基于交流位置伺服控制原理的壓力機(jī)自動(dòng)送料裝置系統(tǒng)

　　1.1 由于貨架鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與安裝上的要求，需要在冷彎型鋼的立面、側(cè)面沖壓出一系列的具有一定分布規(guī)律和精度要求的孔，在貨架立柱的截面形狀比較復(fù)雜的情況下很難保證能在冷彎型鋼上進(jìn)行后續(xù)加工完成。在貨架立柱冷彎成型生產(chǎn)線中導(dǎo)入在線預(yù)沖孔加工工序，擴(kuò)大了貨架立柱的截面形狀的設(shè)計(jì)范圍，極大地優(yōu)化了貨架鋼結(jié)構(gòu)組成機(jī)理，特別是當(dāng)立體倉(cāng)庫(kù)（AS/RS）系統(tǒng)在我國(guó)的興起和廣泛發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)貨架立柱的孔位精度提出了更高的要求，如：孔位誤差不超過(guò)±0.3，孔位累計(jì)誤差也不超過(guò)±0.5等，傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和方法已很難實(shí)現(xiàn)，我們知道傳統(tǒng)工藝是將材料先開(kāi)卷成條料，再由人工手動(dòng)送料，靠簡(jiǎn)易定位塊及經(jīng)驗(yàn)定位后沖壓實(shí)現(xiàn)或?qū)⑾鄳?yīng)的冷彎型鋼依據(jù)一定的沖壓原理進(jìn)行定位沖壓完成，準(zhǔn)確度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。

　　1.2 在沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)和壓力機(jī)改造過(guò)程中，既要實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)主機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，又要實(shí)現(xiàn)間歇性的送料和取件工作，必然要設(shè)計(jì)專門的自動(dòng)送料裝置和自動(dòng)取排件裝置，由于毛坯形狀、大小、工藝過(guò)程以及主機(jī)設(shè)備性能上的差異，其自動(dòng)送料裝置也大不一樣，近年來(lái)，由于交流位置伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的交流伺服自動(dòng)送料裝置具有系統(tǒng)響應(yīng)速度快、速度精度高、調(diào)速范圍寬、加減速性能好、魯棒性強(qiáng)、控制靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。在貨架立柱等位置控制精度要求比較高的場(chǎng)合，可采用CNC系統(tǒng)或?qū)Ｓ玫乃欧?qū)動(dòng)單元，該方案造價(jià)高，基本控制電路和控制原理復(fù)雜，不可預(yù)見(jiàn)性影響因素多，但在貨架橫梁、拉桿等位置控制精度有一定的要求，如：長(zhǎng)度控制精度為±1時(shí)，采用PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)貨架冷彎?rùn)C(jī)組中液壓停剪技術(shù)是一種性價(jià)比很好的選擇方案。

　　1.3 本文就根據(jù)本企業(yè)內(nèi)的進(jìn)口貨架冷彎生產(chǎn)線利用交流位置伺服系統(tǒng)PID控制方法實(shí)現(xiàn)的交流伺服自動(dòng)送料裝置及其工作原理分析改造了貨架立柱在線沖床自動(dòng)送料裝置，既克服人工送料的缺點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了貨架立柱冷彎成型生產(chǎn)線的在線預(yù)沖孔加工工序的自動(dòng)送料及加工生產(chǎn)。

2 交流伺服自動(dòng)送料裝置工作原理

　　在線預(yù)沖孔伺服送料定位控制系統(tǒng)由五部分組成，即計(jì)算機(jī)（PC）、伺服驅(qū)動(dòng)控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)（交流伺服控制器、伺服電機(jī)及相應(yīng)的控制電纜）、傳感檢測(cè)及反饋、輔助動(dòng)作執(zhí)行系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 電氣控制系統(tǒng)組成原理圖

3 自動(dòng)送料裝置分析及設(shè)計(jì)原理

　　3.1 主要工作動(dòng)力來(lái)源于交流伺服電機(jī)，如圖2，當(dāng)準(zhǔn)確測(cè)算出系統(tǒng)的具體電機(jī)功率和控制節(jié)拍要求后，可以選擇配套的交流伺服控制器和交流伺服電機(jī)，本裝置原設(shè)計(jì)安裝的為美國(guó)寶德（BALDOR）3.7KW的系統(tǒng)，后由于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，增加了工作傳動(dòng)負(fù)荷，并根據(jù)圖2所示的工作原理，即動(dòng)力控制部分與交流伺服控制之間的位置控制主要通過(guò)±10V的模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不存在對(duì)交流伺服系統(tǒng)的功率限制，故可以將其更換為日本三菱公司的伺服放大器型號(hào)MR-J2S-系列的5KW的配套的交流伺服控制器和交流伺服電機(jī)，并在后期的近四年的應(yīng)用過(guò)程中能很好地實(shí)現(xiàn)位置精度控制要求。

圖2 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力控制組成

　　3.2 自動(dòng)送料裝置主要由圖3所示的結(jié)構(gòu)組成，⑴光電傳感器1#主要反饋進(jìn)入壓力機(jī)工作區(qū)域的鋼帶存在狀況，如：余料、缺料等；⑵伺服電機(jī)經(jīng)齒輪箱向下導(dǎo)料輥傳遞輸送動(dòng)力，齒輪箱的傳動(dòng)比i（如i=11的設(shè)計(jì)選型）和電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定該系統(tǒng)送料定位速度；⑶旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)出上導(dǎo)料輥（被動(dòng)送料及被動(dòng)測(cè)量點(diǎn)）通過(guò)與板料間的運(yùn)動(dòng)傳遞的位置信號(hào)⑷機(jī)械抱閘實(shí)現(xiàn)定位后的位置固定；⑸光電傳感器2#實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的工作控制要求的位置信號(hào)的傳遞；⑹上下模實(shí)現(xiàn)在線孔位的沖壓；要求壓力機(jī)沖壓噸位配套、機(jī)床或模具精度的配套等。

圖3 自動(dòng)送料裝置圖

　　3.3 貨架立柱冷彎成型生產(chǎn)線的在線預(yù)沖孔加工工序自動(dòng)送料裝置由上下一對(duì)φ90的導(dǎo)料輥組成驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，依靠料板與上下導(dǎo)料輥之間的摩擦力送料，下導(dǎo)料輥由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。沖壓貨架立柱的帶鋼分布孔在壓力機(jī)上完成，為保證壓力機(jī)沖壓運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)送料運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)，在壓力機(jī)下工作臺(tái)平面安裝接近開(kāi)關(guān)，模具上特別設(shè)計(jì)和安裝適當(dāng)長(zhǎng)度的位置塊。當(dāng)模具進(jìn)行封閉運(yùn)動(dòng)時(shí)，位置塊靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)（閉合），此時(shí)不能送料，由電磁或氣動(dòng)離合器（根據(jù)壓力機(jī)的具體型號(hào)和控制方式?jīng)Q定）控制模具向下運(yùn)動(dòng)沖孔;反之，當(dāng)模具返回，位置塊離開(kāi)接近開(kāi)關(guān)時(shí)，接近開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)（斷開(kāi)），使下導(dǎo)料輥可以開(kāi)始下一個(gè)送料動(dòng)作循環(huán)周期，或利用壓力機(jī)的凸輪控制器來(lái)反映模具或上工作臺(tái)的具體極限位來(lái)設(shè)定具體的動(dòng)作節(jié)奏。具體的每模送料步距量值的大小由PC設(shè)置相應(yīng)的記數(shù)脈沖數(shù)或長(zhǎng)度轉(zhuǎn)化值比較決定，并由與上導(dǎo)料輥相聯(lián)的角編碼器被動(dòng)測(cè)量反饋相協(xié)調(diào)（由程序設(shè)定），從而實(shí)現(xiàn)沖壓板料的可調(diào)整、高精度、無(wú)積累誤差的步距送料沖壓，累積誤差由程序中設(shè)置的誤差補(bǔ)償算法或人工在線修正等手段處理，確保貨架立柱的高品質(zhì)孔位距離。

　　3.4 設(shè)備系統(tǒng)中的自動(dòng)送料裝置克服了貨架立柱預(yù)開(kāi)平鋼帶人工送料的缺點(diǎn)，具有操作簡(jiǎn)單、工作可靠、控制精度高等特點(diǎn)，可大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，配合高速高精度壓力機(jī)可實(shí)現(xiàn)70次/分的工作頻率，工作壓力達(dá)到2500KN以上，其可組成獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　4.1 輸入信號(hào)：①?zèng)_頭位置檢測(cè)元件：用接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)或壓力機(jī)的凸輪控制器控制；②有無(wú)料板的檢測(cè)元件：用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)或用行程開(kāi)關(guān)控制；③料板張緊檢測(cè)元件：用接觸開(kāi)關(guān)檢測(cè)；④料板堆積檢測(cè)元件：用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)或用行程開(kāi)關(guān)控制；⑤操作按鈕:操作面板上的開(kāi)始、停止、急停等開(kāi)關(guān)信號(hào)。

　　4.2 輸出信號(hào)：①控制壓力機(jī)工作循環(huán)；②控制伺服電動(dòng)機(jī)：上下導(dǎo)料輥伺服電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及定位；③控制抱閘動(dòng)作：根據(jù)位置控制要求，實(shí)現(xiàn)抱閘動(dòng)作的開(kāi)合，決定上下導(dǎo)料輥的運(yùn)動(dòng)；④指示燈：開(kāi)始、電源指示燈等（部分可共用壓力機(jī)上的指示燈）；其他如故障報(bào)警信號(hào)等。 4.3 交流位置伺服控制器作為下位機(jī)用來(lái)控制交流伺服電機(jī)的啟、停，速度的調(diào)整，主要接受來(lái)自主控微機(jī)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成的模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的正、反運(yùn)動(dòng)及調(diào)整。

　　4.3 交流位置伺服控制器作為下位機(jī)用來(lái)控制交流伺服電機(jī)的啟、停，速度的調(diào)整，主要接受來(lái)自主控微機(jī)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成的模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的正、反運(yùn)動(dòng)及調(diào)整。

5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要問(wèn)題

　　5.1 輸入信號(hào)的控制精度：要盡量選擇測(cè)量輥的圓周長(zhǎng)與增量式光電碼盤的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)的比值小的產(chǎn)品，其決定了反饋控制信號(hào)的測(cè)量控制精度；位置接近開(kāi)關(guān)的感應(yīng)距離要小而靈敏，采用1200線/轉(zhuǎn)的光電編碼器作反饋元件，與被動(dòng)測(cè)量輥同軸安裝，就可以準(zhǔn)確測(cè)出電機(jī)的有效轉(zhuǎn)速。因?yàn)楣怆娋幋a器是由激光照射光珊發(fā)出脈沖的，而光珊安裝在光電編碼器的轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一周（3600）編碼器就產(chǎn)生1200個(gè)脈沖，該脈沖只與轉(zhuǎn)軸速度有關(guān)，而與實(shí)際伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、電機(jī)溫度等無(wú)關(guān)。因此，只要準(zhǔn)確測(cè)出光電編碼器的脈沖個(gè)數(shù)，就可確切知道電機(jī)的有效轉(zhuǎn)速、實(shí)際送料長(zhǎng)度等，同時(shí)根據(jù)設(shè)定值計(jì)算出電機(jī)每秒鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的理論值并與測(cè)量值進(jìn)行比較，將誤差值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出到D/A芯片的輸入端，從而改變其電壓輸出，由伺服系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到恒速、定位準(zhǔn)?？刂频哪康摹?/p>

　　5.2 實(shí)際工作中由于伺服系統(tǒng)工作電流較大，對(duì)于微機(jī)干擾較大，故在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到系統(tǒng)的隔離和干擾問(wèn)題。由于選用的是串行D/A。信號(hào)的傳輸只用三根線，故采取隔離措施相對(duì)容易些。而光電編碼器工作也容易受到干擾，因此除了正常的接地外，還要將光電編碼器輸出線中的地線可靠接地。

　　5.3 輸出信號(hào)的控制精度：如壓力機(jī)、機(jī)械或氣動(dòng)抱閘的響應(yīng)周期的設(shè)計(jì)或選擇要盡可能小，模擬控制信號(hào)要與具體的伺服系統(tǒng)相配套設(shè)計(jì)和調(diào)試等。

　　5.4 系統(tǒng)的機(jī)械精度控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，魯棒性強(qiáng)，可以在很多場(chǎng)合達(dá)到較高精度位置控制的要求。

6 控制系統(tǒng)軟件

　　6.1 程序的主要功能是：人機(jī)對(duì)話調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)和PID參數(shù)整定；實(shí)現(xiàn)PC及各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞和處理，位置環(huán)PID控制算法及控制伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各相關(guān)設(shè)備動(dòng)作等。

　　6.2 程序主要運(yùn)行在DOS操作系統(tǒng)下，產(chǎn)品工藝參數(shù)、PID參數(shù)整定等為開(kāi)放式設(shè)計(jì)，便于對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行整定調(diào)整，其它諸如：沖壓步距的設(shè)定及調(diào)整、一定長(zhǎng)度值下每個(gè)輸出脈沖數(shù)的對(duì)應(yīng)調(diào)整、壓力機(jī)控制精度、伺服送料精度和伺服送料長(zhǎng)度值的設(shè)定與調(diào)整等均為開(kāi)放式設(shè)計(jì)。

　　6.3 主程序設(shè)計(jì)中考慮了部分設(shè)備的故障預(yù)警程序段，極大地提高了設(shè)備的可操作性和對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的控制，也在一定程度上降低了設(shè)備的故障檢查時(shí)間。

7 結(jié)論

　　實(shí)際應(yīng)用表明：選擇合理的PID參數(shù)能夠滿足控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、速度精度高、魯棒性強(qiáng)的要求，實(shí)際應(yīng)用控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累積誤差。該控制系統(tǒng)可應(yīng)用于高精度開(kāi)口系列冷彎型鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)中，特別是類似貨架立柱的產(chǎn)品，即對(duì)冷彎型鋼立、側(cè)面具有孔位高精度要求的在線預(yù)沖孔的冷彎成型生產(chǎn)線上。既滿足了貨架產(chǎn)品位置精度、立面?zhèn)让鏇_孔控制精度等方面的要求，又提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了批量生產(chǎn)成本。具有一定的推廣意義。