关系三菱J2S系列伺服系统升级的改造的研究
摘要
关键词
三菱J2S系列伺服；升级改造；性能提升；东洋内圆磨；光洋平磨
正文
引言
东洋内圆磨床与KOYO平面磨床是我们公司目前内圆与平面精加工的主要机床，南昌工厂机加工现有80余台，这批设备为我司2009年前后三期项目投产采购，时下三菱伺服控制字体正处于J2系列鼎盛时期（J3系列市场占有量小），故这批设备使用的伺服全部为三菱J2S系列，随着用户运动控制系统的要求不断提高，三菱电机不断顺应伺服系统对高速、高精度、短启动时间、强诊断/维护等要求，不断研发新的产品，最终J2S系列产品停产被替代。
一、三菱J2S系列伺服相关介绍及使用现状分析
1.1三菱J2S系列伺服系统介绍
三菱通用交流伺服MELSERVO-J2-Super系列是在MELSERVO-J2系列的基础上开发的具有更高性能的更多功能的伺服系统。控制模式有位置控制，速度控制和转矩控制3种模式。还有位置/速度控制、速度/转矩控制、转矩/位置控制这些切换控制方式可供选择。
1.2 三菱J2S系列伺服系统在我司设备的应用
1、东洋内圆磨（T-11L59）：日本TOYO内圆磨床在中国广泛应用在加工压缩机零部件的领域，目前我司使用的内圆磨加工设备主要为TOYO内圆磨，以 T-11L59机型为例，设备采用TAC（东洋自适应磨削控制）磨削控制方式，加工精度及效率大大提升，机床的操作系统为东洋自主开发的TOYOMATIC 4000系统,与通用的数控系统不同，实现粗、精和光磨的精准控制。
图1.1内圆磨控制构成
T-11L59机型CNC装置由三菱运动控制器Q172CPU与X/Z两根伺服轴组成，外加自动上下料机械手E/R两根伺服轴，其伺服采用的是J2S-B系列，通信方式为总线连接（MR-J2HBUS05M）。
其中X/Z轴由Montio控制实现CNC插补运动，E/R轴实现点位控制；驱动器的地址轴位置位置设定分别为：X→0,Z→1,E→6,R→7；伺服采用绝对位置编码器，所以每根轴需要使用电池存储参数。
二、拟将J2S系列升级改造为J4系列伺服系统相关介绍
2.1三菱J4系列伺服相关功能和配置情况介绍
三菱通用AC伺服MELSERVO-J4系列相较于以往的MELSERVO-J3/ MELSERVO-J2S系列，其性能更高，功能更强。MR-J4-B伺服放大器通过高速同步网络SSCNETIII/H与控制器连接。由伺服放大器直接读取控制器发出的指令，驱动伺服电机。MR-J4-B伺服放大器除了MELSERVO-J4系列支持的旋转型伺服电机外，也可以以标准品驱动直线电机与直驱电机。
2.2支持MR-J2S-B用SSCNET转换模块MR-J4-T20相关说明
1、MR-J2S-B用SSCNET转换模块对应AC伺服放大器MR-J4-_B_-RJ020及MR-J2S-B用SSCNET转换模块的MR-J4-T20。MR-J4-T20必须与MR-J4-_B_-RJ020组合使用。通过在MR-J4-_B_-RJ020中组合使用MR-J4-T20，可将MR-J4-_B_-RJ020连接至MR-J2S-B用SSCNET。MR-J4-_B_-RJ020伺服放大器搭载“J2S兼容模式(出厂状态)”及“J4模式”的运行模式。使用MR-J4-_B_-RJ020伺服放大器时请注意以下项目。
(1)接通电源后，MR-J2S-_B_伺服放大器与MR-J4-_B_-RJ020伺服放大器的初始化时间不同，因此现有设备的程序可能需要进行变更。尤其是通过上下轴使用时，请注意电磁制动器的解除时间。否则可能导致可动部掉落。
(2) 不可使用通过MR Configurator进行的无电机运行。进行无电机运行时，请将[Pr.24] 设定为“1”。
(3)在插补模式等下，组合使用MR-J4-B-RJ020与MR-J2S-B的[Pr.13 位置控制增益1]时，请确认各轴的滞留脉冲，并根据需要重新调整增益。
(4) MR-J4-B-RJ020伺服放大器不支持自适应振动抑制控制。
(5):不可通过SSCNET电缆连接用连接器对编码器进行供电。在绝对位置检测系统中使用时，请务必将电池连接至MR-J4-B -RJO20伺服放大器的CN4连接器上。
三、J2S系列伺服升级改造J4现场应用实例
3.1对应我司设备J2S系列改造升级为J4系列选型匹配。
伺服的匹配选型：前面内容提到了，MR-J4-_B_-RJ020伺服放大器搭载“J2S兼容模式”及“J4模式”的运行模式。J2S兼容模式是与以往的MR-J2S-B系列功能具有兼容性的运行模式，因此本次升级替代选型因尽量选择完全兼容匹配的伺服型号，避免改造过程中涉及到上位Motion的相关参数调整，且东洋内圆磨的Motion参数是基于自身研发的OS上才能修改，使用TOYOMATIC 4000软件只能读写数据，无权限编辑修改。
3.2现场改造实施过程及典型问题解决方案
南昌机加工自2021年开始，J2S伺服改造有设备人员自行实施，现场改造注意分为两个类型：1、计划性改造，此类改造每年通过项目申请采购一批J4系列伺服，有计划第对现有设备进行改造；2、现场维修类应急性改造，比如说，在某个时间段，因J2S伺服备件维修周转不及时，或者是因J2S伺服本身老化无维修使用价值，那么这类改造旺旺是由对应应急维修的设备人员实施，因改造需要设备到马达及伺服驱动整套更换，所以通常需要机械有电气人员一起配合完成，下面在这里介绍一下东洋内圆磨及光洋平磨设备改造实施过程：
东洋内圆磨J2S伺服升级改造：T-11L59东洋内圆磨有4伺服轴，分别为X/Z/E/R根轴，具体改造实施步骤如下：
1、伺服选型匹配，根据技术手册设计确认伺服接线图（此处只选择1根轴为代表如图3.4）
图3.4伺服选型及接线图设计
2、拆卸安装伺服马达及驱动，并配好接线。
图3.5伺服安装
3、接线确认及伺服轴地址设定确认。
图3.6伺服轴地址匹配及接线
4、轴参数及通信设置确认
以上步骤实施完成就具备改造后开机的条件了，平磨J2S伺服改造实施跟内圆磨步骤一样，这里就过多赘述了，另外，在部分设备改造过程中会碰到X轴震动大，机械异响；这个问题也持续影响了一段时间，甚至让我们不禁怀疑是否改造备件兼容性是否匹配正确，下面分享问题解决方案：
1、 改造后X轴马达异常震动，声音异响：
原因分析：1、马达与伺服放大器不匹配；2、马达安装同轴度超差联轴器的允许范围；3、伺服惯量变化大，与原参数设定不匹配。
解决过程：
1、经查阅三菱J4技术文本资料及与厂家技术服务工程师咨询，确认我们使用MR-J4-100B-RJ020/HG-SR102替代MR-J2S-100B/HC-SFS102组合符合样本要求，所以第1项原因排除；
2、对马达安装的同轴度校表，精度误差在0.03以内，符合要求，故第2项原因也可以排除；
3、查MR-J4-100B-RJ020伺服惯量与自调谐相关参数，相关参数由上位东洋上位Motion通过总线BUS直接输入，且MR-J4-100B-RJ020伺服放大器不支持自适应振动抑制控制，我们尝试使用MR Configurator软件收到调节伺服增益相关参数（图3.7），均无效果。
参数 | 简称 | 名称 | 单位 | 内容 |
13 | PG1 | 位置控制增益1 | [rad/s] | 通过模型的位置、速度增益设定相对于指令的响应性。始终有 |
14 | VG1 | 速度控制增益1 | [rad/s] | 切换前的控制参数 |
12 | GD2 | 对伺服电机的负载惯 | [倍] | |
15 | PG2 | 位置控制增益2 | [rad/s] | |
16 | VG2 | 速度控制增益2 | [rad/s] | |
17 | VIC | 速度积分补偿 | [ms] | |
52 | GD2B | 对伺服电机的负载惯量比2 | [倍] | 设定切换后的伺服电机相对应的负载惯量比。 |
53 | PG2B | 位置控制增益2变更比率 | [%] | 设定位置增益2相对应的切换后的位置控制增益2的比率(%)。 |
54 | VG2B | 速度控制增益2变更比率 | [%] | 设定速度增益2相对应的切换后的速度控制增益2的比率(%)。 |
55 | VICB | 速度积分补偿变更比率 | [%] | 设定速度积分补偿相对应的切换后的速度积分补偿时间常数的 |
49 | CDP | 增益切换选择 | 选择切换条件 | |
50 | CDS | 增益切换条件 | [kpulse | 设定切换条件的值 |
51 | CDT | 增益切换时间常数 | [ms] | 可以设定切换时的增益变化相对应的滤波器时间常数。 |
图3.7伺服增益相关参数
结论 本文对内圆磨/平磨两种类型的设备伺服控制原理做了详细分析，通过对三菱J2S伺服系统升级改造，可以有效降低设备故障，提升性能和可靠性，降低维护成本，同时详细介绍了伺服升级、选型匹配方法及实施改造过程中碰到的经验教训，希望能为后续各在同类设备伺服升级改造中提供经验与建议,供参考。
参考文献
[1] 《R431 KOYO 平磨使用说明书》
[2] 《T-11C51 TOYO内圆磨使用说明书》
[3] 《三菱MR-J2S-B伺服技术资料集》
[4] 《三菱MR-J4-B-RJ020伺服技术资料集》
...