一種高精度擠壓機電氣控制系統的設計與實現

吳國華，劉紅梅，李小俊

（合肥海德數控液壓設備有限公司，安徽 合肥 230601）

一種高精度擠壓機電氣控制系統的設計與實現

吳國華，劉紅梅，李小俊

（合肥海德數控液壓設備有限公司，安徽 合肥 230601）

本文結合某沖壓線的一臺高精度擠壓設備，簡要分析如何實現西門子可編程控制器與交流伺服系統的通訊和控制，以及在高精度定位系統中的應用。本文詳述了此類高精度擠壓機的設計原理和實際工作性能。

液壓原理；機械傳動結構；伺服系統；可編程控制器；MODBUS通訊

對于設備生產廠來說，如何把設備的高效和高精度這一對矛盾體做到相對完美，已成研制設備的重中之重。而采用可編程控制器與伺服系統來完成對設備的控制，則有效解決了高速度難以達到高精度這一對矛盾體的沖突，同時可有效減小能耗和降低噪聲污染。

本文所研究設備主要用于軸承類零件的擠壓，在一定工藝條件下也可完成軸類零件校正及折彎工藝。因此對設備的工作臺面大小要求不高，長度和寬度一般設計在1m左右，但對設備的定位精度以及重復定位精度要求較高。為了達到這種高效率且定位精度高以及使用方便的要求，設備采用伺服控制系統以及機械死擋塊的方式來完成。

下面就將此類設備分成機械原理和電氣控制兩大部分進行詳細分析講解。

1 總體設計方案

1.1 機械結構與液壓原理

1.1.1 死擋塊的機械結構

主機由機身、滑塊、主缸、機械死檔、油箱、行程限位、液壓控制系統、電氣控制系統等組成。機身采用整體框架式結構，以確保設備剛性。滑塊采用四角八面導軌，調整精度高，剛性好，調整后不易發生精度跑偏現象。主缸采用單缸結構，主行程限位采用直線位移傳感器對滑塊位置經行實時顯示和控制，各位置控制轉換點可以在人機交互界面經行調節，并在滑塊上設置上下極限行程開關進行保護，保證滑塊不超程運行。設備部分技術參數如表1所示。

表1 設備技術參數

為了達到高的定位精度和重復定位精度，在壓機主缸上部安裝有交流伺服電機控制的可調節閉合高度的機械限位，以保證壓機定程高度的一致性。其具體結構如圖1所示。

由于活塞桿長度的限制，對機械限位的調節是有限制的，針對本臺設備，限位可調節范圍在0～600mm。設備調節原理：PLC驅動伺服電機，轉動聯軸器和齒輪軸，傳動齒輪盤，螺桿套隨之可上下調節。以伺服電機正轉為例，隨著伺服電機轉動，螺桿套隨之上移，移動到某一位置停止，此時壓套與螺桿套之間的距離變小。當油缸動作時，因壓套與螺桿套之間的距離已經固定，油缸的行程距離也因此被控制住，從而達到定位精度和重復定位精度的要求。

圖1 機械限位結構

1.1.2 主機部分的液壓原理

上面分析了死擋的機械結構，下面將具體分析設備的液壓部分原理和功能。本機的液壓原理如圖2所示。

液壓部分主要分為三大部分：①動力部分，由電液伺服電機和IPV雙聯泵組成；②閥體部分；③油缸部分。這種高精度擠壓設備，設計時的難點在于滑塊整體沖擊力小，壓力精度高，并在不增加液壓機能耗的基礎上提高工作效率。為滿足以上要求，本機設計時采取以下幾點：①雙聯泵。雙聯泵可以一臺獨立工作或兩臺同時工作，采用電機直接連接，機泵軸完全同心，振動小、噪聲低。②伺服電機。實現位置和力矩的閉環控制，具有電機加減速時間短、發熱和噪聲低等優點。③比例溢流閥+壓力傳感器。實現壓力的雙閉環控制，保證了壓力的高精度要求。

1.2 電氣系統和控制原理

1.2.1 電氣系統

本機電氣系統主要由西門子S7-200系列PLC、SMART1000IE觸摸式人機交換界面（簡稱觸摸屏）和ESTUN伺服驅動器，以及部分其他電氣元器件組成。其中CPU通過本體（CPU226）自帶脈沖輸出來驅動控制死擋塊的交流伺服系統，并通過MODBUS RTU通訊協議與控制器通訊，讀取驅動器內部部分參數。PLC的擴展模擬量輸出模塊(4通道輸出)，完成對主機部分的電液伺服系統和主缸上腔的比例壓力閥的控制。主操臺由觸摸屏和一組控制按鈕組合而成，用以完成設備的參數設置、狀態監控和所有的動作控制。其具體控制布局如圖3所示。

西門子S7-200PLC，CPU226型CPU性能良好，此類型CPU按照輸出類型可分為繼電器型和晶體管型。本機需要做脈沖輸出，而繼電器輸出響應速度慢，發送的脈沖不穩定，且壽命較晶體管短，因此這里選用晶體管輸出類型。另外這里需注意的是S7-200PLC最多可擴展7個模塊。

圖2 液壓原理圖

圖3 控制系統布局

ESTUN在目前國內高端智能裝備核心控制功能部件中處于領軍位置，是國內唯一同時具備數控系統、電液伺服系統和交流伺服系統三大技術平臺和完整系列產品的公司。本機主滑塊部分的控制采用的即為電液伺服系統，而死擋塊控制部分則用的是交流伺服系統。其中電液伺服系統輸出頻率范圍為0～167Hz，速度控制精度可以達到±0.5%，壓力控制精度可以達到±0.5%bar。其內置多種通訊功能，例如RS485、MODBUS協議、CAN通訊等。具有強大的過載能力，可在超負載150%的情況下工作4～5min，超負載200%的情況下工作6s。交流伺服系統，速度控制范圍在1:5000，負載變動率為滿載情況下，額定轉速時，可以達到±0.01%以下。其接收的脈沖指令可在符號+脈沖列、CCW+CW、90°相位差2相脈沖(A相+B相)之中任選一種；另外此系統也包含了過電流、過電壓、欠電壓、過負載、再生故障、超速等等一系列保護措施；其內置通訊功能除了和電液伺服系統相同部分以外，還包含了EtherCAT通訊模塊，采用CiA402協議。

1.2.2 電氣控制原理

首先介紹S7-200PLC對電液伺服驅動器的控制。CPU226擴展的4通道輸出模塊的通道1和通道2接入到電液伺服驅動器CN2的1/4和2/4輸入端子上，輸出0～10V的電壓信號，對伺服電機的轉速進行控制，從而達到泵壓力和流量的控制。同時4通道輸出模塊的通道3輸出0～10V電壓信號,輸入到比例壓力閥的放大卡上，對滑塊的壓力進行二次控制，達到對滑塊壓力的高精度控制。

其次是S7-200PLC對交流伺服驅動器的控制。CPU226本體模塊上自帶兩個PPI協議接口，其中一個接口用來與SMART觸摸屏通訊，另一個接口用來與交流伺服驅動器的通訊。下面介紹PLC如何與交流伺服控制器建立通訊。

連接上電纜后，需要在S7-200PLC的編程軟件STEP7-Micro/Win中加載庫文件，加載完成后，軟件界面的庫文件中會多出需要使用功能塊。

在主程序中添加子程序，然后在子程序中插入網絡。若此時使用的是port1口，則在網絡中添加port1的MBUS-CTRL和MBUS-MSG功能塊。MODBUS通訊程序如圖4所示。MBUS-CTRL功能塊各引腳的定義是：EN-功能塊的使能；Mode-表示PLC的port1口的功能，高電平時為Modbus通訊接口，低電平時為PPI接口；Baud-伺服控制器與PLC之間的通訊波特率（設置時注意必須與伺服控制器一致）；Parity-0表示無校驗，1表示奇校驗，2表示偶校驗（設置時與控制器一致）；Timeout-相對時間；Done-完成位；Error-錯誤代碼。MBUS-MSG功能塊各引腳定義是：EN-使能；First-工作位條件滿足時間脈沖加上升沿微分；Slave-伺服控制器的站點號；RW-高電平為只寫，低電平為只讀；Addr-需要讀取控制器內部的參數地址，換算式為40000保持寄存器加上參數地址（本機需要讀取控制器內部的電機編碼器數值，控制內部首地址為4100，而編碼器地址為H1101，換算成16進制后為13，所以讀取44113即可完成編碼器數值的讀取）；Count-通訊的數據個數；DataPtr-數據存儲棧地址；Done-完成標志；Er-ror-錯誤代碼存儲。

圖4 MODBUS通訊程序

CPU226本體自帶2組脈沖輸出，可以同時控制兩路伺服驅動器。本機用了CPU的Q0.0（pulse）和Q0.2（signal）一對控制點。脈沖控制程序如圖5所示。

圖5 脈沖控制程序

1.3 操作

綜合上述步驟，便完成PLC對整個伺服系統的控制和監控。為了使用戶更加方便地使用和操作設備，本機在觸摸屏上設置自動校準按鈕。其工作原理是：根據壓件成品的高度，直接在觸摸屏上的參數設置界面設置位置。按下自動校準按鈕，死檔塊交流伺服電機開始轉動，轉到讀取位置與設置位置相同時，電機立即停止。此時按下滑塊雙手下行按鈕，主油缸快速下行，因壓套與螺桿套之間的距離已經固定，主油缸下行到此位置時，活塞桿上的大螺母受力，主缸下行受限，從而達到快速且精準定位的功能。

2 結語

通過電氣系統中的PLC與伺服系統相互作用，以及機械結構中死擋塊的巧妙設計，實現了快速且精準的定位功能。該系統不僅功能性好，結構較為簡單，且節能降噪，對同類型高精度控制設計具有一定的參考價值。

[1]寇寶泉，程樹康，主編.交流伺服電機及其控制[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]Micro’n Powerv1.8 操作手冊.

[3]ProNet系列交流伺服用戶手冊_V2.16(通用伺服).

Design and implementation of electrical control system for a high precision extrusion machine

WU Guohua,LIU Hongmei,LI Xiaojun
（Hefei Haide CNC Hydraulic Equipment Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China）

By combination of a high precision extrusion machine in some punching line from Shanghai bearing technology research institute,the way to realize the communication and control of SIEMENS PLC and AC servo system has been simply analyzed in the text,as well as the application in the high precision locating system.The design principle and actual working performance of this kind of high precision extrusion machine have been described in detail.

Hydraulic principle;Mechanical transmission structure;Servo system;PLC;MODBUS communication

TG375

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.014

1672-0121（2017）04-0047-04

2017-04-24；

2017-06-08

吳國華（1985-），男，電氣工程師，從事機械制造電氣設計。E-mail：445479816@qq.com