折彎?rùn)C(jī)的整體結(jié)構(gòu)和同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

折彎?rùn)C(jī)的整體結(jié)構(gòu)和同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0數(shù)控折彎?rùn)C(jī)的發(fā)展趨勢(shì)作為板料制造行業(yè)的重要技術(shù)載體，該算法的發(fā)展過(guò)程主要經(jīng)歷了傳統(tǒng)的機(jī)械、能源驅(qū)動(dòng)和電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)三個(gè)階段。根據(jù)國(guó)內(nèi)外折彎?rùn)C(jī)的現(xiàn)狀,傳統(tǒng)機(jī)械式的折彎?rùn)C(jī)幾乎被行業(yè)淘汰,液壓缸驅(qū)動(dòng)的數(shù)控折彎?rùn)C(jī)占絕大優(yōu)勢(shì),電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式的折彎?rùn)C(jī)20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制,但發(fā)展和應(yīng)用速度相對(duì)比較緩慢。隨著集成技術(shù)和控制技術(shù)的成熟,數(shù)控折彎?rùn)C(jī)日益出現(xiàn)了由液壓驅(qū)動(dòng)式向機(jī)械式回歸,這種回歸不是簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)替代液壓驅(qū)動(dòng),而是將先進(jìn)的高精密直接驅(qū)動(dòng)單元應(yīng)用于折彎?rùn)C(jī),結(jié)合先進(jìn)的控制系統(tǒng),塑造了新一代的數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)。作者主要針對(duì)折彎?rùn)C(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),提出了一種基于矢量控制的DSP變頻調(diào)速的伺服電機(jī)帶動(dòng)精密滾珠絲桿直接驅(qū)動(dòng)滑塊的傳動(dòng)方案,建立了以伺服電機(jī)為控制對(duì)象的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了基于MATLAB/SIMULINK環(huán)境下的系統(tǒng)模型仿真研究。1電子服務(wù)機(jī)的工作原理和同步管理系統(tǒng)1.1折彎?rùn)C(jī)滑塊的驅(qū)動(dòng)如圖1和2所示,系統(tǒng)有3根控制軸X、Y1、Y2。X軸為后擋料架軸,由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。Y1、Y2軸為折彎?rùn)C(jī)滑塊左右兩側(cè)軸,由兩臺(tái)三相交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿直接驅(qū)動(dòng)折彎?rùn)C(jī)的滑塊。折彎?rùn)C(jī)工作時(shí),首先工業(yè)計(jì)算機(jī)發(fā)出X軸的位置量指令,通過(guò)調(diào)整后擋料架軸,把工件定位夾緊。再根據(jù)工件折彎的角度,控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出板料折彎的邊長(zhǎng),轉(zhuǎn)化為Y軸的位置進(jìn)給量。然后計(jì)算機(jī)發(fā)出指令調(diào)整上模位置,控制Y1、Y2軸的進(jìn)給量和下降到下模的深度,進(jìn)行折彎。折彎完成后計(jì)算機(jī)發(fā)出返回指令,滑塊快速返回。不斷重復(fù)上述的步驟,通過(guò)調(diào)整X、Y1、Y2軸的進(jìn)給量,可以折彎出不同的角度板材。1.2并行結(jié)構(gòu)形式在電機(jī)同步位置控制系統(tǒng)中,一般采用主從結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)兩種方式。主從結(jié)構(gòu)即是系統(tǒng)分有主動(dòng)軸和從動(dòng)軸,從動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是依據(jù)主動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化而變化。兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)接受同一位置指令,同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)主從軸的位置,計(jì)算偏差,通過(guò)不斷調(diào)整從動(dòng)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速指令,實(shí)現(xiàn)從動(dòng)軸與主動(dòng)軸同步。并行結(jié)構(gòu)是主從軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)接收獨(dú)立的控制指令,并在規(guī)定控制的誤差范圍內(nèi)按照各自的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng)。由于主從結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生較大的累積定位誤差,長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起兩軸共振。而并行結(jié)構(gòu)中,兩種結(jié)構(gòu)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),互為主從,在一定的控制策略下,系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力,因此,作者提出的折彎?rùn)C(jī)同步采用了并行結(jié)構(gòu)形式。如圖3和4所示,折彎?rùn)C(jī)滑塊兩側(cè)的伺服電機(jī),由同一臺(tái)DSP進(jìn)行控制。首先,在DSP中設(shè)定位置給定值和位置控制誤差范圍,DSP通過(guò)串行通訊接口SCI接收工控機(jī)的位置指令,通過(guò)優(yōu)化算法優(yōu)化位置指令,再由兩路的D/A輸出位置指令,經(jīng)過(guò)兩路的矢量控制變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。與此同時(shí),折彎?rùn)C(jī)滑塊左右兩側(cè)的外掛位置光柵尺,實(shí)時(shí)測(cè)量滑塊的位置,由正交編碼脈沖QEP接口反饋給DSP。DSP計(jì)算出兩側(cè)的位置偏差,通過(guò)模糊PID控制器的在線(xiàn)調(diào)整及串行口進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償,確?；瑝K兩側(cè)的位置偏差在任何時(shí)刻都處于設(shè)定的控制誤差范圍內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)了左右控制軸的同步。2支持設(shè)備的大型測(cè)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模2.1異步電機(jī)矢量控制變換數(shù)學(xué)模型交流伺服電機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)高階的、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。依據(jù)矢量控制的原理,經(jīng)過(guò)2/3的3/2的坐標(biāo)變換,把交流信號(hào)變?yōu)橐子诳刂频闹绷餍盘?hào),其數(shù)學(xué)模型如下:(1)異步電機(jī)在二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程:式中:UM1、UT1、UM2、UT2分別為定、轉(zhuǎn)子電壓在M-T軸上的分量;R1、R2分別為定、轉(zhuǎn)子繞組的電阻;Lm為二相坐標(biāo)系中定、轉(zhuǎn)子間的互感;Ls為定子繞組的自感;Lr為轉(zhuǎn)子繞組的自感;p為微分算子;ω1為同步角速度;ω2為轉(zhuǎn)差角頻率。(2)異步電機(jī)在二相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩方程:Ψ2Te=PnLmLrIT1Ψ2Ψ2Τe=ΡnLmLrΙΤ1Ψ2(2)其中:Pn為電機(jī)的極對(duì)數(shù);Ψ2為轉(zhuǎn)子磁鏈。方程(1)和方程(2)構(gòu)成了一個(gè)完整的異步電機(jī)矢量控制變換數(shù)學(xué)模型。在矢量控制系統(tǒng)中,對(duì)于籠型異步電機(jī),轉(zhuǎn)子短路,則UM2=UT2=0,得出式中:T2為轉(zhuǎn)子的時(shí)間常數(shù),T2=LrR2Τ2=LrR2。2.2模擬模型的構(gòu)建(1)系統(tǒng)框架圖異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)圖如圖5所示。圖中θs為定子磁鏈位置角,Ψr為定子磁通,Ψ*r為給定磁通。(2)模擬模型-系統(tǒng)電機(jī)系統(tǒng)的仿真模型如圖6所示。3電機(jī)參數(shù)的選取根據(jù)最大折彎力為400kN的折彎?rùn)C(jī)系統(tǒng),計(jì)算其負(fù)載確定電機(jī)的功率為9.5kW。進(jìn)而確定電機(jī)的仿真參數(shù),用M文件輸入電機(jī)參數(shù):定子電阻Rs=0.435Ω、漏感L1s=2mH;轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816Ω、漏感L2r=2mH;互感Lm=69.31mH;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=73.5kg·m2;電機(jī)極對(duì)數(shù)Pn=2;負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=176N·m。獲得的轉(zhuǎn)速、磁鏈、定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩的曲線(xiàn)分別如圖7、8、9、10所示。4仿真結(jié)果分析在介紹電伺服折彎?rùn)C(jī)同步控制方案的基礎(chǔ)上,采用模塊化的方法在SIMULINK環(huán)境下建立了伺服電機(jī)的仿真模型。從仿真的結(jié)果看,矢量控制變頻調(diào)速使得電機(jī)具有良好的速度、轉(zhuǎn)矩和電流的跟蹤性能。電機(jī)的參數(shù),可以根據(jù)折