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     摘  要：本文主要介紹臺(tái)達(dá)ASDA-B2伺服在水刀上的應(yīng)用，主要包括：水刀切割的應(yīng)用行業(yè)，其所具備的行業(yè)優(yōu)勢(shì)；數(shù)控水刀的主要配置架構(gòu)，以及系統(tǒng)對(duì)伺服定位精度和響應(yīng)速度的高要求，對(duì)于行業(yè)應(yīng)用具備相當(dāng)?shù)慕梃b意義。

     關(guān)鍵詞：臺(tái)達(dá)B2伺服 水切割　電機(jī)  控制
 

      1、 前言

      人類(lèi)自古就利用水流的沖擊力，制成水車(chē)、水磨等水力機(jī)械。如果水流從高壓水槍中噴出，其沖擊力就更大。前蘇聯(lián)用于采煤工業(yè)，名曰水力采煤。高速?lài)姵龅乃魇茏栌诿簩樱俣润E然下降，頃刻間會(huì)產(chǎn)生足夠大的沖擊力，使煤層出現(xiàn)脆性斷裂，完成采煤作業(yè)。受此啟發(fā)，前蘇聯(lián)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出高壓水噴流切割技術(shù)，而美國(guó)公司取得了此項(xiàng)技術(shù)的專(zhuān)利權(quán)，使之商品化。水刀應(yīng)用的行業(yè)面非常廣泛，航空、汽車(chē)、石材、陶瓷、玻璃、金屬、混凝土等行業(yè)上，而隨著產(chǎn)品的成熟和應(yīng)用面的擴(kuò)大，超高壓數(shù)控水切割機(jī)（水刀）逐漸進(jìn)入一個(gè)成長(zhǎng)期，這也要?dú)w功于機(jī)械工業(yè)近些年的長(zhǎng)足發(fā)展，依托于更高精度的數(shù)字化平臺(tái)，可以應(yīng)用水刀進(jìn)行精細(xì)加工，將水切割應(yīng)用范圍擴(kuò)展到行業(yè)更加廣闊的金屬加工領(lǐng)域，而不是僅僅局限在玻璃、陶瓷、石材等材料的加工。

      以金屬切割為例，各種加工手段呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢(shì)，包括激光、火焰切割（等離子切割）、電火花切割、線(xiàn)切割等。各種切割手段各有優(yōu)勢(shì)，又都存在一定的局限性，各自占領(lǐng)了一部分市場(chǎng)。但在眾多的切割手段中，水切割屬于一種特殊的冷態(tài)切割，直接利用加磨料水射流的動(dòng)能對(duì)金屬進(jìn)行切削而達(dá)到切割目的，切割過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，具有對(duì)切割材質(zhì)理化性能無(wú)影響、無(wú)熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可加工傳統(tǒng)手段無(wú)法加工的材料，如玻璃、陶瓷、復(fù)合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。實(shí)際加工效果圖如圖1所示。

      圖1 實(shí)際加工效果圖

      隨著人們對(duì)水切割技術(shù)了解的進(jìn)一步加深，市場(chǎng)逐漸認(rèn)識(shí)到水切割技術(shù)在金屬切割行業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。以激光切割為例進(jìn)行比較，激光在金屬薄板切割方面，其速度和精度要優(yōu)于水切割，但一般而言，激光很難切割大于16mm的金屬板（尤其是有色金屬），而且激光切割材料的周邊仍有一定的熱影響區(qū)；水刀切割金屬材料厚度一般可達(dá)50mm以上，并且對(duì)材料無(wú)任何影響，切割金屬的光潔度達(dá)1.6μm ，切割精度達(dá)±0.10mm，可用于精密成形切割。此外，水切割在有色金屬和不銹鋼的切割方面還有著獨(dú)到之處，無(wú)反光影響和邊緣損失，再加上水刀對(duì)切割材料沒(méi)有限制。綜合這些因素，很多早期選擇激光或其它切割手段的用戶(hù)轉(zhuǎn)而選用水切割。

      在金屬切割行業(yè)中，追求高質(zhì)量，高效率的直接成形加工，是目前國(guó)際上的主流發(fā)展趨勢(shì)，“水刀”切割機(jī)正是針對(duì)這種需求而在相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用上不斷創(chuàng)新：隨著包括精密滾珠絲桿、伺服電機(jī)、諧振減速單元等技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)床可以達(dá)到更高的位置精度、反向間隙補(bǔ)償以及重復(fù)定位精度的提高。因此，機(jī)床制造廠(chǎng)商將更大的精力投入到機(jī)床幾何誤差產(chǎn)生的原因分析上，通過(guò)采用球桿測(cè)量?jī)x和激光干涉儀等高精度測(cè)量器具檢測(cè)機(jī)床幾何精度，并建立誤差映射表來(lái)給予精度修正，以此制造高精度機(jī)床。數(shù)控機(jī)床零部件材料和元器件的選用、制造工藝、質(zhì)量檢測(cè)手段是提高數(shù)控機(jī)床精度及穩(wěn)定性的保證。

       2、 工藝要求

      由于“水刀”的數(shù)控平臺(tái)采用滾珠絲桿、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌等精密傳動(dòng)技術(shù)，控制精度都在+0.02mm以?xún)?nèi)。同時(shí)，加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長(zhǎng)壽命的噴嘴材料的技術(shù)突破，配以大功率超高壓系統(tǒng)的連續(xù)平穩(wěn)工作，應(yīng)用全自動(dòng)供砂、控砂和高壓水啟、停控制系統(tǒng)，使得“水刀”能24小時(shí)連續(xù)切割和自動(dòng)加工。

      “水刀”更兼有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制功能，特別在“轉(zhuǎn)角和尖角”切割時(shí)自動(dòng)減速，使得切割面光潔圓滑，加之“水刀”切割具有“磨削”的特質(zhì)，這使得“水刀”在切割質(zhì)量和效率上都有了極大的變化和提高，而可直接用于金屬零件的成形切割加工。

      下面就以臺(tái)達(dá)B2伺服在單臂懸梁架構(gòu)數(shù)控水刀設(shè)備中應(yīng)用為例，介紹如下：

      （1）  X、Y軸最大運(yùn)動(dòng)速度：20 m/min，切割速度：0-8m/min。
      （2） 切割精度：+/-0.1mm，直線(xiàn)度：+/-0.1mm， 重復(fù)定位精度：±0.05mm。
      （3）  XY真圓度：<80um。
      （4）  設(shè)備運(yùn)行低噪音，高響應(yīng)。

      3 、控制系統(tǒng)

      3.1 硬件配置

      （1）上位機(jī)：采用DVP80EH00R2 PLC主機(jī)
      （2）驅(qū)動(dòng)部分：采用臺(tái)達(dá)B2伺服和電機(jī)。如圖2所示。
      具體型號(hào)為：X軸驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2-1021-B  電機(jī) ECMA-C21310ES。
      Y軸驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2-1021-B  電機(jī) ECMA-C21310ES。
 
     

      （3） 人機(jī)界面：采用DOP-B07S201的HMI設(shè)備

      3.2 系統(tǒng)框架

      系統(tǒng)框架如圖3所示。

       圖3 控制系統(tǒng)框圖

      水刀切割機(jī)控制系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)人機(jī)界面作為主站監(jiān)控設(shè)備，利用人機(jī)界面DOP-B07S201三個(gè)RS232通訊口。PLC主機(jī)DVP80EH00R2采用RS232通訊口與HMI設(shè)備連接，同時(shí)利用RS485通訊口與兩個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器ASDA-B2-1021-B相連，伺服驅(qū)動(dòng)器經(jīng)由U、V、W端口控制伺服電機(jī)，進(jìn)而控制水刀切割機(jī)的X軸和Y軸運(yùn)作。人機(jī)界面設(shè)定電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，讀取電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。PLC主機(jī)同時(shí)通過(guò)其他輔助設(shè)備來(lái)進(jìn)行外圍的輔助相關(guān)測(cè)量動(dòng)作。

      3.3 控制系統(tǒng)實(shí)景

      控制系統(tǒng)機(jī)柜實(shí)景圖如圖4所示：

      
 
      圖4 控制系統(tǒng)機(jī)柜實(shí)景圖

      4 、系統(tǒng)技術(shù)要點(diǎn)

      4.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

      （1） 高響應(yīng)

      臺(tái)達(dá)B2伺服優(yōu)異的高速性能表現(xiàn)：速度響應(yīng)頻寬為550Hz，命令整訂時(shí)間可達(dá)1ms以下。空載情況下，額定轉(zhuǎn)速-3000rpm至3000rpm加速時(shí)間只需10ms。

      （2） 高精度

      臺(tái)達(dá)B2伺服采用17-bit（160，000p/rev）高解析編碼器，滿(mǎn)足機(jī)臺(tái)設(shè)備高精度定位控制及平穩(wěn)低速運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)用要求。可接受高速差動(dòng)脈波命令（4Mpps），達(dá)到高精度位置控制的設(shè)定。

      （3） 共振抑制與低噪音

      高響應(yīng)時(shí)，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生噪音，那么怎么樣來(lái)消除呢？B2伺服具備強(qiáng)大的自動(dòng)共振抑制功能，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)共振的抑制，也可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)3個(gè)共振點(diǎn)的抑制。這樣省去手動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行振動(dòng)抑制帶來(lái)的麻煩。而對(duì)于懸臂梁架構(gòu)，就容易出現(xiàn)共振，所以有了這個(gè)功能，給客戶(hù)帶來(lái)了很大的方便。應(yīng)用臺(tái)達(dá)B2伺服實(shí)際加工時(shí)偵測(cè)出的實(shí)際效果，如圖5：
 
     

      圖5 真圓度測(cè)試

      現(xiàn)場(chǎng)用的是球桿測(cè)試實(shí)際效果，真圓度達(dá)到57.9um<80um完全滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。

      4.2伺服增益調(diào)整

      采用B2自動(dòng)增益調(diào)整和手動(dòng)調(diào)整均可。

      利用臺(tái)達(dá)B2伺服強(qiáng)大的伺服調(diào)機(jī)軟件，方便增益的調(diào)整與設(shè)置，見(jiàn)圖6。
 
     

      圖6 增益的調(diào)整與設(shè)置軟件界面

      5、 結(jié)語(yǔ)

      由于懸臂的架構(gòu)性導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中重心是不穩(wěn)定的，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)和噪音，容易產(chǎn)生加工光潔度不好，而利用臺(tái)達(dá)B2伺服高性能、低噪音、自動(dòng)共振抑制的特點(diǎn)從而解決了這個(gè)問(wèn)題，得到了客戶(hù)一致好評(píng)，目前已經(jīng)在客戶(hù)處得到很好的使用，深得客戶(hù)之信賴(lài)。本應(yīng)用運(yùn)行實(shí)踐表明，基于臺(tái)達(dá)伺服產(chǎn)品的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性?xún)r(jià)比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。