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伺服運動技術及其在冷彎成型機設備中的應用

2020-07-17 17:48:46

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,與PLC控制系統的軟硬件配置接口及控制方案的實現等進行探討分析。 伺服運動技術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,各國相繼設計和發展了自動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;使用先進的在線預沖孔貨架冷彎成型技術及設備生產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、孔位精度和表面質量,提高貨架鋼結構裝配時的工作效率,極大地提高貨架鋼結構的穩定性和可靠性,伺服系統為在線預沖孔貨架冷彎成型技術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卷機、校平機、切頭焊接機組、伺服送料機組、在線沖孔壓力機、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。根據從生產現場采集到的數據分析,實際孔位控制精度σ基本穩定在±0.15mm以內,且孔位誤差符合正態分布規律,電氣控制精度確保在一個旋轉編碼脈沖上漂移,從根本上也保證了總長度上的累積誤差最小,基本穩定在6σ以內。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關鍵技術和設備。  


2 發展方向:


伺服系統一般有兩個發展方向。一個是滿足一般工業應用要求,在對性能指標要求不高的應用場合,追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品,如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統發展水平的主導產品—伺服電機、伺服控制器,追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制,以滿足用戶較高的應用要求。


伺服技術在冷彎成型設備中的應用涉及到這兩類發展方向,上位機的選擇涉及CNC系統或可編程控制器(PLC),并通過伺服系統配置的標準串行通信接口(如RS-232C、RS-422接口、專用多芯線纜接口等)和專用的局域網接口進行系統控制和數據傳輸與處理,系統實現如下功能:運用伺服電機、伺服控制器構成的在線伺服裝置實現在線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系統實現產品在線長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人機對話的方式來設置,伺服系統參數的在線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工藝性及其現場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行設定和調試。


3 控制算法:


冷彎成型設備采用從主傳動電機軸端的位置旋轉編碼器采集位置和速度信號,在冷彎型材某個平面接觸旋轉編碼器采樣信號,構成系統主傳動交流變頻電機的運動控制內、外部閉環速度位置調節系統,內部速度控制閉環采用速度實時檢測控制算法。這樣不僅使電機的低速性能得到進一步提高,速度波動和轉矩波動降到低,還確保了冷彎成型過程的運行穩定和速度控制,外部位置控制閉環采用PID運動控制算法,確保冷彎成型過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,實際位置控制時間小于500ms;在線伺服沖孔裝置通過接口與外部被動運動端測量的旋轉編碼器構成高精度的全閉環位置定位調節系統,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、速度實時監控、共振抑制控制、可變增益控制、振動抑制控制、模型規范適應控制、反復控制、預測控制、模型跟蹤控制、在線自動修正控制、模糊控制、神經網絡控制等;通過采用這些功能算法,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控制卡相連,可以通過數據線發送位置或速度調節指令,設定PID調節參數(程序設計過程中將其作開放性設計,便于在線作適應性調整),并進行數模(D/A)轉換,通過相應的控制板卡輸出±10V的模擬信號并經過交流伺服控制器轉換后驅動伺服電動機,在電機軸端裝有增量式旋轉編碼器或在被傳動的受控物體上設置測量輥和增量式旋轉編碼器轉換裝置,并通過旋轉編碼器提供反饋信號(A、B、IN脈沖)來完成伺服系統的位置半閉環或封閉環位置反饋控制系統。位置反饋環中的傳感元件-增量式光電編碼器將運動構件實時的位移(或轉角)變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸到現場控制站(PC機或PLC)中進行編碼器脈沖計數,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(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實現沖壓工序等。


?控制系統設計的幾個主要問題


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,如:φ90測量輥配每轉輸出1000個脈沖的光電編碼器與每轉輸出2000個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;最終反映出來的就是每個輸出脈沖所對應的長度值,即圓周長與每轉輸出脈沖數的比值,盡量選擇比值小的產品。


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,在過程的開始、結束或大幅增加設定值時,會產生積分積累,引起系統較大的超調,甚至振蕩,這對于伺服電機的運行來說是不利的。


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,可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求,永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟,具備了十分優良的低速性能,并可實現弱磁高速控制,拓寬了系統的調速范圍,適應了高性能伺服驅動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低,其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛,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),其承受過電壓和過電流的能力差等因素,要嚴格按有關標準設計、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、動力線、速度反饋線屏蔽,屏蔽線與未屏蔽線分開等防止措施。


?機組運動位置控制及調試


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


貨架冷彎生產線在正常生產前,需要在手動工作模式下進行穿引帶調試工作,通過操作手柄、控制面板上的動作按鈕操作調試設備,并檢查和人為設置報警故障模式,如料尾無料停機保護、伺服送料不到位故障、各單項順序動作的實現和快速反應程度等;確認上述調試過程無誤后將機組工作模式轉化為自動工作模式下進行整線聯機調試,通過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,其中的調試關鍵和難點在:伺服定長送料裝置的運行穩定性和精度保持性、定長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變、負載擾動以及伺服電機自身和被控對象的嚴重非線性、強耦合性等不確定因素,必須在線修訂模糊控制的數學模型和控制敏感參數,相應的PID控制參數,以實現系統無超調和振蕩現象。我們在工作現場就發生過伺服控制系統工作丟步、工作不協調、伺服不明飛車等偶然故障,并通過更換相應電纜和排除干擾源的方法來解決。


比如,貨架冷彎機組在線預沖孔裝置的伺服系統帶負載運行時存在系統與負載動態匹配的問題,貨架冷彎機組在設計時會考慮使用多板厚同規格的系列產品、或通過不同的冷彎工藝在一條生產線上生產不同規格尺寸的貨架產品,故交流位置伺服系統的負載的大小和性質會發生多種變化,甚至相同規格卷料的更換也會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態性能變壞,使運動出現振蕩、超調甚至于不能穩定運行,必須在調試現場得到系統所帶負載的動態性能指標和伺服系統在線帶負載時的動態性能指標,在調試過程中對系統進行動態性能分析與測定,并憑經驗由人工進行現場在線調試工作,調試現場也需要配合相當的人力進行相關數據的收集整理、數據分析處理等,也易造成相當高的調試廢料,在調試過程中還存在相當的未知影響因素等;這都要求工程技術人員有較強的專業知識和豐富的現場經驗來處理。


?機組運動位置控制及調試


貨架冷彎機組在應用伺服技術的過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。比如設計者沒有很好地利用伺服技術的優點,而是極端膚淺地實現系統的精度伺服控制,不考慮機組間的合理配置,如在線伺服預沖孔裝置中伺服運動節拍與壓力機運動節拍之間的不協調等。 


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,包括用戶對系統調試參數保存與修改經驗上的不足等、對伺服驅動系統的認識不足,系統在線調試參數設置的不盡合理,相關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線上的應用效果。


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