以替代中小型的PLC和简易数控，取得更为经济有效实用的控制效果。相信在不远的将来，基于开放式结构的伺服刀架专用交流同步电动机伺服驱动控制系统必定会在不同的工控与自动化领域取得更为广泛的应用，取得更为显著的经济效益。

［1］ 杨文博，方杰，郁敏杰．开放式结构交流同步伺服电动机控制系统在单轴机器人、机械臂上的应用［J］．制造技术与机床，2013（9）．

［2］ 杨文博，郁敏杰，项恩毕．可编程交流同步伺服电机驱动系统在工业门机上的应用［J］．伺服与运动控制，2008（4）．

［3］ 阮毅．运动控制系统［M］．北京：清华大学出版社，2006．