基于DSP的沖壓材料成型控制規律的研究

田曉強，易建軍，陳昌明，唐斌紅

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237）

1 引 言

隨著現代加工業的不斷發展，伺服沖床被廣泛應用于各種加工領域，其主要是對金屬材料進行剪斷與塑性加工，包括剪斷加工、沖壓加工、彎曲加工、引伸加工、成型加工等。為滿足沖床多樣化的加工方式，對伺服系統的柔性提出了較高要求；同時對于材料的加工特性而言，材料內部應力的變化是影響材料加工質量的主要因素，而材料的這種狀態特性可以描述成應力-應變-應變速率曲面上的一個點，利用此特性使材料在加工時其形變沿著此曲線上的最佳曲線進行，即可得到良好的加工效果[1]，這對系統在加工過程的可控性又提出了較高要求。

因此為了滿足以上兩方面要求，以某種材料的引伸加工方式為例，借助于Matlab中Simulink工具及Target for TI C2000工具進行控制系統的建模與仿真，設計滿足要求的沖床控制器，并對仿真結果進行分析。

2 伺服沖床的結構與功能分析

伺服沖床是近年來適應精密制造與高科技電子產品自動化生產需要而產生的加工設備，采用數字伺服控制，可進行多樣化的沖壓、鍛壓加工，沖壓成型可以實現全過程控制，具有高精度、高效率、節能環保、低噪音、低振動的特點。按其傳動結構主要包括螺桿式、連桿式及復合式伺服沖床。目前大多采用直驅式結構，即沖床機構直接由伺服電機驅動，其優點在于結構簡單，控制靈活。下面以直驅式伺服沖床為例[2]，對沖床結構與功能作簡單介紹。

直驅式伺服沖床由DSP（TMS320F2812）模塊控制直驅式電機產生原動力[3]，驅動滾珠螺桿絲杠帶動滑塊做上下的往復運動，通過改變電機輸入轉速軌跡來控制并改變滑塊的單一運動速度軌跡，從而使其適應不同材料及加工方式的需求。其結構如圖1所示，主要包括控制部分、采集部分、動力部分以及床體部分。其中控制部分包括DSP控制器以及ARM控制器兩部分；采集部分包括絲桿轉動的角度信號采集、滑塊沖壓過程中的力值信號采集以及滑塊位置信號采集三部分；動力部分包括伺服電機驅動部分（松下MSMA502P1）與變頻電機驅動部分（臺安EV300）；床體部分主要機架、工作臺、滾珠螺桿絲桿傳動機構以及滑塊及部分。其工作過程為：通過ARM（LPC2214）上位機人機界面設定期望的滑塊速度軌跡輸送給伺服電機控制器（DSP），通過控制器來控制伺服系統驅動滾珠螺桿絲杠機構及滑塊運動，使得滑塊按照預定的速度軌跡運動（沖壓機的要求就是在非加工范圍內要高速下降，加工范圍內應等速加工以及下死點停留時間延長和下死點自動補償）[4]，同時光柵檢測裝置將檢測到的絲杠旋轉角度信息及從動機構末端滑塊的運動狀態信息反饋給控制器，控制器根據接受到的信息來實時調節直驅式電機的運動狀態，從而對滑塊的速度軌跡進行修正及下死點的自動補償操作。此種系統結構簡單，而且最大壓力可于滑塊行程的任意點處產生，因此加工比較靈活，但由于其輸出轉矩全由伺服系統提供，因此使得沖壓能力受到一定局限。

圖1 直驅式伺服沖床結構圖

3 系統開發方案

圖2 伺服系統閉環控制系統框圖

該文主要研究伺服沖床在沖壓過程中的材料成型控制規律的問題，其主要是對滑塊的速度軌跡的控制，但對于滑塊的全閉環控制來說是十分復雜的系統，要得到理想的控制結果，對控制算法及其建模都有很高要求，而材料的最佳成型規律是在一定沖壓速率范圍內的，因此在速度環上系統采用半閉環結構，位置環上采用全閉環結構的控制方式。整個控制系統的結構如圖2所示，輸入信號為期望的電機的速度軌跡，輸出信號為滑塊的實際速度軌跡，執行元件為直驅式伺服電機，被控對象為滑塊，檢測裝置有光電編碼器（反饋電機的速度信息）與光柵尺（反饋滑塊的位置信息），其中虛線部分為DSP完成的控制算法，首先控制器計算并產生期望的速度軌跡信號，將此信號與反饋的速度信號相比較計算出所需值并將其轉變為相應的PWM波輸出給伺服控制器，控制器接受PWM信號驅動直驅式電機運轉，控制器通過控制PWM波的頻率控制電機轉動速度，電機驅動傳動機構帶動滑塊的做往復的沖壓運動；同時滑塊的位置信號反饋給控制器，控制器據此對電機運動做出相應的調節控制。

根據控制系統的結構框圖，利用Matlab中Simulink工具快速地構建一個具有相關功能的DSP系統作為伺服沖床系統的控制器，并對整個控制系統進行仿真測試來驗證控制系統軟、硬件方案的可行性；借助于Matlab中專門針對該型號DSP芯片進行編程的Target for TI C2000工具箱進行圖框化編程[5]，結合具體的材料成型方式進行控制算法的編寫工作，設計滿足系統要求的通用控制器，最后通過編譯，將Matlab中的框圖程序在CCS環境中轉換成C代碼并通過仿真器下載到具體的DSP芯片中，將DSP系統聯入到具體的伺服沖床系統中，就可以對所編寫的控制算法進行驗證。不僅提高了開發效率，而且節約了開發時間與成本，同時使開發者從繁瑣的軟硬件設計及代碼編寫中釋放出來，將更多精力專注在控制算法及系統優化上面。

4 系統模型構建

根據系統的控制結構框圖，該文主要對速度環進行建模與仿真，系統的程序框圖如圖3所示，其中Signal Generator模塊產生電機的期望的速度軌跡信號，此信號與反饋的速度信號相比較計算出所需值，此速度信號經過PID調節器后被送入Speed to Frequency模塊，此模塊負責將速度值轉換為與之相對應的PWM波的頻率值作為伺服電機系統的輸入，輸出為電機的實際速度軌跡，Scope1與Scope2將分別描繪出速度軌跡曲線以及位移曲線。通過觀測器可直觀獲得仿真結果，以此來對PID各參數以及Signal Generator模塊的算法進行及時修改[6]，以得到滿意的仿真結果。其主要包括包括伺服電機、機械結構與控制器的建模。

4.1 伺服電機的建模

由于其作為一種機電控制元件，電動機最終完成的是電能向機械能的轉換，因此它的數學模型應該包括機械和電氣兩部分，但事實上，由于永磁交流伺服系統的頻帶比整個伺服控制系統的信號頻帶寬很多，所以可以將其簡化為一階慣性環節[7]，其數學模型為：

τm為伺服電機的機電時間常數：

式中：JG——轉速慣量；

Ra——電樞電阻；

Ke——電勢常量；

KT——轉矩常量；

φ——電機磁通。

圖3 伺服系統閉環控制程序框圖

圖4 機械機構建模流程圖

根據電機的這些制造參數，則可以精確的建立伺服電機的數學模型，就可以在后面的Simulink中進行仿真分析。

4.2 機械機構建模

如圖3中Adams_sub模塊為滾珠絲桿與滑塊的機械結構部分，借助機械機構借助于pro-E軟件進行實體建模，之后將其導入到Adams仿真軟件中借助Adams/Controls模塊構造系統樣機模型，確定各種約束與作用力，并將Adams/View或Adams/solver程序與Matlab控制軟件相結合，建立機械系統與控制系統共享Adams建立的樣機模型[8]，進行聯合仿真分析。其具體構造流程如圖4所示。Adams_sub模塊接收伺服電機的轉速信息，并輸出滑塊的速度信息。

4.3 控制器模型構建

使用Matlab軟件中專門針對DSP進行編程的Target for TI C2000工具包，快速構建控制器模型，其主要包括F2812目標參數設定功能模塊，用來確定開發板所選擇的DSP芯片的類型[9-10]；C2812QEP功能模塊，來讀取光電編碼器的脈沖值；C2812PWM功能模塊，用來輸出相應的PWM波；Signal Generator模塊，用于產生期望的滑塊速度軌跡信號；PID Controller功能模塊，對轉速進行調節作用。其程序框圖如圖5所示，輸入PID模塊的基準值為期望的滑塊速度軌跡，由Signal Generator模塊輸出，同時基準轉速與采集模塊得到的電機實際速度值相比較，通過PID調節計算出所需轉速，之后通過Speed to Frequency模塊將速度值轉換為PWM波的頻率值，由DSP自帶的PWM模塊產生相應的PWM波形輸出給伺服驅動器。最后將Matlab中的框圖程序在CCS環境中轉換成C代碼并通過仿真器下載到具體的DSP芯片中，對真實系統進行驗證。

5 仿真與結果分析

圖6 滑塊位置預設圖

圖7 滑塊速度軌跡曲線

圖8 滑塊位移軌跡曲線圖

對于材料的加工特性而言，材料內部應力的變化是影響材料加工質量的主要因素，而這種材料的這種狀態特性可以描述成應力-應變-應變速率曲面上的一個點，利用此特性使材料在加工時其形變沿著此曲線上的最佳曲線進行，即可得到良好的加工效果。以某種材料的沖壓引伸成形為例，其中各模塊所需參數如表1所示，設計其加工軌跡如圖6所示，要求沖壓時引伸速度在100 mm/s左右，滑塊的進程與回程速度為200mm/s左右，在拐點B處滑塊進入預壓狀態，速度開始減小，C處為沖壓時速度，基本可以滿足100mm/s的沖壓要求，拐點D處滑塊達到下死點進入保壓狀態（這里設計保壓時間為零），速度為零，之后滑塊在E點開始回程加速，F點時回到工作起點。相應的滑塊速度軌跡與位移軌跡曲線如圖7與8所示，可以發現，在預設的加工區間內，滑塊的實際運動速度能滿足加工要求。

表1 系統實驗參數

而且基于模型的設計方法大大提高了程序的可重用性。當產品開發的不同步驟由不同的部門完成時，可使用同一的Matlab平臺。

6 結束語

系統是以直驅式伺服沖床作為被控對象，通過一個在TMS320F2812處理器上實現的簡單材料引伸加工算法的例子，敘述了在Matlab平臺上設計材料成型控制規律的思路和大體流程，包括算法模型的設計與仿真，通過整個開發流程可以看出其開發的優點，它使開發者從繁瑣的編寫和調試程序的工作中抽身出來，而更加專注與算法模型的設計、優化以及最終結果的驗證。這大大縮短了產品開發時間，降低了軟件開發成本，還可以提高各部門工作的協調性和兼容性。對設計具有實時響應快、精度高、穩定性好的伺服沖床控制系統，擴大伺服沖床的加工范圍及提高產品加工質量都具有積極作用。

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