基于EtherCAT 總線的純電伺服折彎機系統設計

林海龍，浦進捷，雷斌華，李振光

（1.寧波博信機械制造有限公司，浙江 寧波 315800；2.瑞鐵機床（蘇州）股份有限公司，江蘇 太倉 215000）

0 引言

隨著科技的快速發展以及人工成本的提高，市場對高精度、高效率、操作簡便的設備更加青睞。在鈑金加工設備中，純電伺服數控折彎機順應市場需求，近年來得到快速發展。

全電伺服折彎機因其具備節能降耗、綠色環保、效率高、精度好等優勢，在國家“雙碳”目標大背景下，成為眾多設備制造商研發的重要項目。瑞鐵機床作為國內領先的全域鈑金加工設備制造商，推出了一種多驅組合式傳動結構的純電伺服數控折彎機（已獲國家發明專利，專利號：ZL202011465863.8）。該項技術大幅提升了純電折彎機有效載荷噸位，進一步提高了純電技術在鈑金折彎行業的應用范圍；同時多驅組合式傳動結構要求設備控制系統對其運動線路具備完善的保護措施，對于電氣系統中通訊控制、數據傳輸、監控等方面提出了相對更高的要求；傳統折彎機運動軸由Y1、Y2 主軸兩個油缸帶動滑板做上下往復運動并持續提供較高負載折彎力，X、R 軸為輔助軸帶動后擋料的前后上下運動負載較小。本文中涉及的多驅組合式傳動結構將Y 軸的數量從傳統的2 個增加到4個，變為Y1-1、Y1-2、Y2-1、Y2-2，分別置于折彎機滑塊對應軸位的兩側，如何保證4 個軸位的伺服電機控制的同步性成為研究的難點。

該設備采用匯川70X 系列中型PLC 為控制系統核心，此系列PLC 配備嵌入式一體化觸摸屏可實現人機交互，有效提高了電氣硬件空間的利用；匯川InoProShop 軟件開發平臺采用了CoDeSys 為內核，支持IEC 61131-3 標準語言編程，具有靈活的功能塊庫、離線仿真功能、智能調試查錯功能及采樣跟蹤功能，是較理想的數控系統開發平臺。

控制系統設計了折彎機快下、工進、回程運動轉換功能,后擋料運動模塊、扭矩偏差保護、過載保護、運動曲線采集等功能，同時采用InoTouchPad 設計了可視化界面，便于用戶的操作使用以及監控設備的狀態等。設備經過折彎負載測試、重復定位精度測試等，折彎負載力可達設計目標，折彎快下、工進、回程，速度勻稱，折彎件角度精準穩定，能夠滿足折彎機的各項工藝要求，并已在市場中得到驗證。

1 控制系統結構方案

多驅組合式傳動結構的純電伺服折彎機采用一主多從的控制模式，主站基于Intel Celeron 3855U 處理器和Linux 操作系統的70X 顯控一體機，從站為Y 軸以及后擋料軸的交流伺服驅動器，每一組伺服驅動器為一個從站，從站和從站之間使用EtherCAT進行通訊，EtherCAT 對于數據幀處理的實時性很高，數據刷新周期小于100μs，滿足對實時性高要求的場合，適合對多個伺服軸執行協同運動等場景的應用。如圖1 所示。

圖1 EtherCat 總線拓撲

PLC 作為主站會在每個通訊周期發送報文幀至各個從站，主要為目標位置、速度、控制字等等，伺服驅動和伺服交流電機上傳其實時位置、實時速度等到PLC 來實現整體的折彎動作控制，同時通過外部光柵尺反饋折彎機滑塊的實時位置，與主軸伺服電機內部編碼器形成全閉環。

本文中設計系統控制的核心就是電機運動控制PID 算法。PID（比例—積分—微分）是一種通過控制系統的偏差來調整輸入信號的線性反饋控制算法。通俗地說，它可以給出使被控對象（電機）快速準確到達目標的指導方案。如圖2 所示。

圖2 常規的模擬PID 控制系統原理框圖

2 折彎機運動控制PID 分析理論

該系統由模擬PID 控制器和被控對象組成。

若定義u（t）為控制輸出，PID 算法可用下式表示：

式中：Kc為比例增益；Ti為積分時間；Td為微分時間；e（t）為偏差；e（t）=r（t）-c（t）；r（t）為控制系統設定；c（t）為控制系統的閉環輸出。

2.1 比例控制作用

比例（P）控制的輸出與輸入的偏差可呈表達式up（t）=Kce（t），Kc 是比例增益，偏差越大，比例控制作用的輸出up（t）也越大。比例控制作用能夠減小偏差。

2.2 積分控制作用

積分控制作用的輸出與偏差隨時間的累積量成正比。

只要存在偏差，積分控制作用輸出就會不斷累積，使偏差減小到等于零，或者使控制器輸出達到輸出上限或下限。積分控制作用用于消除余差。積分控制輸出等于比例控制輸出時所需的時間是積分時間Ti。積分時間Ti 越小，比例積分控制輸出曲線的斜率越大，控制作用越強。

2.3 微分控制作用

引入微分控制的目的是改善高階系統的控制品質。微分控制作用是按偏差變化率的控制。因此，引入微分控制作用可改善系統的穩定性。而相同穩定性需要下引入微分，可提高比例增益，減小最大偏差或超調量，縮短過渡過程的回復時間，改善系統控制品質。

為了達到多驅組合式傳動結構的精準控制,引入PID 算法，對折彎機運動過程的三個基本動作分別設置了速度前饋、速度增益，同步積分、位置增益、同步增益如圖3 所示，通過對這些參數的調整來使整個折彎動作流暢、精準運行。

圖3 動作參數調整

3 折彎機動作流程設計

控制系統主流程圖如圖4 所示，系統上電后會檢查與各個從站的通訊狀態，如有異常會提示報警，手動電機使能—松開主軸抱閘，每次系統重新上電都會需要折彎機滑塊以及后擋料重新尋找參考點，滑塊尋參完成，通過輸入的折彎工藝參數系統會自動計算折彎位置、噸位、保壓時間等數據；啟動運行折彎程序，輔助軸開始運行至目標位置，系統進入準備狀態，收到下行命令后開始折彎動作。

圖4 控制系統主流程圖

4 系統保護功能

針對滾珠絲桿驅動的結構的純電折彎機，系統中設置有相應的保護措施，來防止發生折彎機兩側滑板距離偏差過大或者電機扭矩過大,對上下模具甚至是絲桿造成不可逆的損傷，保護方向主要分為兩個方面。

4.1 位置偏差過大

本設備配備了GIVI 光柵尺置于滑塊兩側，通過光柵尺移動來檢測折彎機滑塊的實時位置，同時該控制系統選用的ISMG 系列交流伺服電機內部配置光編23 位編碼器，在滑塊往復的運動的過程中，系統會對光柵尺和編碼器反饋的數據進行對比，一旦偏差值超過設定的范圍值時，系統將會自動停止動作。

4.2 僵持報警

對于多驅組合式傳動結構的純電伺服折彎機，在折彎力負載超過電機所能給定的極限時，驅動會對電機進行緊急制動，在實際應用中電機在對折彎機滑塊兩側進行下壓輸出時受到的負載力不可能是完全均勻的，一側的電機一定會首先超過極限而后進行制動，隨后另一側也進行制動，雖然整個過程非常短暫，但是滑塊會因為折彎件的下壓力瞬間釋放導致滑板兩側位置產生偏差，影響電機對絲桿出力的扭矩，如下ST 文本所示，在程序中通過限制驅動器在折彎機工作過程中反饋給系統的扭矩值提前限制扭矩。

扭矩限制是通過PDO 給驅動的，直接賦值PDO給的這兩個對象字典如圖5 所示。

圖5 PDO 賦值

5 人機交互界面設計

人機界面統稱為HMI，是用戶和系統之間交流的媒介，用于顯示當前系統運行的狀態和向系統發送指令。InoTouchPad 采用QT 的編程內核，基本的控件元素包括指示燈、按鈕、文字和框架等；進入視圖編輯頁面在通訊一欄中找到所有變量導入系統中所關聯的變量，并對視圖中的選項、按鍵等賦予新的變量如圖6 所示，具體的執行邏輯通過“按鍵”和控件屬性選擇“編輯位”InvertBitInTag 邏輯指令來舉例，對變量的值進行1 和0 之間的切換，如：1 為開啟，0為關閉，通過選擇事件中的控件動作，如“按下”、“單擊”、“釋放”來實現，最后通過“編譯”確認。

圖6 變量賦值

本次設計折彎機可視化界面主要分為主界面、參數設置界面兩種。在主界面中可以通過軟面板按鈕對電機軸進行使能以及實現回零、開啟照明燈等功能，本系統運用了先進的折彎算法，通過輸入折彎件的板寬、板厚、折彎機角度等參數，系統自動計算出折彎下死點的位置值和折彎力所需大小等等；調試界面主要的功能是對折彎機滑塊的運行動作進行調整、診斷、以及監控運動曲線等功能；手動界面可以從主界面選擇進入對折彎機的主軸以及各后擋料軸進行單獨的控制，基本設置界面可以進行模具編輯、材料編輯，以及機床屬性、語言、系統升級等操作。

6 結論

本文設計的多驅組合式傳動結構的純電伺服折彎機，基于匯川InoProShop 作為軟件開發平臺，采用匯川70X 系列工控機作為硬件平臺，采用InoTouch Editor 為基礎設計了UI 可視化界面，運用了Ether-CAT 總線的一主多從控制模式，在PID 算法的基礎上建立了運動功能塊，同時設計了電機的僵持保護和偏差保護等系統保護措施，設備經過折彎負載測試，重復定位精度測試，測試下折彎負載力可達到設計要求，折彎動作平穩，折彎工件角度精準穩定，能夠滿足折彎機的工藝要求，并已在市場中得到驗證。

圖7 可視化界面構圖