《伺服機(jī)械壓力機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)【設(shè)計(jì)報(bào)告】》

伺服機(jī)械壓力機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論 11.1伺服機(jī)械壓力機(jī)的概述 11.2伺服機(jī)械壓力機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 2第二章伺服機(jī)械壓力機(jī)同步控制總體方案 32.1方案的提出 32.2方案的實(shí)現(xiàn) 3第三章伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 63.1硬件選型 63.1.1PC控制器選型 63.1.2電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型 93.1.3HMI選型 113.1.4I/O模塊選型 133.2電氣連接 213.2.1I/O分配 213.2.2操作臺(tái)及其接線 233.2.3控制柜外圍接線 25第四章伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 284.1程序的框架與流程 284.2HMI界面設(shè)計(jì) 30第五章伺服機(jī)械壓力機(jī)的同步控制 375.1工作模式 375.2同步控制的方案 375.2.1電子齒輪耦合的同步控制方案 375.2.2速度模式+扭矩模式的同步控制方案 445.2.3兩種同步控制方案的比較 545.3軌跡規(guī)劃 555.3.1恒速模式 555.3.2變速模式 575.3.3壓印模式 585.3.4靜音模式 605.3.5拉伸模式 615.3.6彎曲模式 635.3.7擺動(dòng)模式 64總結(jié) 67參考文獻(xiàn) 68致謝 691引言1.1伺服機(jī)械壓力機(jī)的概述伺服壓力機(jī)通常指采用伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的壓力機(jī)。包括金屬鍛壓用伺服壓力機(jī)及耐火材料等行業(yè)專用伺服壓力機(jī)。因伺服電機(jī)的數(shù)控化特點(diǎn)，有時(shí)也廣泛稱其為數(shù)控壓力機(jī)。圖1-1所示為曲柄式伺服機(jī)械壓力機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖。圖1-1曲柄式伺服機(jī)械壓力機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖伺服機(jī)械壓力機(jī)的主要特點(diǎn)如下：（a）采用可控驅(qū)動(dòng)元件交流伺服電機(jī)為動(dòng)力，能夠在不改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的條件下，通過(guò)改變控制程序得到所需的滑塊運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)不同金屬材料、不同產(chǎn)品沖壓工藝的成形工藝要求，即滑塊的運(yùn)動(dòng)是可調(diào)的，是“柔性”的。（b）在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，伺服機(jī)械壓力機(jī)去除了飛輪、離合器和制動(dòng)器，通過(guò)伺服電機(jī)直接提供壓制力，實(shí)現(xiàn)各種工作模式，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠、能效高等特點(diǎn)。（c）在控制系統(tǒng)上，伺服機(jī)械壓力機(jī)采用計(jì)算機(jī)為控制器，采用光電編碼器檢測(cè)曲軸轉(zhuǎn)角或光柵尺直接檢測(cè)滑塊行程，并將信息反饋給控制器，屬于閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)滑塊運(yùn)動(dòng)的速度控制、位置控制甚至壓制力控制。1.2伺服機(jī)械壓力機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題交流伺服壓力機(jī)是成形裝備的最新發(fā)展，以計(jì)算機(jī)控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)螺旋、曲柄連桿、肘桿或其他機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊所需的直線運(yùn)動(dòng)。其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從注塑機(jī)發(fā)展到折彎?rùn)C(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)及螺旋壓力機(jī)等多種成形設(shè)備。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服機(jī)械壓力機(jī)，雖然可以解決普通機(jī)械壓力機(jī)存在的滑塊運(yùn)動(dòng)不可調(diào)、能效低和定位精度差等問(wèn)題，但是，由于去除了慣性大的儲(chǔ)能飛輪，曲柄式伺服機(jī)械壓力機(jī)完全依靠伺服電機(jī)輸出的瞬時(shí)扭矩產(chǎn)生壓制力，克服沖壓加工時(shí)的尖峰負(fù)載使金屬坯料進(jìn)入塑性變形，從而極大地增加了伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的容量，而大功率的伺服電機(jī)是非常昂貴甚至是不可制造的，尤其對(duì)于大噸位的伺服機(jī)械壓力機(jī)，從而造成具有強(qiáng)大功能和性能的伺服機(jī)械壓力機(jī)未能得以普及應(yīng)用。2伺服機(jī)械壓力機(jī)同步控制總體方案本章的主要目的是從伺服機(jī)械壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)元件和工作機(jī)構(gòu)入手，設(shè)計(jì)出既具有大噸位又成本較低的伺服機(jī)械壓力機(jī)。2.1方案的提出伺服機(jī)械壓力機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)鏈包括驅(qū)動(dòng)元件、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和沖壓工作機(jī)構(gòu)。機(jī)械壓力機(jī)的噸位是指在公稱壓力行程點(diǎn)滑塊所能承受的最大沖壓負(fù)載。為了達(dá)到設(shè)計(jì)的噸位，同時(shí)盡量減小伺服電機(jī)的容量，可從以下三個(gè)方面著手：（a）增加減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以按照傳動(dòng)比放大電機(jī)輸出的扭矩，但是同時(shí)降低了電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速。由于100kW以上伺服電機(jī)一般為力矩電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速一般只有幾百轉(zhuǎn)/分鐘，若通過(guò)采用多級(jí)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以獲得很大的傳動(dòng)比，則將大幅降低滑塊的工作頻率，從而降低設(shè)備的工作效率。（b）增加沖壓工作機(jī)構(gòu)的增力比。增力比是指機(jī)構(gòu)的輸出力/扭矩與機(jī)構(gòu)的輸入力/扭矩的比值，即單位輸入下的輸出值。曲柄式伺服機(jī)械壓力機(jī)的沖壓工作機(jī)構(gòu)是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其增力特性較差。若采用增力特性好的沖壓工作機(jī)構(gòu)，并以增力比為設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)其機(jī)構(gòu)尺度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，則可在不降低滑塊的工作頻率的基礎(chǔ)上，大幅降低伺服電機(jī)輸出的扭矩，進(jìn)而降低其容量和成本。（c）采用多臺(tái)較小容量伺服電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。目前，世界上只有國(guó)外少數(shù)幾家廠商能開發(fā)出150kW以上的伺服電機(jī)，由于技術(shù)壟斷，其產(chǎn)品價(jià)格是非常昂貴的。但是，國(guó)內(nèi)很多廠商能制造75kW以下的伺服電機(jī)，而且價(jià)格要便宜得多。因此，若采用采用多臺(tái)較小容量的國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，不僅可選用較小容量的伺服電機(jī)，總?cè)萘肯嗤碌目偝杀疽矊⒋蠓档汀?.2方案的實(shí)現(xiàn)(a)機(jī)械部分根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)的雙伺服電機(jī)直接并聯(lián)驅(qū)動(dòng)三角肘桿式伺服機(jī)械壓力機(jī)的模型如圖2-1所示。圖2-1伺服機(jī)械壓力機(jī)模型1-機(jī)身；2，8-伺服電機(jī)；3,7-聯(lián)軸器；4-曲軸；5-三角肘桿；6-電機(jī)支撐板；7-聯(lián)軸器；8-伺服電機(jī)；9-支撐軸；10-上肘桿；11-下肘桿；12-導(dǎo)軌；13-導(dǎo)軌調(diào)整塊；14-滑塊；圖中，伺服電機(jī)2和伺服電機(jī)8分別通過(guò)聯(lián)軸器3、7直接驅(qū)動(dòng)曲軸4，曲軸4通過(guò)三角肘桿5連接上肘桿10和下肘桿11，上肘桿10繞支撐軸9擺動(dòng)，下肘桿11通過(guò)柱銷與滑塊14連接，滑塊14在導(dǎo)軌12上直線移動(dòng)；曲軸4、三角連桿5、上肘桿10、下肘桿11和滑塊14構(gòu)成了三角肘桿式?jīng)_壓工作機(jī)構(gòu)。(b)電氣部分由于該伺服機(jī)械壓力機(jī)是使用2個(gè)小容量的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以伺服電機(jī)必須要同步運(yùn)動(dòng)才能達(dá)到控制的要求。所以，該伺服機(jī)械壓力機(jī)的電氣控制系統(tǒng)硬件連接如圖2-2所示。圖2-2電氣控制系統(tǒng)硬件連接示意圖圖中，我們采用了全套的德國(guó)倍福自動(dòng)化新技術(shù)的產(chǎn)品，包括工業(yè)級(jí)的嵌入式PC-C1020、工業(yè)級(jí)的觸摸屏、雙通道伺服驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)小容量的交流同步伺服電機(jī)以及部分IO模塊端子等。通過(guò)機(jī)械部分和電氣控制部分的結(jié)合，我們根據(jù)相關(guān)說(shuō)明，把這兩部分結(jié)合起來(lái)，制造出了一臺(tái)由兩個(gè)小容量伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的伺服機(jī)械壓力機(jī)模型，如圖2-3所示。3伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型以及選型后的硬件電氣連接規(guī)劃。3.1硬件選型結(jié)合本機(jī)械壓力機(jī)的控制要求以及伺服機(jī)械壓力機(jī)實(shí)際情況，對(duì)控制器、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、HMI、I/O模塊等硬件進(jìn)行選型介紹。3.1.1PC控制器選型為了實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)同步伺服電機(jī)同步控制，所選的控制器需要支持電子齒輪功能，通過(guò)查找倍福自動(dòng)化選型手冊(cè)，本機(jī)械壓力機(jī)采用倍福自動(dòng)化控制公司的嵌入式PC-CX1020（如圖3-1所示），支持電子凸輪和電子齒輪，此外還可以實(shí)現(xiàn)一些特殊功能，例如飛鋸等。圖3-1嵌入式PC-CX1020嵌入式PC-CX1020控制器包括:基本模塊（CX1020-0112、CX1020-N000）、系統(tǒng)接口CX1020-N010、電源模塊CX1100-0004?；灸KCX1020-0112、CX1020-N000圖3-2基本模塊CX1020-0112、CX1020-N000嵌入式PC-CX1020控制器基本模塊安裝了"MicrosoftWindowsCE.NET"操作系統(tǒng)；預(yù)裝TwinCAT：TwinCATCENCPTP，聯(lián)合TwinCAT自動(dòng)化軟件將CX1020系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)功能強(qiáng)大的PLC和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以在帶或者不帶可視化功能的情況下進(jìn)行操作，具有多達(dá)4個(gè)用戶任務(wù)。(b)系統(tǒng)接口CX1020-N010圖3-3系統(tǒng)接口CX1020-N010CX1020-N010選件可以通過(guò)DVI和USB接口與Beckhoff控制面板或帶DVI或者VGA輸入的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視器相連接。諸如打印機(jī)、掃描儀、鼠標(biāo)、鍵盤、海量存儲(chǔ)器，CD-RW等設(shè)備可通過(guò)USB2.0接口連接。(c)電源模塊CX1100-0004圖3-4電源模塊CX1100-0004CX1100-0004組件除了提供電源以外，還可提供一些其它重要特性：一個(gè)集成的NOVRAM，可實(shí)現(xiàn)故障情況下過(guò)程數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)；分兩行顯示（每行16個(gè)字符）的LCD顯示器用于顯示系統(tǒng)和用戶信息。通過(guò)CX1100-0004電源模塊可以把EtherCAT端子連接到CX1020。3.1.2電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選型本機(jī)械壓力機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)之一是兩個(gè)伺服電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，降低伺服電機(jī)的扭矩需求，從而降低伺服機(jī)械壓力機(jī)的制造成本，因此需要選用滿足同步控制需求的伺服電機(jī)。通過(guò)查找倍福自動(dòng)化產(chǎn)品選型手冊(cè)，同步伺服電機(jī)AM3033系列符合同步控制需求。AM3033|同步伺服電機(jī)在確定了選用AM3033系列同步伺服電機(jī)后，還需要確定同步伺服電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。因?yàn)閮膳_(tái)伺服電機(jī)需要與曲柄連接，因此選用帶切槽和導(dǎo)向鍵的電機(jī)軸；通過(guò)以上的幾點(diǎn)要求，可以確定電機(jī)的具體型號(hào)為AM3033-1C00-0000。圖3-5AM3033-1C00-0000同步伺服電機(jī)本伺服機(jī)械壓力機(jī)采用雙電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)同步控制，所以需要選擇一個(gè)雙通道的驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)所選電機(jī)的扭矩需求，通過(guò)查找倍福產(chǎn)品選型手冊(cè)，最后選出AX5203雙通道伺服驅(qū)動(dòng)器符合要求。AX5203驅(qū)動(dòng)器如圖3-6所示：圖3-6AX5203雙通道伺服驅(qū)動(dòng)器3.1.3HMI選型人機(jī)界面是用戶體驗(yàn)的直接窗口，除了用于顯示和監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)外，還需要輸入一些參數(shù)。通過(guò)查找相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè),最后確定倍福的控制面板CP69xx，帶DVI/USB擴(kuò)展接口的“經(jīng)濟(jì)型”控制面板。圖3-7CP69xx“經(jīng)濟(jì)型”控制面板的正面圖3-8CP69xx“經(jīng)濟(jì)型”控制面板的背面CP69xx控制面板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的USB和DVI接口連接，同時(shí)，還具備工業(yè)級(jí)24V電源接頭。位于面板背部的雙口USB插槽可連接鍵盤、鼠標(biāo)、USB記憶棒或CD/DVD驅(qū)動(dòng)器。集成的USB1.1集線器傳輸速度可達(dá)12Mbit/s。DVI/USB擴(kuò)展技術(shù)集成在每一個(gè)CP69xx和CP79xx系列“經(jīng)濟(jì)型”DVI/USB面板中，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電纜可在距離PC50米遠(yuǎn)處遠(yuǎn)程操作面板。圖像信號(hào)直接通過(guò)DVI線進(jìn)行傳輸，最遠(yuǎn)可達(dá)50m，而USB信號(hào)通過(guò)CAT5電纜傳輸?shù)絇C上，這樣，標(biāo)準(zhǔn)USB傳輸?shù)?m的限制就可拓展到50m遠(yuǎn)。3.1.4I/O模塊選型伺服機(jī)械壓力機(jī)的電氣控制系統(tǒng)出了控制器和伺服電機(jī)外，還需要其他的I/O模塊端子來(lái)處理數(shù)字量、模擬量和脈沖量等信號(hào)。(a)數(shù)字量模塊數(shù)字量模塊主要處理一下數(shù)字量的輸入和輸出，如按鈕和指示燈等信號(hào)。其中EL1008是數(shù)字量輸入模塊，EL2008是數(shù)字量輸出模塊。EL1008數(shù)字量輸入模塊如下圖所示：圖3-9EL1008數(shù)字量輸入模塊EL1008,是8通道的數(shù)字量總線輸入端子模塊，24V直流電壓，輸入濾波時(shí)間為3ms，"0"信號(hào)電壓-3V...5V(EN61131-2,Typ1),"1"信號(hào)電壓15V...30V(EN61131-2,Typ1),輸入電流typ.3mA(EN61131-2,Typ1)。EL2008數(shù)字量輸出模塊如下圖所示：圖3-10EL2008數(shù)字量輸出模塊EL2008，是8通道數(shù)字輸出端子，額定負(fù)載電壓24VDC(-15%/+20%)，最大輸出電流（p通道）0.5A(短路保護(hù))，工作電壓的電流損耗，典型值15mA，EL2008數(shù)字輸出端子以電隔離的形式將以電隔離的形式將自動(dòng)化單元傳輸過(guò)來(lái)的二進(jìn)制控制信號(hào)傳到處理層的執(zhí)行器上。（b)模擬量模塊模擬量模塊主要用于處理模擬電壓（±10V）的輸入和輸出，如用模擬電壓的輸出來(lái)控制變頻器的頻率，用模擬量電壓輸入模塊檢測(cè)壓力逆變器所受到的壓力值等。EL3004模擬量輸入模塊如下圖所示：圖3-11EL3004模擬量輸入模塊EL3004，是4通道模擬量輸入端子模塊，單端輸入。EL3004模擬量輸入端子模塊用于處理-10到+10V范圍內(nèi)的信號(hào)。電壓被數(shù)字化后的分辨率為12位，并在電隔離的狀態(tài)下被傳送到上一級(jí)自動(dòng)化設(shè)備。EL3004總線端子模塊的輸入通道有4個(gè)差分輸入，并具有一個(gè)公共的內(nèi)部接地電位端。EL4034模擬量輸出模塊如下圖所示：圖3-12EL4034模擬量輸出模塊EL4034模擬量輸出模塊,4通道模擬輸出端子,在-10和10V之間產(chǎn)生信號(hào)。電壓分辨率為12位，并且電氣絕緣。EtherCAT端子的輸出通道都有共同接地電位。EL4034支持分布式時(shí)鐘，輸入數(shù)據(jù)可以被其他與分布式時(shí)鐘終端連接的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的精度小于100ns。（c）脈沖量模塊脈沖量模塊主要用于接收脈沖信號(hào)和發(fā)送脈沖信號(hào)，如使用脈沖量監(jiān)視位置，角度或者驅(qū)動(dòng)第三方伺服電機(jī)等。在伺服機(jī)械壓力機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，滑塊的位置對(duì)沖壓工藝精度的影響是非常大的，為了實(shí)時(shí)監(jiān)視滑塊位置，本電氣控制系統(tǒng)中使用了EL5151模塊與滑塊相連接。EL5151模塊如下圖所示。圖3-13EL5151模塊EL5151與24V輸入增量編碼器的直接連接。32位計(jì)數(shù)器正交譯碼器和一個(gè)32位零脈沖可以讀取,設(shè)置或使能。EL5151支持分布式時(shí),即輸入數(shù)據(jù)可以同步監(jiān)測(cè)與其他數(shù)據(jù)也與分布式時(shí)鐘終端。整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是<100ns。在本伺服機(jī)械壓力機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，曲柄的角度是一個(gè)很重要的數(shù)據(jù)，它通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)直接影響滑塊的位置，所以在運(yùn)行過(guò)程中要控制好曲柄的角度，這就需要使用絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器與曲柄直接相連了。EL5001模塊如下圖所示：圖3-14EL5001模塊EL5001是一款具有SSI編碼器接口的EtherCAT總線端子模塊，編碼器信號(hào)可以直接接入其中（傳感器連接：二進(jìn)制輸入D+，D-；二進(jìn)制輸出CL+，CL-）。接口電路模塊通過(guò)發(fā)出脈沖信號(hào)來(lái)讀取編碼器數(shù)據(jù)，并將它們保存到控制器的過(guò)程數(shù)據(jù)中。通過(guò)對(duì)模塊工作模式的操作，可以將傳輸頻率和位寬信息永久的保存到寄存器中。在自動(dòng)化的伺服機(jī)械壓力機(jī)系統(tǒng)中，常常會(huì)結(jié)合自動(dòng)化的機(jī)械手來(lái)自動(dòng)換模，而這就需要控制第三方的伺服電機(jī)進(jìn)行定位控制了。EL2521模塊是一個(gè)可以發(fā)送高速脈沖信號(hào)的模塊，可以用來(lái)控制高精度的第三方伺服電機(jī)。EL2521模塊如下圖所示。圖3-15EL2521模塊EL2521是高速脈沖輸出模塊，基頻1…500kHz,默認(rèn)為50kHz。信號(hào)電壓RS422電平24VDC（外部供電），最大輸出電流0.5A?？梢宰鳛椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或者伺服驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖信號(hào)。（d）通訊模塊嵌入式PC與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)交換，就需要通過(guò)通訊模塊EK1110來(lái)實(shí)現(xiàn)了。EK1110通訊模塊如下圖所示。圖3-16EK1110通訊模塊EK1110與EtherCAT端子塊的末端相連。該端子模塊可以將以太網(wǎng)電纜與RJ45接頭相連，因此可將EtherCAT電纜束的電氣隔離長(zhǎng)度增加最多100m。在EK1110端子模塊中，E-bus信號(hào)被“飛速”轉(zhuǎn)換為100BASE-TX以太網(wǎng)信號(hào)。延遲約1μs，數(shù)據(jù)傳輸速率：100Mbaud。3.2電氣連接結(jié)合上一節(jié)所選用的嵌入式PC控制器、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、HMI、I/O模塊等硬件進(jìn)行了電氣連接規(guī)劃。3.2.1I/O分配I/O端口主要用于數(shù)字量信號(hào)、模擬量信號(hào)、脈沖量信號(hào)的出來(lái)，在本伺服機(jī)械壓力機(jī)電氣控制系統(tǒng)中，I/O模塊的定義如下表所示。模塊標(biāo)號(hào)模塊標(biāo)號(hào)EL1008_11運(yùn)行1EL30041壓力逆變器輸出V+2停止2壓力逆變器輸出V-3復(fù)位3未定義4急停4未定義5頂出5未定義6縮回6未定義7運(yùn)行27未定義8調(diào)模上行8未定義模塊標(biāo)號(hào)模塊標(biāo)號(hào)EL1008_21未定義EL40341變頻器2端口2未定義2變頻器3端口3調(diào)模下行3未定義4未定義4未定義5調(diào)模開關(guān)5未定義6波段開關(guān)16未定義7波段開關(guān)27未定義8波段開關(guān)38未定義模塊標(biāo)號(hào)模塊標(biāo)號(hào)EL1008_31波段開關(guān)4EL51511光柵尺A相2參考點(diǎn)2V+3未定義3V-4未定義4光柵尺Z相5未定義5光柵尺B相6未定義6未定義7未定義7未定義8未定義8光柵尺屏蔽接口模塊標(biāo)號(hào)模塊標(biāo)號(hào)EL2008_11回零指示燈EL50011編碼器D+2調(diào)模指示燈2V+3運(yùn)行/報(bào)警3V-4連續(xù)指示燈4編碼器CL+5單次指示燈5編碼器D-6點(diǎn)動(dòng)指示燈6未定義7未定義7未定義8未定義8編碼器CL-模塊標(biāo)號(hào)EL2008_21KA22KA33縮回電磁閥4頂出電磁閥5未定義6未定義7未定義8未定義表3-17I/O定義分配一覽表3.2.2操作臺(tái)及其接線在人機(jī)界面上對(duì)相應(yīng)工藝進(jìn)行規(guī)劃后，還需要通過(guò)操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械壓力機(jī)的控制，本機(jī)械壓力機(jī)操作臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)一些控制信號(hào)的輸入，如運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)、停止信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、急停信號(hào)、模式選擇信號(hào)等，以及一些狀態(tài)信號(hào)的顯示，如系統(tǒng)報(bào)警，回零狀態(tài)信號(hào)等。操作臺(tái)規(guī)劃如圖3-18所示：圖3-18操作臺(tái)規(guī)劃圖操作臺(tái)電氣原理圖如圖3-19所示圖3-19操作臺(tái)電氣原理圖3.2.3控制柜外圍接線控制柜外圍接線涉及的內(nèi)容比較多，包括主電路供電及控制電路等方面，這里只提供部分電路接線圖。驅(qū)動(dòng)及變頻模塊如下圖3-20所示，控制電路開關(guān)電源接線如3-21所示，控制器電源模塊的接線如圖3-22所示。（a）驅(qū)動(dòng)及變頻模塊圖3-20驅(qū)動(dòng)及變頻模塊接線示意圖如圖所示，AX5000系列的伺服驅(qū)動(dòng)器主電源由3相380V供電；控制電源由工業(yè)電壓+24V供電，并且要把Up和Us都接上+24V，這樣驅(qū)動(dòng)器才能正常工作；驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)的連接，只需要把動(dòng)力電纜和反饋電纜按對(duì)應(yīng)端口接好就可以了，如X12與X13、X14為一組端口，X22與X23、X24為另一組端口。變頻器的接線，首先要將變頻器的參數(shù)P08設(shè)置為5（外控），參數(shù)P09設(shè)置為4,0–10V（電壓信號(hào)），這樣接線才有實(shí)際意義。其中，NO.2和NO.3端子為模擬電壓接口（2+、3-），NO.7、NO.8和NO.12端子為變頻正反轉(zhuǎn)的接(NO.7為ON時(shí)正轉(zhuǎn)，NO.8為ON時(shí)反轉(zhuǎn)，NO.12為公共端),R、S、T為變頻輸出強(qiáng)電接口，一般頻率范圍在0~50Hz之間，參數(shù)也可自行設(shè)置。參數(shù)的設(shè)置詳情，讀者可自行參考《松下VF0C變頻中文使用說(shuō)明書》，這里不再詳述。（b）控制電路開關(guān)電源接線圖3-21控制電路開關(guān)電源接線示意圖控制電路的24V電壓主要由2個(gè)開關(guān)電源提供，其中開關(guān)電源1中的100與102是一組24V直流電源，通過(guò)PC上的電源模塊CX1100-0004給基本模塊（CX1020-0112、CX1020-N000）、系統(tǒng)接口CX1020-N010獨(dú)立供電；開關(guān)電源2的24V直流電源主要給伺服驅(qū)動(dòng)器的控制電源、IO模塊以及通訊模塊供電，如果IO擴(kuò)展過(guò)多而造成電流過(guò)低，可以在IO中添加一個(gè)獨(dú)立的電源模塊，獨(dú)立給另一部分端子供電，這樣就可以保證供電正常，不會(huì)影響其工作了。（c）控制器電源模塊接線圖3-22控制器電源模塊接線示意圖圖中所示為PC控制器、電源模塊、IO模塊及通訊模塊的安裝排列示意。圖中，電源模塊有兩個(gè)24伏的電源接口，其中100與102接口是給主機(jī)模塊供電的，101與103是給各個(gè)IO端子和通訊模塊供電的，這樣兩部分模塊的正常運(yùn)行就不會(huì)受到彼此電源的干擾。4伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本章的內(nèi)容是基于電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合伺服機(jī)械壓力機(jī)的控制要求以及實(shí)際情況，詳細(xì)講述了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。4.1程序的框架與流程如圖4-1所示，控制程序主要分四大部分，包括主程序、公共部分、工藝模式、工作模式；圖4-1程序框架示意圖公共部分包括軸的管理程序和指示模塊程序，軸的管理程序主要為軸的使能，停止，復(fù)位以及讀取軸和驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)；工藝模式包含有恒速模式、變速模式、壓印模式、拉伸模式、靜音模式、彎曲模式、擺動(dòng)模式共7中不同的工藝模式，選擇其中一種模式并輸入相應(yīng)的參數(shù)即可執(zhí)行相關(guān)的工藝模式；工作模式主要在操作臺(tái)上選擇，包含有點(diǎn)動(dòng)、回零、調(diào)模、連續(xù)/單次共5種工作方式。圖4-2為典型的工藝流程示意圖，一般來(lái)說(shuō)，各種工藝模式就是按照這種流程來(lái)控制的。圖4-2工藝流程示意圖4.2HMI界面設(shè)計(jì)為了便于工作人員操作和實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，我們對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行了合理的規(guī)劃。如圖4-3所示，人機(jī)界面的規(guī)劃主要分2大部分：選擇狀態(tài)欄、監(jiān)控狀態(tài)欄。圖4-3人機(jī)界面規(guī)劃框架示意圖選擇狀態(tài)欄有：首頁(yè)、曲線選擇、參數(shù)設(shè)置、操作畫面、監(jiān)控畫、沖壓曲線、系統(tǒng)狀態(tài)、IO狀態(tài)、報(bào)警歷史共9個(gè)選項(xiàng)，操作人員可隨時(shí)切換畫面；曲線選擇中有恒速模式、變速模式、壓印模式、拉伸模式、靜音模式、彎曲模式、擺動(dòng)模式共7種不同的工藝模式。監(jiān)控狀態(tài)欄是每一頁(yè)人機(jī)界面上都有的，用于實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)，監(jiān)視的內(nèi)容有曲柄角度、滑塊位置、電機(jī)速度、總扭矩、工藝模式、運(yùn)行次數(shù)。以下是選取人機(jī)界面的其中一部分，加以解釋，以便于操作人員的實(shí)際操作和理解。（a）曲線選擇界面圖4-4曲線選擇界面曲線選擇界面主要用于讓操作人員選擇不同的工藝模式，有恒速模式、變速模式、壓印模式、拉伸模式、靜音模式、彎曲模式、擺動(dòng)模式共7種不同的工藝模式可供操作人員選擇，操作人員只需點(diǎn)擊其中一種工藝模式，在連接后的界面內(nèi)輸入所需的位置、速度、停留時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)等參數(shù)，最后點(diǎn)擊參數(shù)確認(rèn)就可以啟動(dòng)操作臺(tái)的運(yùn)行按鈕，讓系統(tǒng)安裝其設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。（b）參數(shù)設(shè)定界面圖4-5參數(shù)設(shè)定界面參數(shù)設(shè)定界面主要用于系統(tǒng)的一些參數(shù)設(shè)置。①速度，這里的速度是指點(diǎn)動(dòng)速度,只要在速度的選項(xiàng)框內(nèi)輸入某一數(shù)值即可，在這里系統(tǒng)一般將其默認(rèn)值設(shè)定為50mm/s，操作人員也可以自行更改。②壓力設(shè)定值，為了檢測(cè)滑塊對(duì)上模的壓力，在上模的上面放置了一個(gè)壓力逆變器，通過(guò)這個(gè)裝置可以檢測(cè)到滑塊對(duì)上模施加的壓力。在本伺服機(jī)械壓力機(jī)的調(diào)試過(guò)程中，用到了同步控制中的速度+扭矩模式，該壓力設(shè)定值就是作為觸發(fā)扭矩施加的條件，當(dāng)壓力逆變器檢測(cè)到的壓力大于該設(shè)定值時(shí)，處于扭矩模式下的電機(jī)就工作。③比例系數(shù)Ki、跟隨扭矩按鈕，這兩個(gè)參數(shù)是在測(cè)試速度+扭矩模式同步控制時(shí)需要設(shè)置的。④氣缸縮回點(diǎn)，當(dāng)滑塊的位置低于該設(shè)定值時(shí)，上模底下的氣缸會(huì)自動(dòng)縮回，防止施加在上模的壓力過(guò)大而損壞模具。⑤上死點(diǎn)校準(zhǔn)、手動(dòng)上死點(diǎn)校準(zhǔn)按鈕，這兩個(gè)參數(shù)主要用于設(shè)置滑塊在上死點(diǎn)位置是的數(shù)值。因?yàn)檫B接滑塊的增量式光柵尺在運(yùn)行一段時(shí)間后數(shù)值會(huì)變化，如果不進(jìn)行位置的設(shè)定，那么HMI界面上的顯示滑塊的位置就不準(zhǔn)確。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)中滑塊在上死點(diǎn)的位置為38.33mm。⑥回零校準(zhǔn)距離、回零校準(zhǔn)距離按鈕，在本伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)中，回零的方法是先讓電機(jī)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)到安裝在曲柄上的擋塊時(shí)，會(huì)觸發(fā)一個(gè)上升沿信號(hào)，電機(jī)就開始慢速反轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測(cè)到下降沿信號(hào)時(shí)電機(jī)停止。但由于安裝的擋塊不是在滑塊的上死點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的曲柄角度，所以電機(jī)停止后需要進(jìn)行位置的調(diào)整，讓其轉(zhuǎn)動(dòng)到滑塊上死點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的曲柄角度，這樣回零就準(zhǔn)確了。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，本系統(tǒng)中回零時(shí)電機(jī)檢測(cè)到擋塊停止后還需要轉(zhuǎn)動(dòng)的距離為-17.83mm。對(duì)于其他的參數(shù)設(shè)置的意義，操作人員可根據(jù)字面意思進(jìn)行理解即可。（c）操作畫面圖4-6操作界面操作畫面主要用于動(dòng)態(tài)監(jiān)視滑塊的實(shí)時(shí)位置和曲柄的實(shí)時(shí)角度，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，滑塊位置的監(jiān)控狀態(tài)條會(huì)隨之滑動(dòng)變化，曲柄角度的儀表盤中的指針也會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。（d）沖壓曲線界面圖4-7沖壓曲線畫面沖壓曲線畫面用于顯示滑塊當(dāng)前的位置，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，滑塊的位置曲線會(huì)顯示在畫面中，當(dāng)滑塊停止在某一位置是，圖中會(huì)顯示某一定值的水平直線。（e）系統(tǒng)狀態(tài)畫面圖4-8系統(tǒng)狀態(tài)畫面系統(tǒng)狀態(tài)畫面用于顯示部分系統(tǒng)硬件或軟件狀態(tài)，如電機(jī)的扭矩、電壓或者驅(qū)動(dòng)器的溫度等相關(guān)參數(shù)。圖中，電機(jī)的溫度為0是因?yàn)樵摽刂葡到y(tǒng)中所選的電機(jī)沒(méi)有溫度傳感器。（f）IO狀態(tài)畫面圖4-9IO狀態(tài)畫面IO狀態(tài)畫面用于顯示系統(tǒng)中IO實(shí)時(shí)的狀態(tài)，如一些按鈕的開關(guān)狀態(tài)，指示燈的狀態(tài)，軸或者部分功能塊的一些實(shí)時(shí)狀態(tài)。這對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤后查找錯(cuò)誤的地方時(shí)非常關(guān)鍵的。5伺服機(jī)械壓力機(jī)的同步控制本章主要對(duì)伺服機(jī)械壓力機(jī)控制要求分析，從工作模式、軌跡規(guī)劃、同步控制、安全要求這四個(gè)方面詳細(xì)地分析伺服機(jī)械壓力機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)同步控制的方案。5.1工作模式壓力機(jī)常用的工作模式有三種:(a)點(diǎn)動(dòng)在選擇為點(diǎn)動(dòng)工作狀態(tài)的情況下，滑塊只是在雙手按壓運(yùn)轉(zhuǎn)按鈕時(shí)才會(huì)動(dòng)作，一旦手離開按鈕后立即停下。作為調(diào)模試模用，調(diào)試完模具后，必須切換工作狀態(tài)，才能進(jìn)入正式工作狀態(tài)，防止意外損傷模具。(b)單次在選擇為單次工作狀態(tài)的情況下，雙手按壓運(yùn)轉(zhuǎn)按鈕，滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)行程停止在初始位置，停止后才能再進(jìn)行單次行程的運(yùn)動(dòng)控制。(c)連續(xù)在選擇為連續(xù)工作狀態(tài)的情況下，雙手按壓運(yùn)轉(zhuǎn)按鈕，滑塊執(zhí)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。即使手離開啟動(dòng)按鈕后，仍舊連續(xù)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，只有在按壓[本周期停止]按鈕或者運(yùn)行到設(shè)定次數(shù)后，才會(huì)在特定的點(diǎn)停下。該工作狀態(tài)為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)壓力機(jī)而設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)單次工作狀態(tài)的連續(xù)循環(huán)。5.2同步控制的方案在根據(jù)本機(jī)械壓力機(jī)的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)同步控制的要求，我們嘗試了幾種不同的同步控制方案。其中主要的方案為電子齒輪耦合的同步控制方案和速度模式+扭矩模式的同步控制方案。5.2.1電子齒輪耦合的同步控制方案要使兩個(gè)軸以電子齒輪方式耦合的方法有2種，第一種是通過(guò)SystemManager中的耦合頁(yè)面手動(dòng)操作耦合，如圖5-1所示；第二種是通過(guò)PLCControl中的功能塊程序?qū)崿F(xiàn)耦合；在本伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)中，使用第一種方法耦合是不可取的，所以本系統(tǒng)采用了第二種方法實(shí)現(xiàn)耦合。圖5-1SystemManager中的手動(dòng)耦合頁(yè)面如圖所示，首先選擇耦合的從軸，電機(jī)圖中1處，然后在右邊界面點(diǎn)擊2處Coupling界面，在3處選擇對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如主軸、耦合方式以及耦合比例因子，最后點(diǎn)擊4處的Couple,讓從軸耦合到主軸，如果耦合成功，則5處的數(shù)字會(huì)變成紅色。通過(guò)功能塊電子齒輪同步控制，要使電子齒輪實(shí)現(xiàn)同步控制的方法是讓其中一個(gè)實(shí)軸作為主軸，讓另外一個(gè)實(shí)軸作為從軸，以1:1的速度耦合，因?yàn)殡娮育X輪是速度同步，所以當(dāng)速度比為1:1時(shí)，位置就間接同步了，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)伺服電機(jī)的同步控制。該方案可采用倍福自動(dòng)化軟件TwinCAT中電子齒輪靜態(tài)耦合功能塊MC_GearIn,動(dòng)態(tài)耦合功能塊MC_GearInDyn和解耦功能塊MC_GearOut來(lái)實(shí)現(xiàn)同步控制。(a)靜態(tài)耦合功能塊MC_GearIn簡(jiǎn)介只能在主、從軸都在靜止?fàn)顟B(tài)下才能進(jìn)入耦合，不可在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)入耦合。耦合狀態(tài)中不可以修改齒輪比。其中RatioNumberator和RatioDenominator都是整數(shù)，前為分子，后為分母，在Execute的上升沿，觸發(fā)耦合。一旦成功耦合，該功能塊所有輸入變量的任何變化都被忽略，直至解耦后的下一個(gè)Execute上升沿。圖5-2靜態(tài)耦合功能塊MC_GearIn(b)動(dòng)態(tài)耦合MC_GearInDyn簡(jiǎn)介動(dòng)態(tài)耦合比靜態(tài)耦合功能更強(qiáng)大，可以在耦合狀態(tài)中動(dòng)態(tài)修改齒輪比。但依然不可以在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)入耦合。齒輪比GearRatio以實(shí)數(shù)形式給定，Execute為True期間，可以動(dòng)態(tài)修改。如果Execute由True變成了False，那么軸仍然保持耦合狀態(tài)，但齒輪比保持False之前的值。直到使用MC_GearOut或者M(jìn)C_GearOutExt才解除耦合。圖5-3動(dòng)態(tài)耦合MC_GearInDyn(c)解耦功能塊MC_GearOut簡(jiǎn)介功能塊MC_GearOut用于齒輪解耦，解耦完成后，NC軸保持原速運(yùn)動(dòng)，必須另外用MC_Stop或者M(jìn)C_Halt停下來(lái)。圖5-4解耦功能塊MC_GearOutExecute的上升沿，解除耦合關(guān)系，解耦后從電機(jī)按照解耦前的速度勻速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于本伺服機(jī)械壓力機(jī)，需要將兩個(gè)電機(jī)固定在機(jī)身兩側(cè)，兩臺(tái)伺服電機(jī)相對(duì)于曲軸是固定的，從而帶動(dòng)滑塊做上下沖壓運(yùn)動(dòng)，不需要在耦合狀態(tài)中動(dòng)態(tài)修改齒輪比，因此電子齒輪采用靜態(tài)耦合（MC_GearIn）實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)伺服電機(jī)同步控制是最為合理的。(d)電子齒輪耦合同步控制程序的實(shí)現(xiàn)要使所有的軸得到控制，第一步就是軸的使能，不過(guò)本方案在這里不在講述軸的管理方面。本方案是在軸已經(jīng)可以使能、停止以及復(fù)位的前提下討論的。首先，要在全局變量中定義耦合的功能塊、數(shù)據(jù)類型等，如下圖所示。圖5-5定義數(shù)據(jù)類型在定義時(shí)，除了定義功能塊外，還應(yīng)增加一些輔助變量，便于查看是否達(dá)到控制要求。如耦合完成后置位InGear為真，通過(guò)查看該變量就可以判定兩個(gè)電機(jī)是否耦合完成，同理，解耦后置位OutGear為真，判斷其是否解耦完成。然后，編寫耦合的PLC程序，如下圖所示。圖5-6耦合信號(hào)發(fā)生條件圖5-7耦合與解耦的功能塊程序最后，檢驗(yàn)兩個(gè)軸是否耦合成功。如果耦合成功，則定義的InGear信號(hào)為真，或者在SystemManager中查看4處是否為紅色，如果是，則耦合成功。圖5-8SystemManager中查看耦合狀態(tài)（e）檢驗(yàn)兩個(gè)電機(jī)是否同步控制兩個(gè)電機(jī)以1:1的電子齒輪方式耦合，是屬于速度同步控制，所以在電子示波器中要監(jiān)視滑塊的位置、曲柄角度和兩個(gè)電機(jī)的速度。假設(shè)主電機(jī)以100mm/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)，在電子示波器下的監(jiān)視曲線就如下圖所示。圖5-9恒速模式下的監(jiān)控畫面如上圖所示，紅色曲線代表主電機(jī)的速度-時(shí)間曲線，黑色曲線代表從電機(jī)的速度-時(shí)間曲線，藍(lán)色曲線代表滑塊位移-時(shí)間曲線，綠色曲線代表曲柄角度-時(shí)間曲線，其中，主電機(jī)與從電機(jī)的速度-時(shí)間曲線的軌跡基本相符，說(shuō)明兩個(gè)電機(jī)屬于速度同步控制。5.2.2速度模式+扭矩模式的同步控制方案該方案是令兩個(gè)電機(jī)處于不同的工作模式，主電機(jī)采用速度模式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊的位置控制；從電機(jī)采用扭矩模式控制，以達(dá)到兩個(gè)電機(jī)同步出力的效果。(a)電機(jī)扭矩模式的選擇及配置要電機(jī)處于扭矩控制模式，就必須在SystemManager中配置電機(jī)。一般步驟如下圖5-10所示：圖5-10扭矩模式SystemManager配置如圖所示，一般的操作步驟如下所述：首先在I/OConfiguration選中驅(qū)動(dòng)器，在右上選項(xiàng)欄中選擇電機(jī)的Configuration；然后，選中所選電機(jī)的ProcessData/OperationMode，在右側(cè)的SetValue中選擇1：torquecontrol;最后，在ATorMDT中選擇MDT,在下面的選項(xiàng)欄中找到S-0-0080：Torquecommandvalue,點(diǎn)擊，將S-0-0080：Torquecommandvalue添加到右邊，同時(shí)，在左側(cè)的MDT2中自動(dòng)添加Torquecommandvalue的連接選項(xiàng)，注意，這是只是添加選項(xiàng)而已，并沒(méi)有連接定義的變量。同理，增加Additivetorquecommandvalue變量。（b）扭矩控制的PLC定義及連接首先，要在PLCControl中定義變量的類型，雙擊全局變量，在右側(cè)的空白處填寫上Torque_Command AT%Q*:INT;AdditivetorquecommandvalueAT%Q*:INT;因?yàn)檫@里是PLC發(fā)送指令到SystemManager中的，所以相當(dāng)于是PLC的輸出，定義為PLC輸出類型%Q*。圖5-11PLC中定義Torque_Command的類型圖中1處是用電子示波器監(jiān)視電機(jī)的扭矩曲線用的，而2處是PLC程序控制電機(jī)扭矩的數(shù)型定義。注意，Torque_Command是從電機(jī)處于扭矩模式下的扭矩控制變量，Additivetorquecommandvalue是主電機(jī)處于速度模式下的扭矩前饋控制變量。對(duì)于Torque_Command和Additivetorquecommandvalue數(shù)值類型的確定，可以在SystemManager中查看，方法如下，在IO配置中找到Torque_Commandvalue,在右側(cè)會(huì)有該變量的相關(guān)信息，從圖中可以確定扭矩控制的類型為INT,所以將此整體定義成Torque_Command AT%Q*:INT;圖5-12SystemManager中查找Torque_Command的數(shù)值類型在PLC及SystemManager中配置好相關(guān)變量后就可以將兩者之間連接起來(lái)了，連接后結(jié)果如下圖所示；圖5-13扭矩連接后的示意圖(C)同步控制程序的實(shí)現(xiàn)由于兩個(gè)電機(jī)處于不同的工作模式，主電機(jī)是速度模式，用于控制滑塊的位置，從電機(jī)是扭矩模式，輔助主電機(jī)施加扭矩，所以要使兩個(gè)電機(jī)處于速度同步控制是不可能實(shí)現(xiàn)的，但兩個(gè)電機(jī)都有扭矩值的反饋，所以可以嘗試一下讓兩個(gè)電機(jī)扭矩同步。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，嘗試了幾種扭矩模式下從電機(jī)的控制方案，得到了幾種不同的結(jié)果。①?gòu)碾姍C(jī)恒扭矩控制方案；該控制方法是直接賦值給從電機(jī)的扭矩控制變量，假如直接賦值100給Torque_Command_1，那么從電機(jī)就以100的扭矩運(yùn)行。下圖為恒扭矩控制方案的程序截圖。圖5-14恒扭矩控制方案程序如圖所示，System和bSpeedSwitch都是BOOL型變量，相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)；LREAL_TO_INT用于數(shù)型轉(zhuǎn)換，因?yàn)門orque_Command_1定義是LREAL，用于顯示數(shù)值和輸入數(shù)值，而Torque_Command定義是INT，用于控制電機(jī)的扭矩，只有數(shù)型轉(zhuǎn)換后才能正確編譯，運(yùn)行。同理，其他控制方案的程序亦是這樣，后面不再詳細(xì)講述。將程序運(yùn)行后，用電子示波器監(jiān)視電機(jī)運(yùn)行的扭矩，結(jié)果得到下圖中的曲線。圖5-15恒扭矩控制方案扭矩曲線圖中紅色線代表壓力，藍(lán)色曲線代表主電機(jī)的扭矩曲線，黑色線代表扭矩模式下從電機(jī)的扭矩曲線。由圖中分析可知，恒扭矩控制這種方法是不可取的，因?yàn)榛瑝K在上行和下行時(shí)主電機(jī)的扭矩是變化的，如果從電機(jī)的扭矩過(guò)大，這會(huì)影響主電機(jī)的正常運(yùn)行，甚至?xí)p壞主電機(jī)。②從電機(jī)跟隨扭矩控制方案；該控制方法是讓從電機(jī)的扭矩跟隨主電機(jī)的反饋扭矩值乘以系數(shù)Ki,這樣就可以避免恒扭矩模式下可能會(huì)損壞主電機(jī)的可能性。假設(shè)設(shè)定Ki=-0.2，則該方案的程序如下圖所示。圖5-16跟隨扭矩控制方案程序?qū)⒊绦蜻\(yùn)行后，用電子示波器監(jiān)視兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行的扭矩，結(jié)果得到下圖中的電機(jī)扭矩曲線。圖5-17跟隨扭矩控制方案扭矩曲線圖中藍(lán)色曲線代表主電機(jī)的扭矩曲線，黑色線代表扭矩模式下從電機(jī)的扭矩曲線。由圖中分析可知，這種方法雖然比恒扭矩方案有優(yōu)勢(shì)，但從電機(jī)的扭矩值是根據(jù)主電機(jī)扭矩反饋值而變化的，有一定的滯后，達(dá)不到扭矩同步要求。③主電機(jī)扭矩前饋減少，從電機(jī)跟隨扭矩控制方案；該方法是在方案②的前提下實(shí)現(xiàn)的，首先讓從電機(jī)的扭矩跟隨主電機(jī)的反饋扭矩值乘以系數(shù)Ki，然后讓主電機(jī)的扭矩減少，減少的數(shù)值為從電機(jī)的跟隨扭矩值。圖5-18前饋減少、跟隨扭矩控制方案程序?qū)⒊绦蜻\(yùn)行后，用電子示波器監(jiān)視兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行的扭矩，結(jié)果得到下圖中的電機(jī)扭矩曲線。圖5-19前饋減少、跟隨扭矩控制方案扭矩曲線圖中藍(lán)色曲線代表主電機(jī)的扭矩曲線，黑色線代表扭矩模式下從電機(jī)的扭矩曲線。這種方案可以把Ki的值稍微設(shè)大一點(diǎn)，讓兩個(gè)電機(jī)的扭矩曲線盡量接近，但由于數(shù)據(jù)滯后的原因，也是不能基本同步控制的。④從電機(jī)區(qū)間恒扭矩控制方案；該方法是在壓力逆變器檢測(cè)到的壓力值大于設(shè)定的壓力值時(shí)，從電機(jī)就按照給定的數(shù)值賦值給扭矩變量，讓從電機(jī)在壓力區(qū)間內(nèi)恒扭矩運(yùn)行。圖5-20區(qū)間恒扭矩控制方案程序?qū)⒊绦蜻\(yùn)行后，用電子示波器監(jiān)視兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行的扭矩，結(jié)果得到下圖中的電機(jī)扭矩曲線。圖5-21區(qū)間恒扭矩控制方案扭矩曲線圖中紅色線代表壓力，藍(lán)色曲線代表主電機(jī)的扭矩曲線，黑色線代表扭矩模式下從電機(jī)的扭矩曲線。區(qū)間恒扭矩控制方案相對(duì)于恒扭矩控制方案，該方案的優(yōu)勢(shì)在于恒扭矩只是在某一特定的區(qū)間內(nèi)增加的，不會(huì)拖制主電機(jī)的正常運(yùn)行，但是，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)該給多大的恒扭矩值卻不知道的，因?yàn)椴煌墓に囁璧呐ぞ厥遣煌?。⑤從電機(jī)區(qū)間跟隨扭矩控制方案；該方案與方案②類似，只不過(guò)增加一個(gè)壓力區(qū)間限制條件而已。圖5-22區(qū)間跟隨扭矩控制方案程序?qū)⒊绦蜻\(yùn)行后，用電子示波器監(jiān)視兩個(gè)電機(jī)運(yùn)行的扭矩，結(jié)果得到下圖中的電機(jī)扭矩曲線。圖5-23區(qū)間跟隨扭矩控制方案扭矩曲線圖中紅色線代表壓力，藍(lán)色曲線代表主電機(jī)的扭矩曲線，黑色線代表扭矩模式下從電機(jī)的扭矩曲線。在某一特定區(qū)間內(nèi)，從電機(jī)會(huì)跟隨主電機(jī)的扭矩反饋而變化，在這一區(qū)間外則為零。5.2.3兩種同步控制方案的比較對(duì)于兩種不同的同步控制方案，各有各的優(yōu)勢(shì)與不足。電子齒輪耦合的方式屬于速度同步控制，在相同的時(shí)間內(nèi)兩個(gè)電機(jī)的速度和位置是相同的，但扭矩值就不一定相同。速度+扭矩同步控制方案，一定程度上可以減少其中一個(gè)電機(jī)的能耗，在某一區(qū)間從電機(jī)才工作可以更黑的發(fā)揮伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但兩個(gè)電機(jī)的扭矩不一定嚴(yán)格意義上的同步控制。通過(guò)兩種不同的方案比較，本伺服機(jī)械壓力機(jī)目前采用了電子齒輪耦合的方式作為同步控制的方案。所以下一章節(jié)的軌跡規(guī)劃是基于電子齒輪耦合同步控制方案的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。5.3軌跡規(guī)劃本機(jī)械壓力機(jī)主要實(shí)現(xiàn)7種模式：恒速模式、變速模式、壓印模式、拉伸模式、靜音模式、彎曲模式、擺動(dòng)模式。7種模式選擇的HMI界面如下圖所示。圖5-247種模式選擇界面為了實(shí)現(xiàn)不同類型的沖壓模式，需要通過(guò)規(guī)劃控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度、方向及停止時(shí)間，間接控制滑塊的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同沖壓模式。通過(guò)規(guī)劃曲軸的運(yùn)動(dòng)并結(jié)合本伺服機(jī)械壓力機(jī)，得到恒速模式、變速模式、壓印模式、拉伸模式、靜音模式、彎曲模式、擺動(dòng)模式，這七種模式的電機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線、曲柄角度-時(shí)間曲線和滑塊位移-時(shí)間曲線。5.3.1恒速模式恒速模式的特點(diǎn)是曲軸恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，參數(shù)輸入界面如下圖所示；圖5-25恒速模式的參數(shù)輸入界面通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試和通過(guò)電子示波器的監(jiān)控，可得到恒速模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線、曲柄角度-時(shí)間曲線和滑塊位移-時(shí)間曲線的監(jiān)控畫面如下圖所示；圖5-26恒速模式下的監(jiān)控畫面如上圖所示，紅色曲線代表主電機(jī)的速度-時(shí)間曲線，黑色曲線代表從電機(jī)的速度-時(shí)間曲線，藍(lán)色曲線代表滑塊位移-時(shí)間曲線，綠色曲線代表曲柄角度-時(shí)間曲線，其中，主電機(jī)與從電機(jī)的速度-時(shí)間曲線的軌跡基本相符，說(shuō)明兩個(gè)電機(jī)屬于同步控制。5.3.2變速模式變速模式特點(diǎn)是滑塊在空行程和回程時(shí)快速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，凸模進(jìn)入工件后變速運(yùn)動(dòng)，電機(jī)減速，減少?zèng)_裁的振動(dòng)和噪音，延長(zhǎng)模具壽命。在下圖中分別設(shè)置了三個(gè)位置點(diǎn)以及三個(gè)變速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)速。圖5-27變速模式的參數(shù)輸入界面通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試和通過(guò)電子示波器的監(jiān)控，可得到變速模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線、曲柄角度-時(shí)間曲線和滑塊位移-時(shí)間曲線的監(jiān)控畫面如下圖所示；圖5-28變速模式下的監(jiān)控畫面如上圖所示，紅色曲線代表主電機(jī)的速度-時(shí)間曲線，黑色曲線代表從電機(jī)的速度-時(shí)間曲線，藍(lán)色曲線代表滑塊位移-時(shí)間曲線，綠色曲線代表曲柄角度-時(shí)間曲線，其中，主電機(jī)與從電機(jī)的速度-時(shí)間曲線的軌跡基本相符，說(shuō)明兩個(gè)電機(jī)屬于同步控制。5.3.3壓印模式壓印模式特點(diǎn)是滑塊在下死點(diǎn)作少許停留，然后高速回程，提高壓制精度。在下圖中分別設(shè)置了三個(gè)位置點(diǎn)，三個(gè)變速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)速以及在下死點(diǎn)停留的時(shí)間。圖5-29壓印模式的參數(shù)輸入界面通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試和通過(guò)電子示波器的監(jiān)控，可得到壓印模式下的電機(jī)轉(zhuǎn)速-時(shí)間曲線、曲柄角度-時(shí)間曲線和滑塊