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臺(tái)達(dá)ASDA-B2伺服在水刀上的應(yīng)用

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;數(shù)控水刀的大概配置架構(gòu),以及懸臂架構(gòu)對伺服定位精度和響應(yīng)速度的高要求。
前言
     人類自古就利用水流的沖擊力,制成水車、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。高速噴出的水流受阻于煤層,速度驟然下降,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)家開發(fā)出高壓水噴流切割技術(shù),而美國公司取得了此項(xiàng)技術(shù)的專利權(quán),使之商品化。
水刀應(yīng)用的行業(yè)面非常廣泛,航空、汽車、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)成長期,這也要?dú)w功于機(jī)械工業(yè)近些年的長足發(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。



圖1 實(shí)際加工效果圖
     以金屬切割為例,各種加工手段呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢,包括激光、火焰切割(等離子切割)、電火花切割、線切割等。各種切割手段各有優(yōu)勢,又都存在一定的局限性,各自占領(lǐng)了一部分市場。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)能對金屬進(jìn)行切削而達(dá)到切割目的,切割過程中無化學(xué)變化,具有對切割材質(zhì)理化性能無影響、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無污染等優(yōu)點(diǎn),可加工傳統(tǒng)手段無法加工的材料,如玻璃、陶瓷、復(fù)合材料、反光材料、化纖、熱敏感材料等。
     隨著人們對水切割技術(shù)了解的進(jìn)一步加深,市場逐漸認(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。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,并且對材料無任何影響,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,無反光影響和邊緣損失,再加上水刀對切割材料沒有限制。綜合這些因素,很多早期選擇激光或其它切割手段的用戶轉(zhuǎn)而選用水切割。
由于“水刀”的數(shù)控平臺(tái)采用滾珠絲桿、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌等精密傳動(dòng)技術(shù),控制精度都在+0.02mm以內(nèi)。同時(shí),加砂水射流的噴嘴和切割頭的聚焦性能及長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、??刂葡到y(tǒng),使得“水刀”能24小時(shí)連續(xù)切割和自動(dòng)加工。
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,是目前國際上的主流發(fā)展趨勢,“水刀”切割機(jī)正是針對這種需求而在相關(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,通過采用球桿測量儀和激光干涉儀等高精度測量器具檢測機(jī)床幾何精度,并建立誤差映射表來給予精度修正,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)量檢測手段是提高數(shù)控機(jī)床精度及穩(wěn)定性的保證。
“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,做簡單的介紹。如下:
工藝要求
1, X、Y軸運(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)。
方案配置架構(gòu):
1,上位機(jī):歐洲/國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)均可,也有PC系統(tǒng)+軸卡控制。以位置控制模式為例。
2,驅(qū)動(dòng)部分:采用臺(tái)達(dá)B2伺服和電機(jī)。
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。
Z軸采用其他品牌步進(jìn)驅(qū)動(dòng)。



圖2 懸臂式數(shù)控水刀設(shè)備(3軸架構(gòu))
技術(shù)實(shí)現(xiàn)
由于上位機(jī)采用位置控制模式,所以伺服在速度和位置控制上要求響應(yīng)要快而且精度要高。



圖3 臺(tái)達(dá)B2伺服與電機(jī)
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。
高精度
臺(tái)達(dá)B2伺服采用17-bit(160,000p/rev)高解析編碼器,滿足機(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。
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)抑制帶來的麻煩。而對于懸臂梁架構(gòu),就容易出現(xiàn)共振,所以有了這個(gè)功能,給客戶帶來了很大的方便。
現(xiàn)在來看看應(yīng)用臺(tái)達(dá)B2伺服實(shí)際加工時(shí)偵測出的實(shí)際效果,如下圖:


圖4 真圓度測試
現(xiàn)場用的是球桿測試實(shí)際效果,真圓度達(dá)到57.9um<80um完全滿足客戶的要求。
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,方面增益的調(diào)整與設(shè)置。



圖5 調(diào)機(jī)軟件



圖6 電柜局部一覽
結(jié)論
由于懸臂的架構(gòu)性導(dǎo)致設(shè)備在運(yùn)行過程中重心是不穩(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)問題,得到了客戶一致好評,目前已經(jīng)在客戶處得到很好的使用,深得客戶之信賴。