本文擬就伺服系統在貨架冷彎機組中的具體應用及系統調試特點(diǎn)，與PLC控制系統的軟硬件配置接口及控制方案的實(shí)現等進(jìn)行探討分析。 伺服運動(dòng)技術(shù)及其在冷彎成型機設備中的應用

前言

上世紀六十年代以來(lái)，各國相繼設計和發(fā)展了自動(dòng)化程度很高的物流存儲系統--貨架，且普遍采用多層鋼貨架結構，其承重結構組件也多采用冷彎薄壁多孔型鋼；由于組合式貨架鋼結構體系設計與裝配上的要求，需要在特定冷彎型鋼的立面、側面沖壓出一系列的具有一定分布規律和精度要求的孔或不規則的連續裝配孔洞，以便用螺栓或其他的機械扣接等方式裝配成結構件，構成特有的冷彎薄壁多孔、截面復雜的貨架鋼結構體系特征；使用先進(jìn)的在線(xiàn)預沖孔貨架冷彎成型技術(shù)及設備生產(chǎn)的貨架組件可有效降低材料消耗，確保冷彎成型截面的冷彎性能、孔位精度和表面質(zhì)量，提高貨架鋼結構裝配時(shí)的工作效率，極大地提高貨架鋼結構的穩定性和可靠性，伺服系統為在線(xiàn)預沖孔貨架冷彎成型技術(shù)及設備的重要組成部分。

?貨架冷彎機組系統功能介紹

1 系統配置：

貨架冷彎機組系統由開(kāi)卷機、校平機、切頭焊接機組、伺服送料機組、在線(xiàn)沖孔壓力機、冷彎機組、定尺飛剪、出料架等基本結構組成，(如圖1所示)。也形成了貨架冷彎組件特有的冷彎成型工藝特點(diǎn)。根據從生產(chǎn)現場(chǎng)采集到的數據分析，實(shí)際孔位控制精度σ基本穩定在±0.15mm以?xún)?，且孔位誤差符合正態(tài)分布規律，電氣控制精度確保在一個(gè)旋轉編碼脈沖上漂移，從根本上也保證了總長(cháng)度上的累積誤差最小，基本穩定在6σ以?xún)?。由此也對貨架組件的冷彎制造工藝提出了更高的要求，并形成了貨架組件特定的冷彎生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和設備。  

2 發(fā)展方向：

伺服系統一般有兩個(gè)發(fā)展方向。一個(gè)是滿(mǎn)足一般工業(yè)應用要求，在對性能指標要求不高的應用場(chǎng)合，追求低成本、少維護、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的驅動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等。另一個(gè)就是代表著(zhù)伺服系統發(fā)展水平的主導產(chǎn)品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數字化、智能型、網(wǎng)絡(luò )化的驅動(dòng)控制，以滿(mǎn)足用戶(hù)較高的應用要求。

伺服技術(shù)在冷彎成型設備中的應用涉及到這兩類(lèi)發(fā)展方向，上位機的選擇涉及CNC系統或可編程控制器（PLC），并通過(guò)伺服系統配置的標準串行通信接口（如RS-232C、RS-422接口、專(zhuān)用多芯線(xiàn)纜接口等）和專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口進(jìn)行系統控制和數據傳輸與處理，系統實(shí)現如下功能：運用伺服電機、伺服控制器構成的在線(xiàn)伺服裝置實(shí)現在線(xiàn)沖孔準確定位控制組塊、運用變頻電機、變頻器等構成的系統主體傳動(dòng)系統實(shí)現產(chǎn)品在線(xiàn)長(cháng)度液壓切斷定位控制，貨架冷彎成型設備的系統運行參數通過(guò)人機對話(huà)的方式來(lái)設置，伺服系統參數的在線(xiàn)調試設定及其自整定功能、系統故障自診斷與分析功能等需要結合機組的生產(chǎn)工藝性及其現場(chǎng)采集的數據及其處理結果并結合選用的上位控制機系統和軟件配置進(jìn)行設定和調試。

3 控制算法：

冷彎成型設備采用從主傳動(dòng)電機軸端的位置旋轉編碼器采集位置和速度信號，在冷彎型材某個(gè)平面接觸旋轉編碼器采樣信號，構成系統主傳動(dòng)交流變頻電機的運動(dòng)控制內、外部閉環(huán)速度位置調節系統，內部速度控制閉環(huán)采用速度實(shí)時(shí)檢測控制算法。這樣不僅使電機的低速性能得到進(jìn)一步提高，速度波動(dòng)和轉矩波動(dòng)降到低，還確保了冷彎成型過(guò)程的運行穩定和速度控制，外部位置控制閉環(huán)采用PID運動(dòng)控制算法，確保冷彎成型過(guò)程的位置定位控制精度和位置定位效率。

比如，某公司的貨架冷彎成型機組的主傳動(dòng)電機功率達到37KW，基本控制定位精度在±0.5mm左右，高控制精度在±0.1mm左右，實(shí)際位置控制時(shí)間小于500ms；在線(xiàn)伺服沖孔裝置通過(guò)接口與外部被動(dòng)運動(dòng)端測量的旋轉編碼器構成高精度的全閉環(huán)位置定位調節系統，能使機械加工誤差、齒輪間隙、結構受力彈性變形等誤差所造成的影響降低到最小。

目前應用在貨架冷彎成型設備中的伺服控制器都采用了多種新算法。目前比較常用的算法主要有PID/IPD（比例微分積分）控制切換、前饋控制、速度實(shí)時(shí)監控、共振抑制控制、可變增益控制、振動(dòng)抑制控制、模型規范適應控制、反復控制、預測控制、模型跟蹤控制、在線(xiàn)自動(dòng)修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等；通過(guò)采用這些功能算法，可以使伺服控制器的響應速度、穩定性、準確性和可操作性都達到了很高的水平，實(shí)現了真正意義上的全數字控制。

?貨架冷彎成型機組的系統

1 基本組成：

該系統由五部分組成，即計算機（PC）或PLC構成的上位控制系統、伺服驅動(dòng)控制卡、交流伺服調速系統（交流伺服控制器、伺服電機、相應的控制電纜等）、傳感檢測反饋系統及相應輔助執行系統。

2 工作原理：

上位主控系統與伺服驅動(dòng)控制卡相連，可以通過(guò)數據線(xiàn)發(fā)送位置或速度調節指令，設定PID調節參數（程序設計過(guò)程中將其作開(kāi)放性設計，便于在線(xiàn)作適應性調整），并進(jìn)行數模（D/A）轉換，通過(guò)相應的控制板卡輸出±10V的模擬信號并經(jīng)過(guò)交流伺服控制器轉換后驅動(dòng)伺服電動(dòng)機，在電機軸端裝有增量式旋轉編碼器或在被傳動(dòng)的受控物體上設置測量輥和增量式旋轉編碼器轉換裝置，并通過(guò)旋轉編碼器提供反饋信號（A、B、IN脈沖）來(lái)完成伺服系統的位置半閉環(huán)或封閉環(huán)位置反饋控制系統。位置反饋環(huán)中的傳感元件-增量式光電編碼器將運動(dòng)構件實(shí)時(shí)的位移（或轉角）變化量以A、B相差分脈沖形式長(cháng)線(xiàn)傳輸到現場(chǎng)控制站（PC機或PLC）中進(jìn)行編碼器脈沖計數，以獲得數字化位置、速度等信息，主控上位機計算出給定位置與實(shí)際位置（即反饋到的位置）的偏差并根據偏差范圍采取相應的PID控制策略，將數字控制作用經(jīng)數模轉換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調節電機的運動(dòng)（正、反轉和定位停止等），完成期望值的重復多次定位，在控制原理上實(shí)現小誤差高精度的快速位置定位；輔助執行系統完成相應的壓力機工作循環(huán)實(shí)現沖壓工序等。

?控制系統設計的幾個(gè)主要問(wèn)題

1 輸入信號的控制精度

增量式編碼器的每轉脈沖數及測量輥的圓周長(cháng)，如：φ90測量輥配每轉輸出1000個(gè)脈沖的光電編碼器與每轉輸出2000個(gè)脈沖的光電編碼器之間的差異、φ50測量輥與φ90測量輥的控制精度差異；最終反映出來(lái)的就是每個(gè)輸出脈沖所對應的長(cháng)度值，即圓周長(cháng)與每轉輸出脈沖數的比值，盡量選擇比值小的產(chǎn)品。

2 輸出信號的控制精度：

由于測量信號滯后和控制傳送滯后、位置環(huán)PID控制算法上的不同，參數整定所確定的Kp、Ki、Kd及采樣周期T等，在數字PID調節控制系統中，在過(guò)程的開(kāi)始、結束或大幅增加設定值時(shí)，會(huì )產(chǎn)生積分積累，引起系統較大的超調，甚至振蕩，這對于伺服電機的運行來(lái)說(shuō)是不利的。

系統的機械精度控制在一定誤差范圍內，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，魯棒性強，可以在很多場(chǎng)合達到較高精度位置控制的要求，永磁同步電動(dòng)機交流伺服系統在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現弱磁高速控制，拓寬了系統的調速范圍，適應了高性能伺服驅動(dòng)的要求。并且隨著(zhù)永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用將越來(lái)越廣泛，目前已成為交流伺服系統的主流。

為了保護伺服控制器和電機等設備，考慮到系統中含有很多對靜電敏感的元器件（如：晶閘管），其承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力差等因素，要嚴格按有關(guān)標準設計、安裝，例如充分考慮伺服控制器和電機的安全容量，采用內、外保護接地，外部保護接零，弱電信號線(xiàn)、動(dòng)力線(xiàn)、速度反饋線(xiàn)屏蔽，屏蔽線(xiàn)與未屏蔽線(xiàn)分開(kāi)等防止措施。

?機組運動(dòng)位置控制及調試

貨架冷彎機組的整線(xiàn)運行速度和生產(chǎn)率要求都很高，如在線(xiàn)交流伺服的高轉速達到60M/min，整線(xiàn)運行速度達到20M/min，該系統必須具備高定位精度和高運動(dòng)速度的特性，由于交流伺服系統必須有良好的運動(dòng)控制特性，普通的變頻調速無(wú)法達到要求，因此采用了伺服控制器加交流伺服電機的方案。

貨架冷彎生產(chǎn)線(xiàn)在正常生產(chǎn)前，需要在手動(dòng)工作模式下進(jìn)行穿引帶調試工作，通過(guò)操作手柄、控制面板上的動(dòng)作按鈕操作調試設備，并檢查和人為設置報警故障模式，如料尾無(wú)料停機保護、伺服送料不到位故障、各單項順序動(dòng)作的實(shí)現和快速反應程度等；確認上述調試過(guò)程無(wú)誤后將機組工作模式轉化為自動(dòng)工作模式下進(jìn)行整線(xiàn)聯(lián)機調試，通過(guò)冷彎制件的尺寸精度檢查和分析，排除冷彎模具、工裝設備制造調試精度等的影響，確認設備的操作性、維修方便性、定尺控制精度等，其中的調試關(guān)鍵和難點(diǎn)在：伺服定長(cháng)送料裝置的運行穩定性和精度保持性、定長(cháng)剪切斷裝置的控制精度和運行方式的選擇。

由于交流伺服系統存在參數時(shí)變、負載擾動(dòng)以及伺服電機自身和被控對象的嚴重非線(xiàn)性、強耦合性等不確定因素，必須在線(xiàn)修訂模糊控制的數學(xué)模型和控制敏感參數，相應的PID控制參數，以實(shí)現系統無(wú)超調和振蕩現象。我們在工作現場(chǎng)就發(fā)生過(guò)伺服控制系統工作丟步、工作不協(xié)調、伺服不明飛車(chē)等偶然故障，并通過(guò)更換相應電纜和排除干擾源的方法來(lái)解決。

比如，貨架冷彎機組在線(xiàn)預沖孔裝置的伺服系統帶負載運行時(shí)存在系統與負載動(dòng)態(tài)匹配的問(wèn)題，貨架冷彎機組在設計時(shí)會(huì )考慮使用多板厚同規格的系列產(chǎn)品、或通過(guò)不同的冷彎工藝在一條生產(chǎn)線(xiàn)上生產(chǎn)不同規格尺寸的貨架產(chǎn)品，故交流位置伺服系統的負載的大小和性質(zhì)會(huì )發(fā)生多種變化，甚至相同規格卷料的更換也會(huì )造成負載的不穩定與變化，這種變化將使系統的性能特別是動(dòng)態(tài)性能變壞，使運動(dòng)出現振蕩、超調甚至于不能穩定運行，必須在調試現場(chǎng)得到系統所帶負載的動(dòng)態(tài)性能指標和伺服系統在線(xiàn)帶負載時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標，在調試過(guò)程中對系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析與測定，并憑經(jīng)驗由人工進(jìn)行現場(chǎng)在線(xiàn)調試工作，調試現場(chǎng)也需要配合相當的人力進(jìn)行相關(guān)數據的收集整理、數據分析處理等，也易造成相當高的調試廢料，在調試過(guò)程中還存在相當的未知影響因素等；這都要求工程技術(shù)人員有較強的專(zhuān)業(yè)知識和豐富的現場(chǎng)經(jīng)驗來(lái)處理。

?機組運動(dòng)位置控制及調試

貨架冷彎機組在應用伺服技術(shù)的過(guò)程中也存在不足之處。主要表現在有的系統在設計方面還存在有相當不合理的地方。比如設計者沒(méi)有很好地利用伺服技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而是極端膚淺地實(shí)現系統的精度伺服控制，不考慮機組間的合理配置，如在線(xiàn)伺服預沖孔裝置中伺服運動(dòng)節拍與壓力機運動(dòng)節拍之間的不協(xié)調等。 

系統設計中針對伺服系統的反饋設計重視不夠，系統故障診斷設計重視不夠，系統選用品牌雜亂造成的備件、維修保養困難重視不夠等，包括用戶(hù)對系統調試參數保存與修改經(jīng)驗上的不足等、對伺服驅動(dòng)系統的認識不足，系統在線(xiàn)調試參數設置的不盡合理，相關(guān)外圍設備參數變化對系統參數的重調試等，如：編碼器測量輥的磨損與更換；均極大地影響了伺服系統在貨架冷彎生產(chǎn)線(xiàn)上的應用效果。