1 6RA8261主軸定位裝置的工作過程
圖1 6RA8261定位裝置原理框圖

1. 輸入電壓 DC±24V或AC22～28V；
2. 定位方式 絕對/增量；
3. 定位精度 ±0.176°(檢測元件為1024編碼器)；
4. 允許主軸變速 3檔(任意減速比)；
5. 定位轉速輸出 高速≥500r/min，低速≤200r/min；
6. 定位點設置 0～360°。

1. 當主軸不需要定位時，由NC或外部給定的轉速給定值直接控制主軸調速單元，圖1中的n_set=n_NC，定位裝置的位置環無效，主軸轉速由外部調速單元組成的速度閉環控制。
2. 當主軸實際轉速n_act≥600r/min時，輸入定位指令，主軸立即減速到定位基準轉速(約600r/min)再旋轉1.5～3轉后達到同步，然后進入位置控制，使主軸定位到預置點并保持位置閉環。
    
3. 當主軸實際轉速60r/min≤n_act＜600r/min時，輸入定位指令，主軸以現行轉速達到同步，然后進入位置控制(下限60r/min為可調節轉速)。
4. 當主軸實際轉速為0或＜60r/min時，輸入定位指令，主軸以60r/min的轉速起動并達到同步，再進入位置控制。

2 定位裝置各部分工作原理

1. 電源部分 以LM317K穩壓塊為核心，組成輸出為±12V及+5V獨立可調電源回路，供定位裝置內部線路用。對輸入電源的要求為AC22～28V/300mA或DC±24V/300mA，交、直流均可。
2. 輸入控制 由SN75116線驅動、MC14027J•K觸發器等組成，作用有3：①對編碼器輸入的信號(u_a，u_b，u_c)進行整形、放大；②產生兩倍頻的內部計數脈沖Z；③檢測主軸實際轉向，并產生轉向鑒別信號V/R,V/R，(正轉：V/R=1,V/R=0,反之亦然)。
3. 計數控制與D/A轉換單元 由計數值預置、脈沖數轉換、置數控制、D/A轉換四部分組成，產生閉環位置調節所對應的速度給定電壓K_vDf(Df為與實際計數脈沖相對應的主軸角度)(圖3)。
   計數預置的作用是將內部撥碼開關設置的定位點偏移值、外部I/O給定的定位點偏移值及編碼器脈沖數調整值相加后，作為進入閉環位置調節瞬間的計數器初始值。而后隨著主軸的旋轉通過輸入的計數脈沖對預置值進行加/減運算，其結果送給D/A轉換器作數據輸入。在實際線路里它由MC14519“與或”選擇器、MC14008全加器及MC14516計數器組成，限于篇幅線路圖從略。
   脈沖數轉換是為了使定位裝置能適用于不同脈沖的編碼器，它是通過設置計數器不同的初始值達到脈沖數變換的目的。例如：對于每轉1024脈沖的編碼器，計數值預置為2048；對于每轉1000脈沖的編碼器，計數值預置為2000。這一選擇在裝置內部是通過短接棒予以設置的。
   置數控制的作用是在編碼器0脈沖到達的瞬間對計數器進行預置控制，保證內部同步。
   

   圖4 計數控制和D/A轉換波形圖

   圖5 給定值轉換單元原理圖

   D/A轉換單元在維修和調試時要注意三點。首先，該裝置為了提高轉換精度，采用正負輸出疊加輸出方式，D/A轉換器比較終輸出的模擬量為-K_vDf，SIEMENS取K_v=2。其次，是在實際線路里計數器的輸出并不是直接作為D/A轉換器的輸入，而是將計數器輸出的第10位(Z₁₀)取反后輸入D/A轉換器，目的是當計數器被減(或加)到1024時，D/A轉換器的輸出K_vDf=0。如前所述，輸入脈沖是被輸入控制線路兩倍頻后作計數脈沖的，所以事實上比較終定位點是在180°的點上，而不在脈沖編碼器的0位。第三，當編碼器為1000脈沖/r時，計數器被預置2000，第10位(Z₁₀)取反后D/A轉換器的初始值為976；這是因為對D/A轉換器來說，輸入為1024時恒有K_vDf=0，在這種情況下只要再輸入976個脈沖，計數器即被減到1024，結果是使用1000脈沖/r編碼器的定位點成了176°，而不再是180°，見圖4。
4. 給定值轉換與傳動級交換 控制要求有3點：①根據定位開始時的不同初始轉速，輸出圖2所示的速度給定電壓；②給定電壓應隨主軸傳動級的不同而改變，以保證主軸轉速嚴格和圖2相一致，而不是電機轉速與之對應；③主軸轉速在60r/min＜nact≤600r/min時，保證系統從速度環切換到位置環瞬間，速度給定不產生突跳。
   其中第②點實際處理比較方便，只須將速度給定電壓根據不同傳動級進行相應放大或縮小即可。
   第①點是由圖5所示的特殊線路保證的。圖中u₀為經傳動級變換后的同步搜索轉速給定。線路原理如下：

   1. 定位前u₀=0，n_gr=0,|n_NC|≥0,A1負飽和，D1截止。
   2. 定位開始時，同步搜索轉速u₀＞0，這時分兩種情況：
      1. |n_NC|＞K₂u₀ (K₂:A2環節的閉環增益)，D1仍截止，n_gr=K₂u₀不變，主軸被降至搜索轉速n_gr。
      2. |n_NC|＜K₂u₀,D1導通，各點電壓計算如下：
         u₁=(1+K₁)n_gr-|n_NC|•K₁≈K₁(n_gr-|n_NC|) (K₁>>1)
         n_gr=K₂[u₀-(n_gr-|n_NC|)•K₁] (K₁：A1閉環增益)
         得：
         
      由此可知：若定位前|n_NC|=0，則n_gr=； 若
      |n_NC|≠0，則n_gr≈|n_NC|(因很小)，也就是說調節K₂就可以改變定位搜索轉速的上限，調節u₀可以改變搜索轉速的下限，并滿足了圖2給定值的要求。

   
   

   圖6 D/A轉換基準電壓產生原理

   第③點是由圖6所示的特殊線路保證的。
   如前所述，進入位置環的瞬間，D/A轉換器的輸出為：-K_vDf=V_Ref。因此只要保證V_Ref=n_gr，即可以保證系統從速度環切換成位置環時的平穩過渡。圖6的原理如下：
   正轉時，-K_vDf＜0，D3截止，A4輸出為 V_Ref=K₅(u₀-u₄)=K₅[u₀-K₄Df+K₄n_gr]
   在進入位置環的瞬間K_vDf=V_ref代入后得
   滿足了平穩過渡的要求。
   

   圖7 定位三階段的速度給定

5. 定位控制單元 這一部分的作用是根據控制的各階段選擇不同的速度給定。即：在正常旋轉時選擇來自NC的速度給定、在同步階段選擇同步搜索速度n_gr、在進入位置環后選擇閉環位置調節輸入K_vDf作為速度給定輸入(圖7)。
6. 到位判別單元 到位判別單元的作用是在主軸進入閉環調節后將計數器的剩余脈沖數和設定的值相比較，當小于設定值即認為到位，并輸出相應的觸點信號，位置環繼續保持閉環調節。

3 主軸定位單元的調試

1. 設置到位信號寬度 由定位板內部撥碼開關設置，比較大為：±5.45°，比較小為±0.176°。
2. 調整傳動級變換回路的電阻(本文未畫出)R₂₂、R₃₃、R₄₄(實際電阻號)，計算公式為
   式中i為減速比，R₁₀在定位板內已固定為10kW。如對應傳動級I的減速比為i=2，則取R₃₃=10kW即可。
3. 根據要求的定位轉速上、下限值，調節圖5中的R₅改變上限搜索轉速(n_gr)，改變u₀(在傳動級變換回路，本文未畫出)即可改變下限轉速。