機械裝備與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、Start 基于 PC PC 控制技術(shù)的伺服機械壓力機控制系統(tǒng)設(shè)計一 關(guān)鍵技術(shù) 該伺服機械壓力機的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)包含變速、停止和反向等運動的伺服沖壓工藝的規(guī)劃控制，具有良好的控制性能。核心控制內(nèi)容是根據(jù)不同沖壓工藝的要求，控制滑塊在沖壓周期內(nèi)實現(xiàn)所需的運動。二 傳統(tǒng)的壓力機與伺服機械壓力機對比n2.1 傳統(tǒng)機械壓力機圖1.1 傳統(tǒng)壓力機 機械壓力機工作時(圖1.1), 由電動機通過三角皮帶驅(qū)動大皮帶輪（通常兼作飛輪）,經(jīng)過齒輪副和離合器帶動曲柄滑塊機構(gòu),使滑塊和凸模直線下行。鍛壓工作完成后滑塊回程上行，離合器自動脫開，同時曲柄軸上的制動器接通，使滑塊停到上止點附近n2.2 伺服機械壓力機圖1.

2、2 伺服機械壓力機 某型單伺服電機驅(qū)動壓力機的機械傳動系統(tǒng)，伺服電機通過軸套與小齒輪軸聯(lián)接，經(jīng)齒輪減速后驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動，三角型連桿和上、下肘桿將曲軸的轉(zhuǎn)動變換為滑塊的直線往復移動。伺服機械壓力機 采用運動可控的交流伺服電機作為驅(qū)動元件，去除飛輪從而簡化傳動鏈，并采用數(shù)字化運動控制技術(shù)，其核心控制內(nèi)容是根據(jù)不同沖壓工藝的要求，控制滑塊在沖壓周期內(nèi)實現(xiàn)所需的運動三 控制要求分析n3.1 驅(qū)動與傳動方式的選擇混合驅(qū)動（需要同時控制異步電機和伺服電機）并聯(lián)驅(qū)動 （需要實現(xiàn)多臺伺服電機的同步控制）單伺服電機驅(qū)動（本次伺服壓力所采用的方式）n3.2 單臺伺服電機驅(qū)動壓力機、其控制、驅(qū)動與傳動構(gòu)架圖2.1 機

3、電傳動框圖 人機界面 (HMI) 主要用于滑塊運動軌跡的規(guī)劃與設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控，控制器用于處理輸入和反饋信息并輸出控制信號至伺服驅(qū)動器; 交流伺服電機受控輸出的運動，經(jīng)過減速機構(gòu)以獲得低速大扭矩，再經(jīng)過曲柄滑塊或肘桿機構(gòu)等工作機構(gòu)將曲軸的轉(zhuǎn)動變換為滑塊的直線往復運動; 此外，曲軸轉(zhuǎn)角和滑塊位移分別通過傳感器檢測、反饋至控制器。n3.3 伺服機械壓力機的控制應考慮問題(1) 控制對象的確定(2) 運動軌跡的規(guī)劃(3) 曲軸轉(zhuǎn)角與滑塊行程的檢測(4) 多種控制信號的處理(5) 基于以太網(wǎng)的外界信息交互四 控制系統(tǒng)設(shè)計n4.1 控制器的選擇 德國 Beckhoff 自動化公司的 PC 控制器是基于

4、工業(yè) PC 硬件和 Windows 軟件平臺的開放性控制系統(tǒng)，具有強大的運算和存儲能力、類型豐富的外圍接口、靈活多樣的模塊化結(jié)構(gòu)以及高效的遠程監(jiān)視與診斷能力; 其配備的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)總線可與以太網(wǎng)完全兼容，具有高度開放、擴展靈活以及成本較低等特點; 其搭載的 TwinCAT 軟件可將任何一個基于 PC 的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個集成 PLC、NC和 HMI 于一體的實時控制系統(tǒng)，且支持幾乎所有的伺服驅(qū)動器接口?；谠摽刂破脚_，不僅可方便地實現(xiàn) HMI、PLC 與 NC 以及各種控制量的 “All In One”控制，擁有更大的大功率伺服驅(qū)動器及伺服電機的選擇自由，而且還可高效地實現(xiàn)復

5、雜函數(shù)計算、大量數(shù)據(jù)處理、與外界以太網(wǎng)信息交互以及遠程故障診斷等功能。n4.2 控制構(gòu)架的搭建圖3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)架圖 所示為基于德國 Beckhoff 自動化公司 PC 控制技術(shù)的單臺伺服電機驅(qū)動伺服機械壓力機的控制構(gòu)架圖?？刂破鳛榍度胧?PC，配備運算能力強大的高頻CPU，采用無旋轉(zhuǎn)部件的大容量 CF卡 作為啟動和存儲介質(zhì)。CPU 模塊通過 PC/104 總線與標準寬度的各種 I/O 模塊連接以處理各種開關(guān)量、模擬量、脈沖量以及通訊信號;通過 EtherCAT 工業(yè)以太網(wǎng)總線與伺服驅(qū)動器連接，以控制主伺服電機的多點位變速運動; 通過 DVI 和USB 接口與帶簡易鍵盤觸摸型控制面板連接，以

6、實現(xiàn)人機交互功能; 通過 J45 網(wǎng)絡(luò)接口，可以連接安裝有運動控制軟件 TwinCAT 的編程電腦，或者連接其它 PC 構(gòu)建線性拓撲結(jié)構(gòu)，該控制構(gòu)架可滿足單臺伺服電機驅(qū)動的伺服壓力機的控制要求。n4.3 曲軸與滑塊位置的檢測圖3.2 滑塊光柵尺接線圖圖3.3 曲軸編碼器接線圖 控制系統(tǒng)采用直線光柵尺檢測滑塊的直線位移，采用增量編碼器接口端子模塊 EL5101 接收光柵尺輸出的差分脈沖信號，具體信號連接如圖 4 所示，光柵尺的5VDC 電壓由 EL5101 提供，采用差分信號是為了提高抗干擾能力。 采用絕對式光電編碼器檢測曲軸的角位移，采用 SSI 編碼器接口端子模塊 EL5001 接收編碼器輸

7、出的同步串行信號，具體信號連接如圖 5 所示，編碼器的 24VDC 電壓由 EL5001 提供，SSI 信號也具有較高的抗干擾能力。圖3.4 滑塊行程到曲軸角度的一一映射圖 根據(jù)滑塊光柵尺和曲軸編碼器檢測反饋回來的滑塊行程和曲軸轉(zhuǎn)角信息，可以將滑塊下死點建立為滑塊直線軸的零點，將滑塊上死點建立為曲軸旋轉(zhuǎn)軸的零點。為了區(qū)分滑塊的下行上行行程，以便于伺服沖壓工藝設(shè)計人員規(guī)劃滑塊運動軌跡，將滑塊下行的行程定義為正值，將滑塊上的行程定義為負值，從而建立單個沖壓周期內(nèi)滑塊行程與曲軸轉(zhuǎn)角之間的一一映射關(guān)系，如圖 6 所示。圖中滑塊初始狀態(tài)處于上死點，此時滑塊行程為 200mm、曲軸轉(zhuǎn)角為 0; 當滑塊下行

8、到下死點時，曲軸轉(zhuǎn)角為 222. 5; 當滑塊再次上行到上死點時，曲軸轉(zhuǎn)角為 360。n4.4 滑塊軌跡的規(guī)劃與控制圖3.5 典型伺服沖壓工藝規(guī)劃界面 伺服沖壓工藝主要依靠滑塊運動軌跡改善金屬材料的塑性成形性能，對單個沖壓周期內(nèi)滑塊運動軌跡的規(guī)劃要求主要包括: 運動軌跡可分段、段間速度可變、變速點可設(shè)置、電機可暫停甚至可反轉(zhuǎn)。圖 7 所示為設(shè)計的典型伺服沖壓工藝規(guī)劃界面，設(shè)置參數(shù)包括: 電機以不同速度運轉(zhuǎn)的工藝段數(shù)、電機變速時的滑塊位置、在不同工藝段內(nèi)電機的運行速度、在特定滑塊位置電機需要暫停的時間。其中，在規(guī)劃界面上，在滑塊的上行行程滑塊的位置標示為負值; 利用工業(yè) PC 強大的存儲和計算能

9、力，以查表方式將滑塊行程變換為曲軸角度進行控制。五 典型伺服沖壓工藝軌跡實現(xiàn)圖4.1 典型伺服沖壓工藝的滑塊與曲軸運動曲線 (a) 三段變速 (b) 下死點壓制(c) 防回彈壓制 上圖 所示為在實驗樣機上通過 PC 控制器導出的典型伺服沖壓工藝的運動曲線，圖中的為曲軸角度曲線，為滑塊行程曲線，為曲軸轉(zhuǎn)速曲線。上圖a為 “快 慢 快”三段變速沖壓工藝，電機先快速下行，然后慢速沖壓，最后快速返回; 圖 b為 “下死點壓制”沖壓工藝，電機在下死點位置暫停 1 s; 圖 c 為 “防止回彈壓制”沖壓工藝，電機不僅在下死點暫停 1 s，而且反轉(zhuǎn)抬起滑塊離開工件后再反轉(zhuǎn)，再次進行一次 “下死點壓制” 。由圖可見，通過控制電機的變速、暫停甚至反轉(zhuǎn)，可以使滑塊多點位變速運動，從而實現(xiàn)伺服沖壓工藝的軌跡要求。六 結(jié)論 介紹了一種多連桿伺服機械壓力機控制系統(tǒng)的設(shè)計。采用單臺大功率伺服電機作為驅(qū)動元件，采用三角肘桿機構(gòu)作為工作機構(gòu)，以曲軸為控制對象，以絕對式光電編碼器檢測曲軸轉(zhuǎn)角，以增量式光柵尺檢測滑塊位移，建立了滑塊位置與曲軸轉(zhuǎn)角之間的一一映射關(guān)系，并將滑