主動調平多工位伺服油壓機控制系統開發

喬禮惠

（江蘇揚力液壓裝備有限公司，江蘇 揚州 225127）

隨著汽車工業及家電行業的快速發展，為了降低成本，不僅需要對零部件的成形質量提出更高要求，對零部件的成形效率也提出了更高要求。傳統的生產方式是零部件各道加工工序在不同的機床上實現，通過頻繁地長距離的移動實現工件的轉移，工作效率較低。針對這種情況，為了提高生產效率，大幅壓縮生產輔助時間，出現了將幾道工序（如成形、沖裁落料、翻邊、沖孔等）復合在一臺機床上來完成的工藝。多工位油壓機是一種對薄板進行沖壓及成形的液壓設備，具有結構緊湊、自動化程度高、生產效率高、操作安全等優點，在發達國家應用很廣泛。此類油壓機具有臺面寬大、可抗偏載、運行平穩、壓制成形精度高、工作壓力與成形零件相適應等特點。本文著重介紹我公司為廣東客戶定制的框架式多工位伺服油壓機，其機械結構采用鋼板焊接門式整體結構，導向采用四角八面導軌結構，機床工作臺有效尺寸為左右2200mm×前后1200mm，上橫梁對稱布置有兩只主油缸，通過對兩只主油缸的主動調平控制結合四角八面導軌的導向有效滿足抗偏載要求。

1 系統構成

本機床控制系統主要由翠歐MC405 運動控制器、歐姆龍CP1H-XA40DR 系列PLC、南京埃斯頓PRONET 系列伺服泵控制系統、泰豐液壓插裝閥系統、意大利GEFRAN 公司KS 系列壓力傳感器和WPAS 系列磁致伸縮尺等組成。控制系統框圖如圖1所示。歐姆龍PLC 主要為控制邏輯工藝部分，翠歐運動控制器主要做位置運動、壓力控制以及同步控制，接收左右側位移傳感器信號以及壓力信號進行伺服泵轉速、壓力控制，其中位移和壓力實現閉環控制。翠歐運動控制器與歐姆龍PLC 之間通過MODBUS RTU 通訊方式進行數據交換，運動控制器與觸摸屏間通過TCP 網線進行通訊，此外歐姆龍PLC 與觸摸屏間通過RS485 通訊方式進行通訊。

圖1 機床控制系統框圖

1.1 翠歐MC405 運動控制器

MC405 是一款高規格的運動控制器，具有LED背光顯示屏，可輕松獲取控制器的狀態。另外底座采用單體金屬外殼，增強了系統的接地性能，提高了系統在工業環境中的抗干擾能力。同時采用高性能的ARM11 VFP 處理器，有4 路電壓輸出和5 個靈活的軸接口。運動控制器外型如圖2 所示。MC405 的編碼器差分輸入最大頻率6MHz，脈沖差分輸出最大頻率2MHz，軸接口可以通過軟件配置為反饋裝置或者脈沖輸出，而任意帶一個電壓輸出的反饋軸都可以用于構成閉環控制。基于功能強大的Motion Perfect V4應用開發軟件，用戶程序可用具有多任務特點的TrioBASIC 語言編寫，使復雜的運動控制變得簡單化，同時也可采用支持全功能的PLC 編程系統的工業標準IEC611-3 語言編程。控制器具有實軸和虛擬軸兩種不同的軸配置，兩種軸配置模式都支持16 個軟件軸，任何沒有被分配到內置硬件的軸（即實軸）都可用作虛擬軸使用，每個軸都可通過編程實現各種運動，如進行直線、圓弧、螺旋線和空間圓弧插補、電子凸輪、主從運動及電子齒輪等運動。

圖2 MC405 控制器外型圖

1.2 SSI 接口直線位移傳感器

運動控制器的軸接口支持增量型傳感器輸入，或者是3 種常用絕對值傳感器SSI、多摩川、Endat 中的一種。在本控制系統中，采用絕對值型SSI 接口的直線位移傳感器進行滑塊兩側位置的檢測。位移傳感器信號處理程序段如圖3 所示。絕對值傳感器的接口主要分為兩種類型：并行接口和SSI（同步串行接口）。在并行式接口的絕對式傳感器中，數據是被作為字節通過大量的數據線一次傳輸的，其優勢在于傳輸速度非常快，但需要大量的數據線，同時如果不使用差分信號，將使所傳輸的數據因電子噪聲而受損。而對于SSI 接口絕對式傳感器，其位置是每位數一次次地從傳感器中讀出的，它擁有兩對傳輸線，一對進行數據傳輸，另一對用于同步時鐘信號。從傳輸線的數量來說，SSI 接口絕對式傳感器的效率高，同時由于使用差分信號，使得數據不會因電子噪聲而受損，其缺點在于數據的讀出需要較長時間。再有即使位移傳感器同運動控制器之間的電纜長度較長時，信號傳輸的可靠性仍能夠由抗噪聲的RS485/422差分驅動器和接收器保證，最大限度地抑制噪聲干擾。

圖3 位移傳感器信號處理程序段

2 數據交換

翠歐MC405 運動控制器本體的I/O 點數有限，如全部采用I/O 進行狀態交換需增加擴展模塊。考慮成本因素，選擇運動控制器結合歐姆龍PLC 的控制方式，同時并沒有采用所有交換數據走通訊傳輸的方式，因為數據量一多會導致通訊速率降低，甚至系統響應延遲，所以對交換數據中部分響應要求較高的數據采用I/O 點及時交換，而一般的狀態數據則通過通訊傳輸方式進行交換。運動控制器與PLC 通訊數據交換如表1 所示。

3 調平同步控制

由于油壓機臺面較寬，在實現多工位壓制時，存在滑塊受力點作用力不勻稱現象，譬如滑塊左側已接觸到工件開始起壓而滑塊右側還處于懸空狀態，此時會導致左右方向的偏載，如不加以解決，將對產品的成形精度造成很大影響，甚至會出現批量性有瑕疵的產品。

為了避免這一現象的發生，我們研究通過對滑塊的兩只油缸采取獨立分開控制方式，通過閉環控制系統分別控制兩只活塞缸的位置和壓力，從而確保滑塊在單邊受力的情況下能夠保證滑塊運行的平行度在設定的范圍內。而通常實現這一控制的方法常常是將其中一只油缸設置為主動缸，把另一只油缸作為隨動缸，隨動缸的位置和壓力是根據主動缸的位置和壓力以及存在的偏差信號來調整的。在調試之初我們也采用了此種方案，但由于采用的是伺服泵控，存在泵流量大、脈動多、易超調等問題，經初調試驗后便放棄了此種控制方法，轉而采用帶液壓運動算法的虛擬軸控制模式。該模式具有力和位移雙閉環控制，實際軸與虛擬軸進行位置耦合，主動軸同虛擬軸則是速度耦合的關系，控制器只需對主動軸控制即可，應用了運動軌跡生成控制方法，特別是在這種要求兩軸緊密同步及精確的軌跡跟蹤控制中采用了前饋控制，通常PID 增益是通過與反饋的誤差相乘得到控制信號，而前饋增益的不同是在于它是通過預測來獲得的，使用前饋預測的輸出信號與期望的輸出信號的誤差要小得多，因此閉環控制系統的PID 環節只需校正此小誤差，這種控制比完全采用PID 校正要好得多。

4 液壓控制系統

液壓控制系統主要由伺服泵組、插裝閥系統及活塞油缸組成。伺服泵作為系統的動力源，為執行元件提供一定流量、壓力的壓力油；插裝閥系統主要用于控制液壓系統中油液的方向、壓力和流量，從而控制整個液壓系統的全部功能；油缸作為執行元件，其將液壓能轉變成直線往復運動的機械運動。伺服泵的運轉受伺服驅動器控制，而伺服驅動器通過接收來至運動控制器的模擬量信號，經驅動器內部處理后驅動油泵工作并通過調節電機轉速來控制流量和建立壓力。液壓系統原理圖如圖4 所示。此臺機床的液壓控制系統采用獨立的兩套控制系統并行控制，每套控制系統有單獨的泵組、插裝閥系統和油缸，通過對伺服泵流量、壓力的雙閉環控制實現同步運行，并具有抗偏載保護和調整功能，滿足客戶±0.15mm的調平精度要求。

圖4 液壓系統原理圖

5 結束語

公司研制的此臺主動調平伺服油壓機在常規整體框架結構件基礎上，對電氣控制系統和液壓控制系統同時進行了提升創新。電控系統通過采用翠歐MS405 運動控制器結合歐姆龍PLC 通過數據通信的方式對液壓控制系統進行控制，控制算法中采用虛擬軸、前饋增益等方式，滿足客戶提出的±0.15mm調平精度，同時機床的整體運行效率也有了較大提升；液壓控制系統則采用獨立控制方式，即每只油缸由單獨的伺服泵組及插裝閥系統進行控制。經在客戶現場調試并已正常帶模生產，整機運行比較平穩，特別是在單側受力的情況下也能實現同步平穩下行，整套控制系統中采用了高頻響的伺服泵組以及檢測精度高、抗干擾能力強的SSI 接口位移傳感器，保證了整機具有良好的動態品質和高可靠性。