基于西門子840Dsl 系統的四軸同步運動控制實現

秦家正，萬靜嫻，徐學鵬，胡亦恒

（1.江蘇亞威機床股份有限公司，江蘇 揚州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點實驗室，江蘇 揚州 225200）

伺服同步控制技術是目前折邊機、折彎機滑塊控制領域的一個發展方向。使用伺服電機通過減速機直接帶動滑塊本體，相比較傳統液壓控制，具備更高的響應速度和控制精度，降低傳統液壓系統的復雜度、能耗和噪聲等優點。另一方面，由于常規的電子齒輪運動控制控制精度較低且實現難度較大，因此本文在折邊機的專用系統上，對四軸龍門控制技術進行了深入研究和開發，以能夠提供成熟的應用解決方案。

本文基于西門子840Dsl 系統的應用開發，針對四軸龍門的運動控制實現，進行了一些探索和研究。

1 設計原理與需求分析

全電伺服折邊機產品的滑塊部件，其功能和控制需求與折彎機滑塊具有較高的相似性。整體機械結構上從左到右依次為Y1、Y2、Y3、Y4 四個伺服電機通過減速機與4 個曲柄連桿相連接帶動滑塊進行運動。其結構原理如圖1 所示。

圖1 滑塊機構示意圖

西門子840D 中龍門軸（gantry axises）與同步軸（coupled axises）功能差別在于：前者為軸組，作為某一個坐標軸同步運行使用，即在一個軸組內的所有軸均為位置環控制，運動過程中所有軸坐標均保持一致；而后者為主從軸，僅會保持相對運動的距離一致。并且在實際應用中，電子齒輪的實現方案缺少位置糾正功能，在斷使能后軸位置會出現偏差，此時電子齒輪無法對位置進行同步糾正。

同時在實際應用中發現同步軸的回參、急停以及異常恢復等均需手動PLC 編程進行處理，可靠性不高。考慮到操作以及編程的實現難易程度最終選用龍門控制方案實現滑塊四軸同步控制。

2 方案設計與實現

2.1 運動控制需求分析

根據滑塊定位和壓緊力控制的工況。控制方案應能夠解決以下幾點主要控制需求：

（1）實現滑塊機械結構的四軸聯動；

（2）需要實現四軸位置以及速度同步控制；

（3）需要考慮機械特性等因素帶來的控制指令死區問題。

2.2 方案設計思路

西門子系統中，使用“龍門軸”功能，最大可以同時進行三對進給軸實現無機械偏差的位移。本方案的思路是通過將Y1 作為主軸，Y2、Y3、Y4 作為從軸，實現三對進給軸的同步控制。西門子840Dsl 系統龍門配置參數介紹如表1 所示。

表1 龍門軸參數介紹

實際各軸參數配置如表2 所示。

表2 軸參數配置

2.3 同步控制的實現方案

由于折邊機滑塊的機械結構特性，要想實現四軸曲柄連桿的同步控制，在電氣調試之前需要對滑塊進行機械調平。

調試方案如下。

（1）滑塊安裝之前，需要對曲柄連桿的相位角進行校準，曲柄連桿結構原理如圖2 所示。定義相位角為α，令

圖2 曲柄連桿示意圖

則

整理可得滑塊位移S 與相位角α 關系表達式為

（2）位置測量系統采用的是絕對值編碼器，編碼器標定完成后無需額外回參操作。這里使用電子傾斜儀對四軸曲柄連桿相位角α 進行角度位置標定，得到角度值后對編碼器進行設置。

（3）相位角標定完成后即可將曲柄連桿與滑塊進行連接安裝，如圖3 所示。

圖3 曲柄連桿連接滑塊

（4）安裝完成后向下運動滑塊，并在壓緊位置查看扭矩。以塞尺進行檢測，確保裝配間隙，如圖4 所示。

圖4 安裝間隙檢測

（5）檢測完成即可進行滑塊全行程運行測試，并進行扭矩監控，確保運行過程中4 軸扭矩不超過8N·m。

（6）啟用螺距誤差補償，補償點個數設為250，設置完成將滑塊在開口5mm～208mm 的位置進行往返運動，確保過程四軸扭矩一致，若扭矩差值無誤，則調試準備完成。

3 測試和驗證

樣機在快下、快上兩種模式下進行實際定位運動，測試程序如下。圖5～圖8 分別為運動過程的實際從軸與主軸運動過程位置與速度誤差對比采樣曲線，具體數值見表3。

圖5 快上運動位置誤差采樣曲線

圖6 快下運動位置誤差采樣曲線

表3 定位運動測試數據

圖7 快上運動速度誤差采樣曲線

圖8 快下運動速度誤差采樣曲線

4 結論

（1）基于西門子840Dsl 通用型數控系統，通過多軸龍門的控制方案，能夠實現對四軸曲柄連桿這一類特殊伺服滑塊控制系統的位置、速度同步控制。

（2）本文提出的這種方案，優點在于：在進行多軸同步控制的場合或是機床產品上，能夠使通用型數控系統，實現多軸的位置以及速度高精度同步控制需求。

（3）這種方案在數控板料折邊機產品中已經成功實現了應用，對于工況以及控制需求接近的應用場合，具有參考意義，并且通過移植和改進調整，具有一定的實用價值。