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交流伺服系統(tǒng)在貨架冷彎成型線中的應用
摘 要：針對本公司貨架冷彎成型線的交流伺服控制系統(tǒng)的技術特點和產(chǎn)品工藝要求，結(jié)合三菱系列伺服驅(qū)動器及伺服驅(qū)動電機的實際應用，分析了系統(tǒng)應用其解決定長控制的設計思想和控制原理。實際應用控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累積誤差，能達到較高精度位置控制的目的和要求。關 鍵 詞：交流伺服系統(tǒng) 定長控制 位置控制
1 、引言
1.1在貨架立柱冷彎成型生產(chǎn)線中導入在線預沖孔工序和在線液壓停剪技術，既擴大了貨架立柱的截面形狀的設計范圍和制造精度，又滿足了貨架鋼結(jié)構(gòu)體系設計與裝配上的要求，極大地優(yōu)化了貨架鋼結(jié)構(gòu)組成機理，特別是當立體倉庫（AS/RS）系統(tǒng)在我國的興起和廣泛發(fā)展，對貨架立柱的孔位精度、長度控制等方面提出了更高要求。
1.2本文就進口的貨架立柱冷彎成型生產(chǎn)線利用交流伺服控制原理實現(xiàn)的在線預沖孔和在線液壓停剪控制裝置進行分析探討，力求實現(xiàn)在很多冷彎場合達到較高位置精度控制的目的和要求，與同行共勉。
2、貨架冷彎成型線的工作原理
2.1貨架冷彎成型線基本生產(chǎn)工藝及設備構(gòu)成：
2.1.1貨架組件的一般生產(chǎn)工藝為： 開卷——校平——在線伺服送料沖孔——成型軋制——矯直——定尺切斷（或伺服跟蹤切斷）——打包——后期噴涂處理等；
2.1.2相對應的設備為：開卷機——校平機——伺服送料裝置——壓力機——冷彎軋制機組（二十站左右）——矯直頭——液壓切斷裝置和液壓站——打包機或其它附屬設備+電氣控制系統(tǒng)等。
2.2貨架冷彎成型線交流伺服控制系統(tǒng)的基本原理：
如圖一所示。（系統(tǒng)組成及原理）
2.3該系統(tǒng)由五部分組成，即計算機（PC）、伺服驅(qū)動控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)（交流伺服控制器、伺服電機及相應的控制電纜）、傳感檢測及反饋、輔助主動作執(zhí)行系統(tǒng)。主控程序只有幾百K,運行在DOS操作系統(tǒng)下，主控微機通過打印端口LP1:與伺服驅(qū)動控制卡相連，并通過數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度指令，在線適應性調(diào)節(jié)或設定PID調(diào)節(jié)參數(shù)（程序設計過程中將其作開放性設計，便于調(diào)整）見后附圖，并進行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，通過相應的控制板卡輸出±10V的模擬信號并經(jīng)過交流伺服放大器放大后驅(qū)動伺服電動機，半閉環(huán)或閉環(huán)位置控制反饋系統(tǒng)由電機軸端裝有的增量式光電碼盤（或在被傳動的物體上設置測量輥和增量式光電碼盤轉(zhuǎn)換裝置）提供信號（A、B、IN脈沖）來完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋，位置反饋環(huán)中傳感元件-增量式光電編碼器將運動構(gòu)件實時的位移（或轉(zhuǎn)角）變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制站（PC機）中進行編碼器脈沖計數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，主控微機計算給定位置與實際位置（即反饋到的位置）的偏差后，根據(jù)偏差范圍采取相應的PID控制策略，將數(shù)字控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調(diào)節(jié)電機運動，完成期望值的反復多次閉環(huán)反饋定位控制，在控制原理上實現(xiàn)小誤差高精度的位置定位；然后主控程序?qū)o助主動作執(zhí)行系統(tǒng)下達運行指令，完成特定的機械抱閘動作、壓力機在線沖壓運動、液壓停剪切斷運動等。
2.4本機組的主要特點：一次性投資成本較高，最大交流伺服功率有一定的限制，但后期運行成本低，特別是貨架組件的一次成材率高，產(chǎn)品精度高，應用范圍廣且附加產(chǎn)值高。
3、自動送料機及沖孔裝置分析及工作原理
3.1貨架立柱冷彎成型生產(chǎn)線的在線預沖孔加工工序自動送料裝置由上下一對φ75的導料輥組成，主要工作動力來源于交流伺服電機，依靠料板與上下導料輥之間的摩擦力送料，貨架立柱的帶鋼分布孔在壓力機上沖壓完成，主體設計如圖二，本裝置原設計為美國寶德（BALDOR）3.7KW的伺服控制系統(tǒng)，后由于新產(chǎn)品開發(fā)，增加了工作傳動負荷，并根據(jù)圖二所示的工作原理，即動力控制部分與交流伺服控制之間的位置控制主要通過±10V的模擬信號來實現(xiàn)，不存在對交流伺服系統(tǒng)的功率限制，在原理上可以將其更換為日本三菱公司的伺服放大器型號MR-J2S-系列的5KW的配套的交流伺服控制器和交流伺服電機，并根據(jù)對應的貨架組件的生產(chǎn)精度要求及確定伺服控制精度為：±0.1,則由測量輥圓周長與測量精度范圍的比值約為：1178（未考慮旋轉(zhuǎn)編碼器的分倍頻關系），宜選用1200PPR以上的旋轉(zhuǎn)編碼器，并在后期的近四年的應用過程中能很好地實現(xiàn)位置精度控制要求。
3.2三菱MR-J2伺服系統(tǒng)具有良好的機器響應性、低速穩(wěn)定性、包含機械系統(tǒng)在內(nèi)的最佳狀態(tài)調(diào)整的特點等；速度頻率響應達到550HZ以上，非常適合用于高速定位的場合，比較適合于負載慣性矩比會增大以及韌性較差的設備（我公司為鏈傳動機組，此點要求較重要）。
3.3自動送料裝置主要由圖三所示的結(jié)構(gòu)組成，⑴光電傳感器1#主要反饋進入壓力機工作區(qū)域的鋼帶存在狀況，如：余料、缺料等；⑵伺服電機經(jīng)齒輪箱向下導料輥傳遞輸送動力，齒輪箱的傳動比i（如i=11的設計選型）和電機的轉(zhuǎn)速決定該系統(tǒng)送料定位速度；⑶旋轉(zhuǎn)編碼器測出上導料輥（被動送料及被動測量點）通過與板料間的運動傳遞的位置信號⑷機械抱閘實現(xiàn)定位后的位置固定；⑸光電傳感器2#實現(xiàn)壓力機的工作控制要求的位置信號的傳遞；⑹上下模實現(xiàn)在線孔位的沖壓；要求壓力機沖壓噸位配套、機床或模具精度的配套等。
3.4具體的每模送料步距量值的大小由PC設置相應的記數(shù)脈沖數(shù)或長度轉(zhuǎn)化值比較決定，并由與上導料輥相聯(lián)的角編碼器被動測量反饋相協(xié)調(diào)（由程序設定），從而實現(xiàn)沖壓板料的可調(diào)整、高精度、無積累誤差的步距送料沖壓，累積誤差由程序中設置的誤差補償算法或人工在線修正等手段處理，確保貨架立柱的高品質(zhì)孔位距離，實踐證明很實用。
3.5設備系統(tǒng)中的自動送料裝置克服了貨架立柱預開平鋼帶人工送料的缺點，具有操作簡單、工作可靠、控制精度高等特點，可大大提高勞動生產(chǎn)率，配合高速高精度壓力機可實現(xiàn)70次/分的工作頻率，工作壓力達到2500KN以上，其可組成獨立的運行系統(tǒng)。
4、貨架切斷裝置分析及工作原理
4.1基本控制原理相同并共用統(tǒng)一系統(tǒng)，其特點為：通過反射式光電開關測量貨架立柱上的孔位數(shù)量信號，主要為判斷有無孔的光電反射開關量而形成特定孔的計數(shù)信號，當達到一定的孔數(shù)時，內(nèi)部主控程序?qū)?shù)孔測量模式轉(zhuǎn)化為長度測量模式，同理完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋和定位控制，主控微機計算給定位置與實際位置（即反饋到的位置）的偏差后，適時在線調(diào)節(jié)交流伺服電機運動，完成期望值的定位后，主運動停止并主導液壓切斷裝置控制電磁閥產(chǎn)生切斷工作次序；（注：冷彎成型機組的主動力仍然是由該交流伺服電機的運動提供的，故應選擇大功率的交流伺服控制系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)，本設備選用的系統(tǒng)功率達到37KW以上）
4.2液壓停剪的控制模式與飛剪控制模式的主要區(qū)別：①液壓停剪的控制精度高，最高控制精度為：±0.1mm左右且無累積誤差，主要反映在被動增量式光電碼盤的精度和控制時序上的要求，設備一次性投資較高；但一次成品率高，材料利用率高
,飛剪控制需要增加隨動和復位裝置，控制系統(tǒng)較簡單；②控制原理上，液壓停剪為絕對控制精度，不存在速差誤差等，飛剪為相對控制精度，為剪切位與工件運動之間的相對誤差，由于速度運行規(guī)律上的不確定或機組阻力、工作負荷上的波動等會造成無規(guī)律誤差的存在；③飛剪控制的主線運動速度比較恒定，有利于配套的焊接等設備運行參數(shù)的設定和調(diào)整，而液壓停剪的控制模式主運動曲線較復雜，存在高低速的變換和運動停止狀態(tài)，有時會存在較長的長度校準時間；④生產(chǎn)效率差異大，飛剪的生產(chǎn)效率高，易進行生產(chǎn)控制；⑤設備維護和操作控制的要求差異較大。⑥液壓停剪模式更有利于解決冷彎型材的切口變形與反彈等切口缺陷，綜上所述需要針對自身的冷彎產(chǎn)品特點制定和選擇合理的設備控制運行模式，以期獲得最大收益。
5 控制系統(tǒng)設計的幾個主要問題
5.1輸人信號的控制精度：測量輥圓周長與測量精度范圍的比值最終決定產(chǎn)品的生產(chǎn)控制精度，應盡量選擇比值大的產(chǎn)品，并選擇合適的測量輥材料、測量輥與冷彎件的接觸阻尼和彈性系數(shù)以增加摩擦系數(shù)和接觸壓力防止測量過程滑料誤差的產(chǎn)生。
5.2輸出信號的控制精度：位置環(huán)PID控制算法上的不同決定了PID控制得到的控制精度和結(jié)果，如：求解方法有階躍反應法，并根據(jù)控制特性采用三種動作特性：1）、僅有比例控制；2）、PI控制；3）、PID控制；并根據(jù)速度形、測定值微分形運算式進行PID運算，執(zhí)行相應的精度要求下的正、反動作運算和控制。
5.3PID系統(tǒng)參數(shù)的整定：主控微機向控制卡發(fā)送PID參數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過程需用在線參數(shù)整定實現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務是確定K（P）、A（I）、B（D）及采樣周期Timer,比例系數(shù)K（P）增大，使伺服驅(qū)動系統(tǒng)的動作靈敏、響應加快，而過大會引起振蕩，調(diào)節(jié)時間加長；積分系數(shù)A（I）增大，能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性下降；微分控制B（D）可以改善動態(tài)特性，使超調(diào)量減少，調(diào)整時間Timer縮短。具體整定過程需要根據(jù)數(shù)字位置環(huán)的PID器改進控制算法以及參數(shù)整定方法來制定現(xiàn)場的適應參數(shù)和現(xiàn)場的實際調(diào)整設定，并根據(jù)不同的產(chǎn)品或負載情況分別整定，否則易形成位置控制過程的振蕩現(xiàn)象。如圖設計程序中設置的開放式調(diào)整。
5.4系統(tǒng)的機械精度控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，并結(jié)合高性能的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求，也能提高位置定位的效率和精度。
5.5主程序是基于PC開發(fā)平臺的交流伺服控制系統(tǒng)，主要功能是：人機對話調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備參數(shù)設定和PID參數(shù)整定等；實現(xiàn)PC及各模塊間的數(shù)據(jù)傳遞和處理，位置環(huán)PID控制算法及控制伺服電動機運動，實現(xiàn)各相關設備動作等。其它諸如：沖壓步距的設定及調(diào)整、一定長度值下每個輸出脈沖數(shù)的對應調(diào)整、壓力機控制精度、伺服送料精度和伺服送料長度值的設定與調(diào)整等均為開放式設計，
5.6主程序設計中考慮了部分設備的故障預警程序段，極大地提高了設備的可操作性和對產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的控制，也在一定程度上降低了設備的故障檢查時間。
6結(jié)論
6.1實際應用表明：選擇合理的交流伺服系統(tǒng)能夠滿足控制系統(tǒng)響應速度快、速度精度高、魯棒性強的要求，實際應用位置控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累積誤差。該控制系統(tǒng)可應用于高精度開口系列冷彎型鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)中，特別是類似貨架立柱的產(chǎn)品，即對冷彎型鋼立、側(cè)面具有孔位高精度要求的在線預沖孔的冷彎成型生產(chǎn)線上。
6.2 交流伺服系統(tǒng)應用于貨架冷彎成型生產(chǎn)線上確實能達到較高的位置控制精度；且在線預沖孔模式與液壓停剪模式均可獨立運用，如貨架橫梁生產(chǎn)過程就無在線預沖孔模式等。
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