分析交流伺服系统在货架冷弯成型线中的应用

1、分析交流伺服系统在货架冷弯成型线中的应用 1、引言 1.1在货架立柱冷弯成型生产线 中导入在线预冲孔工序和在线液压停剪技 术，既扩大了货架立柱的截面形状的设计范围和制造精度，又 满足了货架钢结构 体系设计与装配上的要求，极大地优化了货架钢结构组成机理，特别是当立体仓 库（AS/RS）系统在我国的兴起和广泛发展，对货架立柱的孔位精度、长度控制 等方面提岀了更高要求。 1.2本文就进口的货架立柱冷弯成型生产线利用交流伺服控制原理实现的在 线预冲孔和在线液压停剪控制装置进行分析探讨，力求实现在很多冷弯场合达到 较高位置精度控制的目的和要求，与同行共勉。 2、货架冷弯成型线的工作原理 2. 1货架冷弯

2、成型线基本生产工艺及设备构成： 2.1.1货架组件的一般生产工艺为：开卷 校平 在线伺服送料冲孔 成型轧制 矫直 定尺切断（或伺服跟踪切断） 打包 后期喷涂处理等； 2. 1. 2相对应的设备为：开卷机一一校平机一一伺服送料装置一一压力机一一冷 弯轧制机组（二十站左右）一一矫直头一一液压切断装置和液压站一一打包机或其 它附属设备+电气控制系统等。 2. 2货架冷弯成型线交流伺服控制系统的基本原理： 如图一所示。（系统组成及原理） 2. 3该系统由五部分组成，即计算机（PC ）、伺服驱动控制卡、交流伺服调 速系统（交流伺服控制器、伺服电机及相应的控制电缆）、传感检测及反馈、辅 助主动作执行系统。

3、主控程序只有几百K，运行在DOS操作系统下，主控微机 通过打印端口 L P1 :与伺服驱动控制卡相连，并通过数据线发送位置或速度指令， 在线适应性调节或设定PID调节参数（程序设计过程中将其作开放性设计，便 于调整）见后附图，并进行数模（D/A）转换，通过相应的控制板卡输岀土 10 V 的模拟信号并经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机，半闭环或闭环位置控 制反馈系统由电机轴端装有的增量式光电码盘（或在被传动的物体上设置测量辊 和增量式光电码盘转换装置）提供信号（A、B、IN脉冲）来完成位置伺服系统 的位置反馈，位置反馈环中传感元件-增量式光电编码器将运动构件实时的位移 （或转角）变化量以A、

4、 B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC机）中 进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息，主控微机计算给定位置与实际位 置（即反馈到的位置）的偏差后，根据偏差范围采取相应的PI D控制策略，将 数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输岀给伺服放大器，最终调节电 机运动，完成期望值的反复多次闭环反馈定位控制，在控制原理上实现小误差高 精度的位置定位；然后主控程序对辅助主动作执行系统下达运行指令，完成特定 的机械抱闸动作、压力机在线冲压运动、液压停剪切断运动等。 2. 4本机组的主要特点：一次性投资成本较高，最大交流伺服功率有一定的 限制，但后期运行成本低，特别是货架组件的一次成材率高，产

5、品精度高，应用 范围广且附加产值高。 3、自动送料机及冲孔装置分析及工作原理 3. 1货架立柱冷弯成型生产线的在线预冲孔加工工序自动送料装置由上下一 对75的导料辊组成，主要工作动力来源于交流伺服电机，依靠料板与上下导 料 辊 之 间 的 摩 擦 力 送 料 ，货 架 立 柱 的 带 钢 分 布 孔 在 压 力 机 上 冲 压 完 成 ，主 体 设 计 如图二，本装置原设计为美国宝德（BALD 0R）3. 7KW的伺服控制系统，后由于新 产品开发， 增加了工作传动负荷， 并根据图二所示的工作原理， 即动力控 制部分 与交流伺服控制之间的位置控制主要通过10 V的模拟信号来实现，不存在对交 流

6、伺服系 统的功率限制，在原理上可以将其更换为 日本三菱公司的伺服放大器型 号M R-J2S-系列的5KW的配套的交流伺服控制器和交流伺服电机，并根据对应 的 货架组件的生产精度要 求及确定伺服 控制精度为：0. 1，则 由 测量辊圆周长与 测量精度范围的 比值约为 ：1178（未考虑旋转编码器的 分倍频关系）， 宜选用 1 200PPR 以上的旋转编码器 ，并 在后 期的近四年的 应用过程中能很好地实 现位置 精度控制要求。 3. 2 三 菱 M R - J 2 伺 服 系 统 具 有 良 好 的 机 器 响 应 性 、低 速 稳 定 性 、包 含 机 械 系 统 在内的 最佳状态调整的 特点

7、等；速度频率响应达到 550HZ 以上， 非常适合用 于 高速定位的场合，比 较适合于负载惯性矩比会增大以及韧性较差的设 备（ 我公 司为链传动机组， 此点要 求较重要）。 3. 3 自 动 送 料 装 置 主 要 由 图 三 所 示 的 结 构 组 成 ， 光 电 传 感 器 1# 主 要 反 馈 进 入压力机工作区域的钢带存在状况，如：余料、缺料等；伺服电机经齿轮箱向 下导料辊传递输送动力，齿轮箱的传动比i （如i = 11的设计选型）和电机的转速 决定该系统送料定位速度；3）旋转编码器测出上导料辊（被动送料及被动测量点） 通过与板料间的运动传递的位置信号机械抱闸实现定位后的位置固定；光电

8、 传 感器 2#实现 压力 机的 工作 控制要求的位置 信号的 传递； 上下 模实现在 线孔 位 的 冲压 ； 要求压力 机冲压吨位 配套、 机床或模具精度 的 配套等。 3. 4 具 体 的 每 模 送 料 步 距 量 值 的 大 小 由 P C 设 置 相 应 的 记 数 脉 冲 数 或 长 度 转 化值比较决 定，并 由 与上导 料辊相联的角编码器 被动测量反馈相协调（ 由 程序设 定 ） ， 从而实现冲压板料的 可调整、 高精度、 无积累误差的 步距送料冲压 ， 累积 误差由 程序中设 置的误差补偿算法或人工在线修正等手段处理，确保货架立柱的 高品质孔位距离， 实践证明很实 用。 3.

9、 5 设 备 系 统 中 的 自 动 送 料 装 置 克 服 了 货 架 立 柱 预 开 平 钢 带 人 工 送 料 的 缺 点 ， 具有操作简单、 工作可靠、 控 制精度 高等特点 ， 可大大提高劳动生产率， 配 合高速高精度压 力 机可实 现 70 次/分的 工作频率， 工作 压力 达到 2500KN 以上， 其可组成独立的 运行系统 。 4 、 货 架 切 断 装 置 分 析 及 工 作 原 理 4. 1 基 本 控 制 原 理 相 同 并 共 用 统 一 系 统 ， 其 特 点 为 ： 通 过 反 射 式 光 电 开 关 测 量 货架立柱上的 孔位数量 信号，主要 为判断有无孔的光电

10、反射开关量而形成特定 孔的 计数信 号，当 达到一定 的孔数时，内 部主控程序将数孔测量模 式转化为长度 测 量模式，同 理完成位置伺 服系统 的位置 反馈和 定位控制 ，主 控微机计算给定位 置 与实际位置（ 即反馈到的位置 ） 的 偏差后， 适时在线调节交 流伺服 电机运动， 完成期望值的定 位后，主运 动停止并 主导液压切断装置控 制电磁阀产生切断工作 次序；（ 注： 冷弯成型机组的主动 力 仍然是由 该交 流伺服 电机的 运动提供的， 故 应 选择大功率的 交流伺服 控制系 统及驱动系统 ， 本设备选用的 系统功率达到 37 KW 以上） 4. 2 液 压 停 剪 的 控 制 模 式

11、与 飞 剪 控 制 模 式 的 主 要 区 别 ： 液 压 停 剪 的 控 制 精 度 高， 最高控制精度为： 0. 1mm 左右且无累积误差， 主 要反映在被动增量式光 电 码盘的 精度和 控制时序上的要 求， 设备一次性投资较高； 但一次成品率高， 材 料 利用率高， 飞剪控制需要增加随动和复位装置 ， 控制系 统较简单； 控 制原理 上 ，液压停 剪为绝 对控制 精度，不 存在速 差误差 等，飞剪 为相对 控制精 度，为剪 切 位与工 件运动 之间的相 对误差 ，由 于速 度运行 规律上的 不确定 或机组 阻力、工 作负荷上的波动等会造成无规律误差的存在；飞剪控制的主线运动速度比较恒 定

12、 ，有 利 于 配 套 的 焊 接 等 设 备 运 行 参 数 的 设 定 和 调 整 ，而 液 压 停 剪 的 控 制 模 式 主 运 动 曲线 较复杂 ，存 在 高低 速的 变 换和运 动 停止 状态，有 时会存在 较长的 长度 校 准 时间； 生产效 率差 异 大，飞剪 的 生产 效率高 ，易进行 生产控 制 ； 设 备维护 和操作控制的要求差异较大。液压停剪模式更有利于解决冷弯型材的切口变形 与 反弹等 切 口缺 陷，综上所 述需要针 对自身 的 冷 弯 产品特 点制 定 和 选择合 理的 设 备控制运行模式，以期获得最大收益。 5 控 制 系统设 计的 几个 主 要问 题 5. 1

13、输 人 信 号 的 控 制 精 度 ： 测 量 辊 圆 周 长 与 测 量 精 度 范 围 的 比 值 最 终 决 定 产 品 的 生产 控 制 精 度 ，应尽 量选择比 值大的 产品，并 选择合 适的 测 量辊材 料、测量 辊 与冷 弯 件的 接 触阻尼和 弹性系 数以增 加摩擦 系数和 接 触压力 防止测 量过程 滑 料 误 差 的 产生。 5.2 输出 信号的 控 制 精 度 ：位置环 PID 控 制 算法 上的 不 同决定 了 PID 控 制 得 到 的 控 制 精度 和 结果，如 ：求解方 法有阶 跃反应法 ，并根 据控 制 特性采用 三种动 作 特性： 1）、 仅有比 例控 制 ；

14、 2）、 PI 控 制 ； 3）、PID 控 制 ； 并根据 速度 形 、 测 定值微 分形 运 算式进行 PID 运算， 执行相应 的 精度 要求下 的 正、 反动 作 运 算 和控制。 5. 3 PI D 系 统 参 数 的 整 定 ： 主 控 微 机 向 控 制 卡 发 送 P I D 参 数 ， 看 给 定 的 参 数 是 否符合 控 制 系 统的 要求 ，该 过程 需用在 线 参数 整定实现 。参 数整 定的 主 要任务 是确定K（ P）、A（ I） 、B（ D）及采样周期Timer，比例系数K（ P）增大， 使 伺服驱 动 系 统 的 动 作灵 敏、 响 应加快， 而过大 会引起振

15、 荡， 调 节时间 加长； 积 分 系 数 A（ I） 增 大 ， 能 消除系 统稳态 误差 ， 但 稳定 性 下降； 微 分控 制 B（ D） 可 以 改善动 态特性 ， 使超调 量减少 ， 调整 时间 Timer 缩 短。 具 体整定 过 程需要 根 据 数 字位 置环的 PID 器 改进控 制 算法 以及 参数 整定 方 法来制 定 现场 的 适应参 数 和 现场的 实际调 整设定 ，并 根据不 同的 产 品或负 载情况分 别整定 ，否 则易 形 成位 置 控 制 过 程的 振 荡现象。 如图设 计程序 中设置 的 开放式 调整。 5. 4 系 统 的 机 械 精 度 控 制 在 一 定

16、 误 差 范 围 内 ， 电 气 控 制 精 度 （ 编 码 器 脉 冲 ） 就 可得到提 高，并 结合高性 能的 交 流伺服 驱动 系 统，可 以 在 很多场 合达到 较高精 度 位置控 制 的 要 求， 也能 提高位 置定 位 的 效率 和 精度 。 5. 5 主 程 序 是 基 于 P C 开 发 平 台 的 交 流 伺 服 控 制 系 统 ， 主 要 功 能 是 ： 人 机 对 话调整产品生产数据、设备参数设定和PID参数整定等；实现PC及各模块间的 数 据 传递 和 处理 ， 位置环 PID 控 制 算 法及 控 制 伺服电 动 机运 动 ， 实 现各相关 设 备 动 作等。 其它诸

17、 如：冲压 步距的 设定 及 调 整 、 一 定 长度 值下每个 输出脉 冲数的 对 应调整 、压 力机 控 制 精度 、伺 服送 料精度 和 伺服 送料长 度 值的 设 定 与调 整 等均 为开放式设计， 5. 6 主 程 序 设 计 中 考 虑 了 部 分 设 备 的 故 障 预 警 程 序 段 ， 极 大 地 提 高 了 设 备 的 可 操 作性 和 对产 品 生产质 量的 控 制 ， 也 在 一定 程度 上降 低了设 备的 故 障检查 时 间。 6结论 6. 1 实 际 应 用 表 明 ：选 择 合 理 的 交 流 伺 服 系 统 能 够 满 足 控 制 系 统 响 应 速 度 快 、 速 度 精度 高 、 鲁棒 性强的 要求 ， 实 际应用 位置控 制 精度 最 高在 0. 1mm 左 右且可 避 免累积误 差 。该 控 制 系 统 可应用 于 高精 度 开口 系 列