牛玉璽，盧 紅，肖 雄，袁國忠

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

精密矯直機(jī)采用三點(diǎn)彎曲原理對(duì)金屬導(dǎo)軌進(jìn)行撓度測(cè)量并矯直，需要完成對(duì)金屬導(dǎo)軌跨距兩端進(jìn)行夾持固定并且在跨距中心位置進(jìn)行壓力矯直。實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬導(dǎo)軌快速精確的夾緊和壓力反彎，對(duì)精密矯直機(jī)壓頭、夾頭和跨距軸伺服電機(jī)的控制方式提出了要求。本文主要完成對(duì)精密矯直機(jī)單軸伺服電機(jī)控制方式選型，并且對(duì)各單軸伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和速度曲線進(jìn)行理論分析，從而提高矯直精度和效率。

1 精密矯直機(jī)主體結(jié)構(gòu)和單軸電機(jī)選取

精密矯直機(jī)的主體結(jié)構(gòu)由壓頭（A軸）、夾頭（C、D軸）和跨距（B軸）三部分組成，（圖1），每個(gè)部位由相應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

圖1 精密矯直機(jī)主體結(jié)構(gòu)圖

其中壓頭為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，通過設(shè)定矯直行程，完成對(duì)金屬導(dǎo)軌的壓力彎曲矯直；夾頭分為左右兩個(gè)，完成對(duì)金屬導(dǎo)軌的夾持固定，并且保證矯直過程的夾緊狀態(tài)?？缇嗖捎猛綆鲃?dòng)保證夾頭運(yùn)行狀態(tài)的同步，合理確定跨距行程。

一般情況下，伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的控制方式有三種：位置模式、速度模式和力矩模式，每一種控制方式都有相對(duì)應(yīng)的控制指令來實(shí)現(xiàn)不同的功能［1］。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，對(duì)壓頭、跨距和夾頭分別配置了不同控制方式的伺服電機(jī)。壓頭電機(jī)和跨距電機(jī)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)軌位置的精確控制，減小測(cè)量誤差，因此選用伺服電機(jī)位置控制模式。夾頭電機(jī)需要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行位置固定，并且確保矯直過程中導(dǎo)軌反彈力矩不影響夾緊效果，故選用伺服電機(jī)力矩控制模式。

2 精密矯直機(jī)單軸伺服電機(jī)控制方式選型

2.1 夾頭電機(jī)力矩模式下的位置指令

在對(duì)金屬導(dǎo)軌進(jìn)行夾緊時(shí)，相應(yīng)的截面寬度能夠通過測(cè)量精確獲得，通過確定伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)位移來確定金屬導(dǎo)軌是否處于夾緊狀態(tài)，選取位置指令對(duì)夾頭伺服電機(jī)進(jìn)行控制。采用力矩模式下的位置指令，且夾頭夾緊位移

s1為夾頭零點(diǎn)位置位移；s2為金屬導(dǎo)軌截面寬度。

根據(jù)上述公式，設(shè)想給予伺服電機(jī)PR賦值一個(gè)S的位置指令后，伺服電機(jī)會(huì)完成工件的夾緊，參數(shù)設(shè)置見圖2。選取截面寬度為20mm的金屬導(dǎo)軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該方法能否滿足夾緊要求。常用的位置指令如下：SH啟動(dòng)電機(jī)，指令后添加電機(jī)代號(hào)確定將代號(hào)電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)；AC設(shè)置電機(jī)運(yùn)行中的加速度，指令后添加脈沖數(shù)確定加速度的大??；DC設(shè)置電機(jī)運(yùn)行中的減速度，指令后添加脈沖數(shù)確定加速度的大小；PR設(shè)置電機(jī)的相對(duì)位置，指令后添加脈沖數(shù)確定下一步電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離和方向；SP指令由于設(shè)置各軸獨(dú)立定位運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)速度；TP查詢編碼器反饋位置值。

圖2 夾頭電機(jī)力矩模式下的位置指令

當(dāng)PR賦值為s1－20時(shí)，金屬導(dǎo)軌有時(shí)候夾緊，有時(shí)候松動(dòng)，不能保證夾緊工序的完成；當(dāng)位移賦值超過s1－20時(shí)，夾頭夾緊工件后，編碼器讀取位移信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)槲茨苓_(dá)到電機(jī)的位移賦值，此時(shí)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，反向力矩阻礙電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致過載，伺服驅(qū)動(dòng)器報(bào)錯(cuò)，系統(tǒng)卡死。實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)矩模式下的位置指令不能滿足夾緊要求。

2.2 夾頭電機(jī)力矩模式下的力矩指令

轉(zhuǎn)矩模式下，當(dāng)金屬導(dǎo)軌夾緊之后，電機(jī)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)反向力矩的大小并將其反饋給上位機(jī)，從而確定工件的夾緊狀態(tài)。常用的力矩指令如下：CN用于設(shè)置極限信號(hào)輸入、原點(diǎn)開關(guān)輸入、鎖存信號(hào)的極性；MO電機(jī)關(guān)閉，此時(shí)控制器不能控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)；OF設(shè)置偏置電壓，或者返回一個(gè)設(shè)定的值，抵消放大器的偏移。

力矩模式下，上位機(jī)給予偏置電壓使電機(jī)能夠克服偏移電壓和本身的阻尼而轉(zhuǎn)動(dòng)，并且保證夾頭能夠?qū)崿F(xiàn)夾緊金屬導(dǎo)軌的功能，需要確定偏置電壓的賦值大小。精密矯直機(jī)夾頭電機(jī)，系統(tǒng)默認(rèn)賦值正值電壓，夾頭松開；賦值負(fù)值電壓，夾頭夾緊。參數(shù)設(shè)置見圖3。

圖3 夾頭電機(jī)力矩模式下的力矩指令

通過對(duì)OF進(jìn)行不同的賦值，確定夾頭電機(jī)達(dá)到夾緊和松開的偏置電壓值，從而保證夾頭的正常夾緊和松開。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同OF值下電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)證明了力矩模式下的力矩指令能夠滿足精密矯直過程中兩端固定夾緊的要求，且矯直過程中不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中夾緊、松開狀態(tài)偏置電壓不同，是因?yàn)閵A頭夾緊后，金屬導(dǎo)軌的彈性變形作用一個(gè)反向力矩于電機(jī)，電機(jī)需要相應(yīng)的力矩來克服此反向力矩。

2.3 壓頭、跨距電機(jī)位置控制模式下的位置指令

精密矯直機(jī)基于三點(diǎn)彎曲壓力原理進(jìn)行金屬導(dǎo)軌的矯直，矯直過程中壓頭的下壓量以及矯直跨距行程決定金屬導(dǎo)軌的矯直精度。就壓頭電機(jī)和跨距電機(jī)而言，能夠較為精確地到達(dá)上位機(jī)位移指令相對(duì)應(yīng)的位置，對(duì)壓頭電機(jī)和跨距電機(jī)的控制方式提出了要求，故選取位置控制模式。參數(shù)設(shè)置見圖4、圖5。

圖4 壓頭電機(jī)位置控制模式位置指令

圖5 跨距電機(jī)位置控制模式位置指令

位置模式下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩都受到控制，其中脈沖頻率控制轉(zhuǎn)速，脈沖個(gè)數(shù)控制旋轉(zhuǎn)角度。脈沖頻率f與電機(jī)轉(zhuǎn)速n（r／min）、脈沖個(gè)數(shù)p、電子齒輪比G以及電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度β的關(guān)系如下［2］：

所以，當(dāng)上位機(jī)給予電機(jī)一個(gè)確定的脈沖量時(shí)，電機(jī)會(huì)接受此指令并且控制伺服旋轉(zhuǎn)的角度，實(shí)現(xiàn)位移的精確定位。精密矯直機(jī)壓頭和跨距部分采用齒輪和滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)金屬導(dǎo)軌的批量矯直，需要確定壓頭和跨距的傳動(dòng)比例。矯直加工過程中，為確?？缇嘈谐毯统C直行程的精確，必須準(zhǔn)確測(cè)量金屬導(dǎo)軌的撓度和單軸的傳動(dòng)比例。對(duì)于壓頭電機(jī)，當(dāng)上位機(jī)輸入脈沖個(gè)數(shù)n1時(shí)，通過壓頭上方電感筆準(zhǔn)確測(cè)得該狀態(tài)下的撓度r1；當(dāng)上位機(jī)輸入脈沖個(gè)數(shù)n2時(shí)，撓度為r2，則壓頭電機(jī)發(fā)送n2個(gè)脈沖時(shí)，電機(jī)的實(shí)際位移公式為

對(duì)于跨距電機(jī)，兩個(gè)夾頭電機(jī)之間通過同步帶連接，當(dāng)上位機(jī)給予脈沖個(gè)數(shù)時(shí)，通過精確測(cè)量?jī)蓨A頭之間的位置變化即可得出跨距的精確傳動(dòng)比。

實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于壓頭電機(jī)和跨距電機(jī)，位置控制模式下的位置指令能夠比較精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)壓頭和跨距的位置控制，并且通過多次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得精密矯直機(jī)壓頭和跨距電機(jī)的精確傳動(dòng)比例，便于批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。

3 單軸伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和速度曲線分析

精密矯直機(jī)單軸伺服電機(jī)的控制方式已經(jīng)確定，研究各個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)行情況對(duì)提高精密矯直的效率和精度都有極為重要的意義。

3.1 伺服電機(jī)力矩控制模式速度分析

對(duì)于夾頭部位，快速準(zhǔn)確的夾緊和松開金屬導(dǎo)軌，能夠提高矯直的加工效率，所以研究夾頭伺服電機(jī)在力矩模式下的速度曲線，對(duì)提高機(jī)器性能和加工效率都要重要的意義。針對(duì)夾緊過程，當(dāng)偏置電壓（OF賦值）為－3V時(shí)，伺服電機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電機(jī)正常運(yùn)行；當(dāng)偏置電壓設(shè)置大于－3V時(shí)，則輸出轉(zhuǎn)矩將高于伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩。但是該電壓對(duì)應(yīng)的是實(shí)際的輸出轉(zhuǎn)矩，并不能控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)大幅度提升，電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)，都會(huì)對(duì)電機(jī)和金屬導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的沖擊［3］，并且容易導(dǎo)致位置偏差，因此需要對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩的最高速度進(jìn)行設(shè)定，從而選取合適的速度，保證電機(jī)的運(yùn)行快速平穩(wěn)。精密矯直機(jī)選用的是安川電機(jī)，該電機(jī)通過修改Pn407的參數(shù)值來修改電機(jī)的最高速度。下面針對(duì)Pn407參數(shù)的不同取值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而確定最優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同限制速度下矯直夾頭的各項(xiàng)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)證明了驅(qū)動(dòng)器Pn407的作用，也證明了此驅(qū)動(dòng)器參數(shù)下的速度就是伺服電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度［4］。針對(duì)松開過程，由于工件的不同，只需要根據(jù)工件的截面寬度和運(yùn)行速度，通過設(shè)定等待時(shí)間來執(zhí)行停止指令，既可以保證電機(jī)的正常松開，又能保證夾頭不因?yàn)檫^度松開而影響矯直效率。

3.2 伺服電機(jī)位置控制模式速度分析

對(duì)于壓頭和跨距部位，準(zhǔn)確定位矯直行程和跨距行程，能夠提高矯直的加工精度。位置模式控制下，伺服電機(jī)的運(yùn)行主要有梯形速度曲線和拋物線——直線速度曲線［5］。為保證電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，選擇梯形速度曲線作為壓頭和跨距電機(jī)的速度運(yùn)行曲線（圖6）。

圖6 電機(jī)梯形速度曲線

根據(jù)AC／DC指令，設(shè)置伺服電機(jī)的加速度和減速度，降低加減速度過程的剛性沖擊，快速達(dá)到平穩(wěn)速度。為減輕加減速開始階段的剛性沖擊，以及減小指令值與實(shí)際值之間的偏差，需要確定電機(jī)最合適的速度曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同速度參數(shù)下的運(yùn)行狀態(tài)

由表3中數(shù)據(jù)可以得知，加、減速度和速度以及相對(duì)位置之間具有某種關(guān)系，改變其中任意一個(gè)，都會(huì)影響伺服電機(jī)的穩(wěn)態(tài)［6］運(yùn)行速度。通過上述運(yùn)行狀態(tài)對(duì)比可知，選擇 AC16384，DC16384，SP8192，不僅能夠保證電機(jī)運(yùn)行速度比較高，而且編碼器反饋位置穩(wěn)定且誤差最小，故為最佳速度曲線。

4 小結(jié)

針對(duì)精密矯直機(jī)壓頭、跨距和夾頭電機(jī)，采用理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法確定了單軸的控制方式，并且提出了一種精確測(cè)量單軸電機(jī)傳動(dòng)比例的方法，從而為實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和提高矯直效率提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上對(duì)各單軸伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和速度曲線進(jìn)行理論分析，確定合理的控制電機(jī)速度參數(shù)，保證電機(jī)平穩(wěn)快速的完成功能要求，對(duì)提高精密矯直機(jī)的加工效率和精度具有重要的意義。

［1］ 高俊山，沈秀風(fēng)，閆 哲.交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器控制參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009，28（04）：62－68.

［2］ 劉彩霞.TOM－L5641數(shù)控銑床伺服電機(jī)的選型與計(jì)算［J］.包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，15（01）：24－27.

［3］ 謝展強(qiáng).淺析數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)技術(shù)［J］.現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息，2013，10：328.

［4］ 鄒 宇，向鳳紅，王劍平，等.交流電機(jī)控制策略研究進(jìn)展［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2013，40（03）：30－36.

［5］ 王邦繼，劉慶想，周 磊，等.步進(jìn)電機(jī)速度曲線的設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)［J］.微電機(jī)，2012，45（08）：67－71.

［6］ 蔡桂英，萬 豐，李大勇，等.采煤機(jī)截割部雙電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分析與研究［J］.煤炭技術(shù)，2013，32（06）：21－23.