喬禮惠，趙雪松，吳國(guó)健

（江蘇揚(yáng)力液壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

基于CAN總線技術(shù)的混合伺服液壓機(jī)控制系統(tǒng)

喬禮惠，趙雪松，吳國(guó)健

（江蘇揚(yáng)力液壓機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

本文打破傳統(tǒng)的采用電液比例控制技術(shù)來(lái)控制閥開(kāi)口大小的方式，開(kāi)發(fā)了一種新型的通過(guò)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵與小通徑電液比例伺服閥相結(jié)合的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力流量的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)速度、定位精度等的控制。在基于CAN總線技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)各種傳感器對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的位置、速度、系統(tǒng)壓力流量等參數(shù)的采集，由運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行信息的綜合處理形成閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)高速、高精度的控制。

機(jī)械設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)控制器；伺服電機(jī)；CAN總線；安全模塊

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，客戶對(duì)液壓機(jī)的速度及定位精度提出了越來(lái)越高的要求，低效率高損耗的生產(chǎn)方式已不能滿足市場(chǎng)的需求。傳統(tǒng)的僅通過(guò)加大閥的通徑來(lái)提高流量從而獲得高速的液壓控制方式其效果往往不盡人意，這主要是由于液壓系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換時(shí)，閥的開(kāi)口大小不能實(shí)現(xiàn)有效的比例流量控制，造成液壓沖擊甚至影響滑塊定位位置的精確控制。針對(duì)以上問(wèn)題，公司與德國(guó)福伊特哈雷公司共同研制開(kāi)發(fā)了一種混合伺服液壓機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用小通徑電液比例伺服閥與伺服電機(jī)相結(jié)合，通過(guò)集成式智能運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)壓力、流量等進(jìn)行精確快速控制，從而大幅提高了液壓機(jī)的運(yùn)行速度、定位精度，在實(shí)現(xiàn)性能的高可靠性和速度的平穩(wěn)過(guò)渡的同時(shí)，有效減小了液壓系統(tǒng)壓力流量損失和液壓系統(tǒng)的沖擊噪聲。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該液壓機(jī)的控制系統(tǒng)主要由五個(gè)主體部分組成（圖1）：德國(guó)福伊特哈雷公司的集成式智能運(yùn)動(dòng)控制器、德國(guó)Baumüller公司的伺服控制器和伺服電機(jī)、力士樂(lè)公司的電液比例伺服閥、德國(guó)ELGO公司的位移傳感器、西門子公司的工控機(jī)。特別是整套控制系統(tǒng)預(yù)留了至少十個(gè)軸的接口，便于連接機(jī)器人、自動(dòng)上下料裝置等外圍設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床的無(wú)人自動(dòng)化操作。

1.1 運(yùn)動(dòng)控制器PCU310

PCU310（圖2）是德國(guó)福伊特哈雷公司開(kāi)發(fā)的專用于對(duì)液壓機(jī)進(jìn)行控制的專用集成式智能運(yùn)動(dòng)控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓機(jī)的高速度及高精度的控制，在運(yùn)動(dòng)速度方面機(jī)床滑塊空程快下速度可達(dá)600mm/s，工作速度可在5～40mm/s范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)隨動(dòng)適時(shí)調(diào)整，回程速度也可達(dá)到600mm/s。同時(shí)根據(jù)機(jī)床工藝要求可實(shí)現(xiàn)機(jī)床滑塊的定程/定壓控制，并通過(guò)PID運(yùn)算的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)在定程控制時(shí)重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01mm，而在實(shí)現(xiàn)定壓控制時(shí)壓力誤差范圍控制在±0.5%以內(nèi)。另外通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)調(diào)整和模具配方的調(diào)用，可以很方便地實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品在不同工藝下的精確控制。

1.2 交流伺服電機(jī)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著微電子技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展，使得將交流伺服電機(jī)運(yùn)用到液壓控制系統(tǒng)中成為現(xiàn)實(shí)，可在不改變泵的排量的前提下，只是通過(guò)改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變泵的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的輸出流量，同時(shí)也能達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行元件速度的目的。在系統(tǒng)中伺服電機(jī)可始終處于高效率的工

作狀態(tài)，系統(tǒng)綜合節(jié)電可達(dá)約20%以上，同時(shí)簡(jiǎn)化了液壓回路，減少了液壓系統(tǒng)的能量損失，而且泵也可以選用可靠性高但價(jià)格低廉的定量泵，從而提高了系統(tǒng)的可靠性并降低了生產(chǎn)成本。在此套系統(tǒng)中采用德國(guó)Baumüller的伺服控制器和伺服電機(jī)，伺服控制器根據(jù)接收到的運(yùn)動(dòng)控制器PCU310的指令同時(shí)結(jié)合伺服電機(jī)自身編碼器反饋的信號(hào)進(jìn)行綜合運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)出指令給伺服電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)動(dòng)的控制，具體接線如圖3所示。

2 CAN通信協(xié)議的應(yīng)用

CAN總線是一種對(duì)等式的層間現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，協(xié)議比RS-485協(xié)議更簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性更好，它的信息幀短，不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間發(fā)送而影響其他節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)總線。由于采用優(yōu)先級(jí)仲裁技術(shù)，當(dāng)發(fā)生總線訪問(wèn)沖突時(shí)優(yōu)先級(jí)高的信息仍可繼續(xù)發(fā)送，因此它更適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)控制要求較高的系統(tǒng)。另外CAN總線通信協(xié)議和接

口簡(jiǎn)單，傳輸速率高，具有多種錯(cuò)誤檢測(cè)手段，抗干擾性強(qiáng)，可滿足機(jī)床安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)高可靠性的要求。再有CAN協(xié)議的最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可以很容易地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，因而在鍛壓機(jī)床領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與各檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。

3 安全模塊在系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著安全技術(shù)條件等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，安全性在機(jī)械制造中得到越來(lái)越多的重視。本系統(tǒng)采用Pilz可編程安全模塊對(duì)安全閥等進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)對(duì)安全閥位置反饋的檢測(cè)，確保閥的開(kāi)啟或者關(guān)閉；機(jī)床設(shè)置有爬梯護(hù)欄裝置，通過(guò)安全模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)安全門鎖的檢測(cè)，控制機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)保障維護(hù)人員的安全；同時(shí)機(jī)床前后操作面安裝了安全光幕，并通過(guò)安全模塊編程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)到危險(xiǎn)時(shí)立即停止滑塊等相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)行，并立刻回歸起始位置；另外急停控制按鈕也經(jīng)過(guò)安全模塊進(jìn)行控制。部分邏輯圖如4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

此控制系統(tǒng)擁有輸入輸出接口、通信接口等豐富的通信接口，最重要的是具有CAN總線接口，可在復(fù)雜和干擾比較強(qiáng)烈的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行通信。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)得到了較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行快速而無(wú)超調(diào)，運(yùn)行效果良好。采用此種控制系統(tǒng)將大大縮短混合伺服液壓機(jī)的成套周期，同時(shí)也降低了對(duì)于維護(hù)人員的要求，也不同程度地提升了生產(chǎn)效率。隨著控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，必將推動(dòng)液壓機(jī)產(chǎn)業(yè)的變革。

[1] 俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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Control system of hybrid servo hydraulic press based on CAN bus technology

QIAO Lihui，ZHAO Xuesong，WU Guojian
（Hydraulic Machine Tool Co.,Ltd.,Jiangsu Yangli Group,Yangzhou 225009,Jiangsu China）

The traditional way which uses electro-hydraulic proportional control technology to control the opening size of the valves has been broken in the text.A new kind of mode by combining the servo motors driven constant delivery pumps and small diameter electro-hydraulic proportional servo valve has been put forward to achieve pressure and flow control of the hydraulic system.Thus in this way,the control of speed and positioning accuracy of the hydraulic system have been realized.Based on CAN bus technology,a variety of sensors have been used in the hydraulic system to collect the parameters such as actuator positions,velocity,and system pressure&flow rate.The motion controller has been applied to deal with the information integrated to form a closed-loop.Finally,the high speed&accuracy control of the hydraulic system has been achieved.

Motion controller;Servo motor;CAN bus;Security module

TG315.4

B

1672－0121（2012）03－0035－02

2012－02－09

喬禮惠（1979－），男，工程師，從事鍛壓機(jī)械電氣設(shè)計(jì)研究