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欧姆龙CJ1W－NC413定位控制器在线切割机上的应用
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随着晶片、磁性材料等新材料应用的不断发展，已经广泛用于太阳能电池、下一代照明光源、纳米元器件等一系列高新技术领域的基础材料。针对这类新材料的切割与加工设备，目前主要依赖进口，其中控制器作为其核心技术，不同于一般的数控系统，因此成本过高。为了提高产品竞争力，现在国内一家民营公司采用欧姆龙CJ1W-NC413定位控制器，利用其多功能速度控制、高速响应等特点，并结合欧姆龙W系列驱动器，在高速走丝线切割机得到很好的应用。
系统说明
工艺说明
工艺原理图
线切割系统的磨削原理是使用自由研磨剂,而非固定的研磨剂，因此往复式切削系统比传统的单向切削系统具有一定的优势。对于同种材料来说，系统可以有更大的行程和线的移动速度，只有通过线的往复运动，才能达到理想的研磨效果。连续的供线系统和旧线回收系统，可以避免线的破损，还可促使线的张紧以保证切削线的刚性，这有利于保持切片精度，同时，最大限度的利用切削线可以有效降低消耗。加工原理如图1所示:
图1 加工原理
主动轮主轴1:轴1(1.8kW伺服驱动器)带动3个套有钢丝线的滚筒，通过高速往复运动，对工件台的工件进行切割加工;
放线轮从轴2:轴2进行钢丝线放线，跟随主轴运行线速度与轴1保持同步;
收线轮从轴3:轴3进行钢丝线收线，跟随主轴运行线速度与轴1保持同步，通过收线牵引轮(即排线器)均匀收线，
设计要求
钢线线行程:1400mm(一往复);钢丝线往返频率: 30～60次/分;钢丝线线速度(60次/分钟时):84m/min(0～140m)正弦变化)(钢丝线周期1分钟60个来回时，0～140m/min 正弦变化);钢丝线进给:0～15m/min。
控制难点
钢丝线在高速往复运行中的张力控制，必须保持张力稳定。
在线实时调整从轴2、3的速度，从而与主轴1保持线速度同步。
钢丝线收放线均匀。
欧姆龙解决方案
通过控制钢丝线在切削过程中的线速度恒定从而保持钢丝线的张力稳定，通过CJ1W-NC413的Jog速度控制方式控制伺服正反转运行;
在机械摆杆(张力控制器)处添加绝对值编码器，在钢丝线正转时，机械摆杆会下摆，反之，机械摆杆会上摆。通过摆杆正反转角度的变化，检测当前线速度是否同步，角度变化值可以通过绝对值编码器实时读取;
在正反转启动瞬间，由于机械惯性原因，收放线轮会有速度滞后，摆杆角度会很大，因此在启动时需要预先进行速度补给;在匀速运行过程中，实时监控绝对值编码器的角度反馈，经过换算比，在线调整Jog的速度，同时可以通过override指令(在线变速)实时对速度进行调节，控制精度0.01r/min，从而达到3轴线速度同步;
在收线轮进行收线时，通过排线器往复引线，达到均匀收线;收线轮绕线一圈后，收线轮直径增大，因此下一次绕线速度也会增大，反之速度减小;此时，排线器的速度也会随时改变，因为是简单速度控制，可以通过变频器，通过模拟量进行无极调速，同步控制方式通过收线轮速度变化，经过换算比控制变频器的输出。
配置与控制流程说明
配置说明
控制器:CJ1G-45H＋CJ1W-NC413 CJ1W-DA041＋CJ1W-ID211
驱动器:3×R88D-WT20H
伺服电机:3×R88D-W1K815T
控制流程说明
编码器分辨率采用1000puls/r，机械摆杆最大速度60r/min，那么脉冲最大读入速率1000puls/s，即1puls/ms。普通晶体管输入模块响应时间可以设到0.5ms，可以响应最大速率时的输入脉冲，并且PLC实际运行时间为0.6ms,可以在正常扫描周期内完成，可以不用通过高速中断进行处理。
CJ1W-NC413可以控制4轴输出，其中3轴控制主动轮、放线轮、收线轮，NC内部有独立处理的PCU，最大处理周期为4ms。
伺服电机为1.8kW，额定转速1500r/min，3轴同步运动时最大转速:主动轮 1470r/min，放线轮、收线轮1410 r/min，此时钢丝线最大线速度可以达到280m/min。
控制流程框图如图2所示:
图2 控制流程框图
结语
经过现场测试后，当钢丝线的线速度达到280m/min(即伺服电机达到额定转速1500r/min)时，机械摆杆角度较大，此时调整驱动器的增益参数，提高其动态响应速度并缩短定位调整时间，此时摆角幅度在允许范围内，经过长时间运行，系统保持稳定运行，已经完全满足设计要求。
系统说明
工艺说明
工艺原理图
线切割系统的磨削原理是使用自由研磨剂,而非固定的研磨剂，因此往复式切削系统比传统的单向切削系统具有一定的优势。对于同种材料来说，系统可以有更大的行程和线的移动速度，只有通过线的往复运动，才能达到理想的研磨效果。连续的供线系统和旧线回收系统，可以避免线的破损，还可促使线的张紧以保证切削线的刚性，这有利于保持切片精度，同时，最大限度的利用切削线可以有效降低消耗。加工原理如图1所示:
图1 加工原理
主动轮主轴1:轴1(1.8kW伺服驱动器)带动3个套有钢丝线的滚筒，通过高速往复运动，对工件台的工件进行切割加工;
放线轮从轴2:轴2进行钢丝线放线，跟随主轴运行线速度与轴1保持同步;
收线轮从轴3:轴3进行钢丝线收线，跟随主轴运行线速度与轴1保持同步，通过收线牵引轮(即排线器)均匀收线，
设计要求
钢线线行程:1400mm(一往复);钢丝线往返频率: 30～60次/分;钢丝线线速度(60次/分钟时):84m/min(0～140m)正弦变化)(钢丝线周期1分钟60个来回时，0～140m/min 正弦变化);钢丝线进给:0～15m/min。
控制难点
钢丝线在高速往复运行中的张力控制，必须保持张力稳定。
在线实时调整从轴2、3的速度，从而与主轴1保持线速度同步。
钢丝线收放线均匀。
欧姆龙解决方案
通过控制钢丝线在切削过程中的线速度恒定从而保持钢丝线的张力稳定，通过CJ1W-NC413的Jog速度控制方式控制伺服正反转运行;
在机械摆杆(张力控制器)处添加绝对值编码器，在钢丝线正转时，机械摆杆会下摆，反之，机械摆杆会上摆。通过摆杆正反转角度的变化，检测当前线速度是否同步，角度变化值可以通过绝对值编码器实时读取;
在正反转启动瞬间，由于机械惯性原因，收放线轮会有速度滞后，摆杆角度会很大，因此在启动时需要预先进行速度补给;在匀速运行过程中，实时监控绝对值编码器的角度反馈，经过换算比，在线调整Jog的速度，同时可以通过override指令(在线变速)实时对速度进行调节，控制精度0.01r/min，从而达到3轴线速度同步;
在收线轮进行收线时，通过排线器往复引线，达到均匀收线;收线轮绕线一圈后，收线轮直径增大，因此下一次绕线速度也会增大，反之速度减小;此时，排线器的速度也会随时改变，因为是简单速度控制，可以通过变频器，通过模拟量进行无极调速，同步控制方式通过收线轮速度变化，经过换算比控制变频器的输出。
配置与控制流程说明
配置说明
控制器:CJ1G-45H＋CJ1W-NC413 CJ1W-DA041＋CJ1W-ID211
驱动器:3×R88D-WT20H
伺服电机:3×R88D-W1K815T
控制流程说明
编码器分辨率采用1000puls/r，机械摆杆最大速度60r/min，那么脉冲最大读入速率1000puls/s，即1puls/ms。普通晶体管输入模块响应时间可以设到0.5ms，可以响应最大速率时的输入脉冲，并且PLC实际运行时间为0.6ms,可以在正常扫描周期内完成，可以不用通过高速中断进行处理。
CJ1W-NC413可以控制4轴输出，其中3轴控制主动轮、放线轮、收线轮，NC内部有独立处理的PCU，最大处理周期为4ms。
伺服电机为1.8kW，额定转速1500r/min，3轴同步运动时最大转速:主动轮 1470r/min，放线轮、收线轮1410 r/min，此时钢丝线最大线速度可以达到280m/min。
控制流程框图如图2所示:
图2 控制流程框图
结语
经过现场测试后，当钢丝线的线速度达到280m/min(即伺服电机达到额定转速1500r/min)时，机械摆杆角度较大，此时调整驱动器的增益参数，提高其动态响应速度并缩短定位调整时间，此时摆角幅度在允许范围内，经过长时间运行，系统保持稳定运行，已经完全满足设计要求。