机械装备与网络技术

1、Start 基于 PC PC 控制技术的伺服机械压力机控制系统设计一 关键技术 该伺服机械压力机的控制系统可实现包含变速、停止和反向等运动的伺服冲压工艺的规划控制，具有良好的控制性能。核心控制内容是根据不同冲压工艺的要求，控制滑块在冲压周期内实现所需的运动。二 传统的压力机与伺服机械压力机对比n2.1 传统机械压力机图1.1 传统压力机 机械压力机工作时(图1.1), 由电动机通过三角皮带驱动大皮带轮（通常兼作飞轮）,经过齿轮副和离合器带动曲柄滑块机构,使滑块和凸模直线下行。锻压工作完成后滑块回程上行，离合器自动脱开，同时曲柄轴上的制动器接通，使滑块停到上止点附近n2.2 伺服机械压力机图1.

2、2 伺服机械压力机 某型单伺服电机驱动压力机的机械传动系统，伺服电机通过轴套与小齿轮轴联接，经齿轮减速后驱动曲轴转动，三角型连杆和上、下肘杆将曲轴的转动变换为滑块的直线往复移动。伺服机械压力机 采用运动可控的交流伺服电机作为驱动元件，去除飞轮从而简化传动链，并采用数字化运动控制技术，其核心控制内容是根据不同冲压工艺的要求，控制滑块在冲压周期内实现所需的运动三 控制要求分析n3.1 驱动与传动方式的选择混合驱动（需要同时控制异步电机和伺服电机）并联驱动 （需要实现多台伺服电机的同步控制）单伺服电机驱动（本次伺服压力所采用的方式）n3.2 单台伺服电机驱动压力机、其控制、驱动与传动构架图2.1 机

3、电传动框图 人机界面 (HMI) 主要用于滑块运动轨迹的规划与设备运行状态的监控，控制器用于处理输入和反馈信息并输出控制信号至伺服驱动器; 交流伺服电机受控输出的运动，经过减速机构以获得低速大扭矩，再经过曲柄滑块或肘杆机构等工作机构将曲轴的转动变换为滑块的直线往复运动; 此外，曲轴转角和滑块位移分别通过传感器检测、反馈至控制器。n3.3 伺服机械压力机的控制应考虑问题(1) 控制对象的确定(2) 运动轨迹的规划(3) 曲轴转角与滑块行程的检测(4) 多种控制信号的处理(5) 基于以太网的外界信息交互四 控制系统设计n4.1 控制器的选择 德国 Beckhoff 自动化公司的 PC 控制器是基于

4、工业 PC 硬件和 Windows 软件平台的开放性控制系统，具有强大的运算和存储能力、类型丰富的外围接口、灵活多样的模块化结构以及高效的远程监视与诊断能力; 其配备的 EtherCAT 实时工业以太网总线可与以太网完全兼容，具有高度开放、扩展灵活以及成本较低等特点; 其搭载的 TwinCAT 软件可将任何一个基于 PC 的系统转换为一个集成 PLC、NC和 HMI 于一体的实时控制系统，且支持几乎所有的伺服驱动器接口。基于该控制平台，不仅可方便地实现 HMI、PLC 与 NC 以及各种控制量的 “All In One”控制，拥有更大的大功率伺服驱动器及伺服电机的选择自由，而且还可高效地实现复

5、杂函数计算、大量数据处理、与外界以太网信息交互以及远程故障诊断等功能。n4.2 控制构架的搭建图3.1 控制系统构架图 所示为基于德国 Beckhoff 自动化公司 PC 控制技术的单台伺服电机驱动伺服机械压力机的控制构架图。控制器为嵌入式 PC，配备运算能力强大的高频CPU，采用无旋转部件的大容量 CF卡 作为启动和存储介质。CPU 模块通过 PC/104 总线与标准宽度的各种 I/O 模块连接以处理各种开关量、模拟量、脉冲量以及通讯信号;通过 EtherCAT 工业以太网总线与伺服驱动器连接，以控制主伺服电机的多点位变速运动; 通过 DVI 和USB 接口与带简易键盘触摸型控制面板连接，以

6、实现人机交互功能; 通过 J45 网络接口，可以连接安装有运动控制软件 TwinCAT 的编程电脑，或者连接其它 PC 构建线性拓扑结构，该控制构架可满足单台伺服电机驱动的伺服压力机的控制要求。n4.3 曲轴与滑块位置的检测图3.2 滑块光栅尺接线图图3.3 曲轴编码器接线图 控制系统采用直线光栅尺检测滑块的直线位移，采用增量编码器接口端子模块 EL5101 接收光栅尺输出的差分脉冲信号，具体信号连接如图 4 所示，光栅尺的5VDC 电压由 EL5101 提供，采用差分信号是为了提高抗干扰能力。 采用绝对式光电编码器检测曲轴的角位移，采用 SSI 编码器接口端子模块 EL5001 接收编码器输

7、出的同步串行信号，具体信号连接如图 5 所示，编码器的 24VDC 电压由 EL5001 提供，SSI 信号也具有较高的抗干扰能力。图3.4 滑块行程到曲轴角度的一一映射图 根据滑块光栅尺和曲轴编码器检测反馈回来的滑块行程和曲轴转角信息，可以将滑块下死点建立为滑块直线轴的零点，将滑块上死点建立为曲轴旋转轴的零点。为了区分滑块的下行上行行程，以便于伺服冲压工艺设计人员规划滑块运动轨迹，将滑块下行的行程定义为正值，将滑块上的行程定义为负值，从而建立单个冲压周期内滑块行程与曲轴转角之间的一一映射关系，如图 6 所示。图中滑块初始状态处于上死点，此时滑块行程为 200mm、曲轴转角为 0; 当滑块下行

8、到下死点时，曲轴转角为 222. 5; 当滑块再次上行到上死点时，曲轴转角为 360。n4.4 滑块轨迹的规划与控制图3.5 典型伺服冲压工艺规划界面 伺服冲压工艺主要依靠滑块运动轨迹改善金属材料的塑性成形性能，对单个冲压周期内滑块运动轨迹的规划要求主要包括: 运动轨迹可分段、段间速度可变、变速点可设置、电机可暂停甚至可反转。图 7 所示为设计的典型伺服冲压工艺规划界面，设置参数包括: 电机以不同速度运转的工艺段数、电机变速时的滑块位置、在不同工艺段内电机的运行速度、在特定滑块位置电机需要暂停的时间。其中，在规划界面上，在滑块的上行行程滑块的位置标示为负值; 利用工业 PC 强大的存储和计算能

9、力，以查表方式将滑块行程变换为曲轴角度进行控制。五 典型伺服冲压工艺轨迹实现图4.1 典型伺服冲压工艺的滑块与曲轴运动曲线 (a) 三段变速 (b) 下死点压制(c) 防回弹压制 上图 所示为在实验样机上通过 PC 控制器导出的典型伺服冲压工艺的运动曲线，图中的为曲轴角度曲线，为滑块行程曲线，为曲轴转速曲线。上图a为 “快 慢 快”三段变速冲压工艺，电机先快速下行，然后慢速冲压，最后快速返回; 图 b为 “下死点压制”冲压工艺，电机在下死点位置暂停 1 s; 图 c 为 “防止回弹压制”冲压工艺，电机不仅在下死点暂停 1 s，而且反转抬起滑块离开工件后再反转，再次进行一次 “下死点压制” 。由图可见，通过控制电机的变速、暂停甚至反转，可以使滑块多点位变速运动，从而实现伺服冲压工艺的轨迹要求。六 结论 介绍了一种多连杆伺服机械压力机控制系统的设计。采用单台大功率伺服电机作为驱动元件，采用三角肘杆机构作为工作机构，以曲轴为控制对象，以绝对式光电编码器检测曲轴转角，以增量式光栅尺检测滑块位移，建立了滑块位置与曲轴转角之间的一一映射关系，并将滑