交流伺服系统在货架冷弯成型线中的应用

    在货架立柱冷弯成型生产线中导入在线预冲孔工序和在线液压停剪技术，既扩大了货架立柱的截面形状的设计范围和制造精度，又满足了货架钢结构体系设计与装配上的要求，极大地优化了货架钢结构组成机理，特别是当立体仓库（AS/RS）系统在我国的兴起和广泛发展，对货架立柱的孔位精度、长度控制等方面提出了更高要求。

    本文就进口的货架立柱冷弯成型生产线利用交流伺服控制原理实现的在线预冲孔和在线液压停剪控制装置进行分析探讨，力求实现在很多冷弯场合达到较高位置精度控制的目的和要求，与同行共勉。

    2、货架冷弯成型线的工作原理

    2.1 货架冷弯成型线基本生产工艺及设备构成：

    货架组件的一般生产工艺为： 开卷——校平——在线伺服送料冲孔——成型轧制——矫直——定尺切断（或伺服跟踪切断）——打包——后期喷涂处理等；

    相对应的设备为：开卷机——校平机——伺服送料装置——压力机——冷弯轧制机组（二十站左右）——矫直头——液压切断装置和液压站——打包机或其它附属设备+电气控制系统等。

    2.2货架冷弯成型线交流伺服控制系统的基本原理：

    如图一所示。（系统组成及原理）

图1 系统组成

    该系统由五部分组成，即计算机（PC）、伺服驱动控制卡、交流伺服调速系统（交流伺服控制器、伺服电机及相应的控制电缆）、传感检测及反馈、辅助主动作执行系统。主控程序只有几百K，运行在DOS操作系统下，主控微机通过打印端口LP1：与伺服驱动控制卡相连，并通过数据线发送位置或速度指令，在线适应性调节或设定PID调节参数（程序设计过程中将其作开放性设计，便于调整）见后附图，并进行数模（D/A）转换，通过相应的控制板卡输出±10V的模拟信号并经过交流伺服放大器放大后驱动伺服电动机，半闭环或闭环位置控制反馈系统由电机轴端装有的增量式光电码盘（或在被传动的物体上设置测量辊和增量式光电码盘转换装置）提供信号（A、B、IN脉冲）来完成位置伺服系统的位置反馈，位置反馈环中传感元件-增量式光电编码器将运动构件实时的位移（或转角）变化量以A、B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC机）中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置信息，主控微机计算给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差后，根据偏差范围采取相应的PID控制策略，将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输出给伺服放大器，最终调节电机运动，完成期望值的反复多次闭环反馈定位控制，在控制原理上实现小误差高精度的位置定位；然后主控程序对辅助主动作执行系统下达运行指令，完成特定的机械抱闸动作、压力机在线冲压运动、液压停剪切断运动等。

    本机组的主要特点：一次性投资成本较高，最大交流伺服功率有一定的限制，但后期运行成本低，特别是货架组件的一次成材率高，产品精度高，应用范围广且附加产值高。

    3、自动送料机及冲孔装置分析及工作原理

    货架立柱冷弯成型生产线的在线预冲孔加工工序自动送料装置由上下一对φ75的导料辊组成，主要工作动力来源于交流伺服电机，依靠料板与上下导料辊之间的摩擦力送料，货架立柱的带钢分布孔在压力机上冲压完成，主体设计如图二，本装置原设计为美国宝德(BALDOR)3.7KW的伺服控制系统，后由于新产品开发，增加了工作传动负荷，并根据图二所示的工作原理，即动力控制部分与交流伺服控制之间的位置控制主要通过±10V的模拟信号来实现，不存在对交流伺服系统的功率限制，在原理上可以将其更换为日本三菱公司的伺服放大器型号MR-J2S-系列的5KW的配套的交流伺服控制器和交流伺服电机，并根据对应的货架组件的生产精度要求及确定伺服控制精度为：±0.1，则由测量辊圆周长与测量精度范围的比值约为：1178（未考虑旋转编码器的分倍频关系），宜选用1200PPR以上的旋转编码器，并在后期的近四年的应用过程中能很好地实现位置精度控制要求。#p#分页标题#e#

图2 驱动动力控制组成

    三菱MR-J2伺服系统具有良好的机器响应性、低速稳定性、包含机械系统在内的最佳状态调整的特点等；速度频率响应达到550HZ以上，非常适合用于高速定位的场合，比较适合于负载惯性矩比会增大以及韧性较差的设备。

    自动送料装置主要由图三所示的结构组成，⑴光电传感器1#主要反馈进入压力机工作区域的钢带存在状况，如：余料、缺料等；⑵伺服电机经齿轮箱向下导料辊传递输送动力，齿轮箱的传动比i（如i=11的设计选型）和电机的转速决定该系统送料定位速度；⑶旋转编码器测出上导料辊（被动送料及被动测量点）通过与板料间的运动传递的位置信号⑷机械抱闸实现定位后的位置固定；⑸光电传感器2#实现压力机的工作控制要求的位置信号的传递；⑹上下模实现在线孔位的冲压；要求压力机冲压吨位配套、机床或模具精度的配套等。

图3 自动送料装置图

    具体的每模送料步距量值的大小由PC设置相应的记数脉冲数或长度转化值比较决定，并由与上导料辊相联的角编码器被动测量反馈相协调（由程序设定），从而实现冲压板料的可调整、高精度、无积累误差的步距送料冲压，累积误差由程序中设置的误差补偿算法或人工在线修正等手段处理，确保货架立柱的高品质孔位距离，实践证明很实用。

    设备系统中的自动送料装置克服了货架立柱预开平钢带人工送料的缺点，具有操作简单、工作可靠、控制精度高等特点，可大大提高劳动生产率，配合高速高精度压力机可实现70次/分的工作频率，工作压力达到2500KN以上，其可组成独立的运行系统。

    4、货架切断装置分析及工作原理

    基本控制原理相同并共用统一系统，其特点为：通过反射式光电开关测量货架立柱上的孔位数量信号，主要为判断有无孔的光电反射开关量而形成特定孔的计数信号，当达到一定的孔数时，内部主控程序将数孔测量模式转化为长度测量模式，同理完成位置伺服系统的位置反馈和定位控制，主控微机计算给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差后，适时在线调节交流伺服电机运动，完成期望值的定位后，主运动停止并主导液压切断装置控制电磁阀产生切断工作次序；（注：冷弯成型机组的主动力仍然是由该交流伺服电机的运动提供的，故应选择大功率的交流伺服控制系统及驱动系统，本设备选用的系统功率达到37KW以上）

    液压停剪的控制模式与飞剪控制模式的主要区别：①液压停剪的控制精度高，最高控制精度为：±0.1mm左右且无累积误差，主要反映在被动增量式光电码盘的精度和控制时序上的要求，设备一次性投资较高；但一次成品率高，材料利用率高，飞剪控制需要增加随动和复位装置，控制系统较简单；②控制原理上，液压停剪为绝对控制精度，不存在速差误差等，飞剪为相对控制精度，为剪切位与工件运动之间的相对误差，由于速度运行规律上的不确定或机组阻力、工作负荷上的波动等会造成无规律误差的存在；③飞剪控制的主线运动速度比较恒定，有利于配套的焊接等设备运行参数的设定和调整，而液压停剪的控制模式主运动曲线较复杂，存在高低速的变换和运动停止状态，有时会存在较长的长度校准时间；④生产效率差异大，飞剪的生产效率高，易进行生产控制；⑤设备维护和操作控制的要求差异较大。⑥液压停剪模式更有利于解决冷弯型材的切口变形与反弹等切口缺陷，综上所述需要针对自身的冷弯产品特点制定和选择合理的设备控制运行模式，以期获得最大收益。#p#分页标题#e#

    5、控制系统设计的几个主要问题

    (1) 输人信号的控制精度

    测量辊圆周长与测量精度范围的比值最终决定产品的生产控制精度，应尽量选择比值大的产品，并选择合适的测量辊材料、测量辊与冷弯件的接触阻尼和弹性系数以增加摩擦系数和接触压力防止测量过程滑料误差的产生。
　　
    (2) 输出信号的控制精度

    位置环PID控制算法上的不同决定了PID控制得到的控制精度和结果，如：求解方法有阶跃反应法，并根据控制特性采用三种动作特性：1）、仅有比例控制；2）、PI控制；3）、PID控制；并根据速度形、测定值微分形运算式进行PID运算，执行相应的精度要求下的正、反动作运算和控制。

    (3) PID系统参数的整定

    主控微机向控制卡发送PID参数，看给定的参数是否符合控制系统的要求，该过程需用在线参数整定实现。参数整定的主要任务是确定K（P）、A（I）、B（D）及采样周期Timer，比例系数K（P）增大，使伺服驱动系统的动作灵敏、响应加快，而过大会引起振荡，调节时间加长；积分系数A（I）增大，能消除系统稳态误差，但稳定性下降；微分控制B（D）可以改善动态特性，使超调量减少，调整时间Timer缩短。具体整定过程需要根据数字位置环的PID器改进控制算法以及参数整定方法来制定现场的适应参数和现场的实际调整设定，并根据不同的产品或负载情况分别整定，否则易形成位置控制过程的振荡现象。如图设计程序中设置的开放式调整。

程序中PID的整定界面（局部）

    系统的机械精度控制在一定误差范围内，电气控制精度（编码器脉冲）就可得到提高，并结合高性能的交流伺服驱动系统，可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求，也能提高位置定位的效率和精度。

    主程序是基于PC开发平台的交流伺服控制系统，主要功能是：人机对话调整产品生产数据、设备参数设定和PID参数整定等；实现PC及各模块间的数据传递和处理，位置环PID控制算法及控制伺服电动机运动，实现各相关设备动作等。其它诸如：冲压步距的设定及调整、一定长度值下每个输出脉冲数的对应调整、压力机控制精度、伺服送料精度和伺服送料长度值的设定与调整等均为开放式设计，

    主程序设计中考虑了部分设备的故障预警程序段，极大地提高了设备的可操作性和对产品生产质量的控制，也在一定程度上降低了设备的故障检查时间。

    6、结论

    实际应用表明：选择合理的交流伺服系统能够满足控制系统响应速度快、速度精度高、鲁棒性强的要求，实际应用位置控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累积误差。该控制系统可应用于高精度开口系列冷弯型钢产品的生产中，特别是类似货架立柱的产品，即对冷弯型钢立、侧面具有孔位高精度要求的在线预冲孔的冷弯成型生产线上。

    交流伺服系统应用于货架冷弯成型生产线上确实能达到较高的位置控制精度；且在线预冲孔模式与液压停剪模式均可独立运用，如货架横梁生产过程就无在线预冲孔模式等。