丁磊

(上汽通用五菱汽車股份有限公司青島分公司，山東青島 266555)

Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備是世界最先進(jìn)的滾壓校直設(shè)備，它常見(jiàn)于發(fā)動(dòng)機(jī)工廠曲軸工段。這種德國(guó)制造的先進(jìn)設(shè)備分為兩個(gè)工序:沉割槽的深滾壓和曲軸的滾壓校直。深滾壓的目的是產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力、提高表面硬度和改善表面光潔度;滾壓校直的目的是通過(guò)引入殘余壓力的滾壓校直來(lái)提高曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。文中重點(diǎn)分析了這兩種工序的控制原理:工件的伺服定位和壓力的伺服控制。

1 工件的伺服定位

1.1 半閉環(huán)控制系統(tǒng)工作原理

交流伺服系統(tǒng)需對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的任意角度定位控制，所以必須采用閉環(huán)控制。根據(jù)位置檢測(cè)裝置安裝的位置不同，閉環(huán)控制可以分為半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制。Hegenscheidt的滾壓校直設(shè)備就是采用了較為簡(jiǎn)單的半閉環(huán)控制，見(jiàn)圖1。

圖1 Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備的控制原理

半閉環(huán)控制系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置為角位移檢測(cè)元件 (如光電編碼器)，它一般直接安裝在伺服電機(jī)上，與電機(jī)制成一體。通過(guò)編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)，可以間接地反映移動(dòng)部位的直線位移量。

編碼器信號(hào)可以根據(jù)需要分解為轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、速度反饋信號(hào)和位置反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)用于交流伺服驅(qū)動(dòng)器的逆變功率晶體管的換向控制，速度反饋信號(hào)用于伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部速度的閉環(huán)調(diào)節(jié)與控制，位置反饋信號(hào)用于位置的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)。由于伺服電機(jī)與絲杠直接或間接相連，只要能控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，就可以間接控制移動(dòng)部件的速度和位移量。這種系統(tǒng)實(shí)質(zhì)只是對(duì)電機(jī)的角位移進(jìn)行了閉環(huán)控制，而沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)最終輸出 (如直線位移)的閉環(huán)控制，故稱為“半閉環(huán)控制系統(tǒng)”。

半閉環(huán)控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、性價(jià)比高等特點(diǎn)，電氣控制與機(jī)械傳動(dòng)部件之間有明顯的分界，機(jī)械部分的間隙、摩擦死區(qū)、剛性等非線性環(huán)節(jié)都在閉環(huán)以外，因此半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試方便、穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用到精度要求不是很高的數(shù)控設(shè)備上。Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備正是利用半閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制主軸旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)工件伺服定位。

1.2 Siemens伺服控制系統(tǒng)和Rexroth伺服控制系統(tǒng)在工件定位中的應(yīng)用

老式的Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備多采用Rexroth伺服控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工件定位，見(jiàn)圖2。主體伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為DKC03.3-200-7-FW，它集電源、控制、功率驅(qū)動(dòng)于一體。此系統(tǒng)的硬件主體包括控制器、功率放大單元、位置數(shù)據(jù)反饋單元、Profibus-DP協(xié)議通信單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、保護(hù)裝置、散熱裝置等。這種Rexroth控制系統(tǒng)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)Rexroth MAD電機(jī)，電機(jī)編碼器將轉(zhuǎn)子角度信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)同步控制，從而構(gòu)造了半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 老式的Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備的伺服控制系統(tǒng)

新式的Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備采用Siemens伺服控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工件定位，見(jiàn)圖3。主體控制系統(tǒng)采用SINAMICS S120系列，它是集V/F控制、矢量控制、伺服控制于一體的多軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有模塊化的設(shè)計(jì)。硬件主體部分包括控制單元模塊、整流/回饋模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊和電機(jī)編碼器等，各模塊通過(guò)Drive-CLIQ相連，實(shí)現(xiàn)高速通信。

圖3 新式的Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備的伺服控制系統(tǒng)

2 壓力的伺服控制

2.1 PI過(guò)程控制規(guī)律工作原理

現(xiàn)在應(yīng)用比較多的過(guò)程控制規(guī)律有PID控制規(guī)律、自適應(yīng)控制規(guī)律、模糊控制規(guī)律等。PID控制規(guī)律是最早發(fā)展起來(lái)，目前在工業(yè)過(guò)程中依然是應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一。PID控制規(guī)律結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且綜合反映了系統(tǒng)過(guò)去的積分作用 (I)、現(xiàn)在的比例作用 (P)和未來(lái)的微分作用 (D)3個(gè)方面的信息，對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)須太多的預(yù)知，魯棒性強(qiáng)和控制效果好。

Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備采用了PI(比例積分)控制規(guī)律。PI控制器是一種線性的控制器，它由給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例(P)和積分 (I)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制。簡(jiǎn)單說(shuō)PI控制作用如下:

(1)比例環(huán)節(jié)

即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。通常隨著值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但是當(dāng)增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。

(2)積分環(huán)節(jié)

主要用于消除靜差和提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)，積分常數(shù)越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。

理想的PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù):

PI調(diào)節(jié)器的微分方程:

PI調(diào)節(jié)器的時(shí)間特性如圖4所示，只要輸入信號(hào)不為零，即偏差e存在，積分控制規(guī)律就要起作用，輸出就要不斷增加，直到e為零時(shí)輸出才進(jìn)入保持狀態(tài)。因此積分控制規(guī)律是一種消除靜差的控制，且TI越大積分作用越強(qiáng)。

圖4 PI調(diào)節(jié)器的時(shí)間特性

當(dāng)u=100%時(shí)靜差最大:

式中:KI是積分增益。

因此，KI是調(diào)節(jié)器標(biāo)識(shí)消除靜差的一項(xiàng)指標(biāo)，在模擬調(diào)節(jié)器中它是運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，在數(shù)字調(diào)節(jié)器中它反映數(shù)值容量。

2.2 壓力伺服控制系統(tǒng)在調(diào)整滾壓力上的應(yīng)用

Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備在滾壓?jiǎn)卧獕毫Φ妮敵錾鲜褂昧藟毫λ欧刂疲b于滾壓力的實(shí)際輸出情況選擇了PI控制規(guī)律，控制原理見(jiàn)圖5。

圖5 壓力伺服控制原理

壓力伺服控制系統(tǒng)硬件主體包括:Siemens 300系列PLC、YE9調(diào)節(jié)器控制板、YE11復(fù)位板、UE6測(cè)量板、比例閥、壓力檢測(cè)傳感器等。通過(guò)PLC模擬量輸出模塊對(duì)YE9調(diào)節(jié)器控制板發(fā)送設(shè)定壓力值，滾壓?jiǎn)卧系膲毫鞲衅鳈z測(cè)實(shí)際滾壓力并反饋給YE9調(diào)節(jié)器控制板;YE9調(diào)節(jié)器控制板利用PI控制規(guī)律處理設(shè)定值和測(cè)量值的偏差，輸出信號(hào)給比例閥，然后比例閥輸出滾壓力控制滾壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)幼?。PI控制規(guī)律集成到Y(jié)E9調(diào)節(jié)器控制板上，通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)“P”、 “I”，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例作用和積分作用的調(diào)節(jié)。

Hegenscheidt滾壓校直設(shè)備通過(guò)YE9調(diào)節(jié)器控制板調(diào)整滾壓力的方法如下:

(1)設(shè)定待測(cè)量滾壓?jiǎn)卧臐L壓力和接觸力。

(2)將示波器兩路分別接到UE6電路板上設(shè)定和實(shí)際值，如圖6。

(3)打開(kāi)工作力和接觸力自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式。

(4)調(diào)節(jié)YE9電路板上的電位計(jì)“P”，調(diào)整放大倍數(shù)，使實(shí)際測(cè)量壓力在變化時(shí)不會(huì)有太大波動(dòng)，見(jiàn)圖7。

圖6 UE6電路板

圖7 滾壓力時(shí)間特性曲線

(5)調(diào)節(jié)YE9電路板上的電位計(jì)“I”來(lái)調(diào)整積分作用，使實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定測(cè)量值盡可能地接近，靜差盡量小，見(jiàn)圖8。

圖8 實(shí)際壓力與額定壓力時(shí)間特性曲線

(6)打開(kāi)滾壓?jiǎn)卧?，調(diào)節(jié)YE9電路板上電位計(jì)“0”，使實(shí)際測(cè)量值為0。

(7)將手持測(cè)力儀放入滾壓?jiǎn)卧?，用工作力夾緊單元，調(diào)節(jié)YE9電路板上的電位計(jì)“V”，使測(cè)力儀上顯示的壓力與設(shè)定的工作力相等。

(8)最后在HMI界面上調(diào)節(jié)設(shè)定壓力/實(shí)際壓力比例系數(shù)，使面板上的滾壓力監(jiān)控畫面上的設(shè)定力與實(shí)際力相等。

3 伺服控制的發(fā)展前景

伺服控制系統(tǒng)在高精度數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用廣泛，隨著中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和發(fā)展模式的升級(jí)，伺服控制系統(tǒng)在電氣控制領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越重要。在過(guò)去的粗放式生產(chǎn)模式中，生產(chǎn)線上主要使用了一般的交流異步電機(jī)、直流電機(jī)、力矩電機(jī)等，對(duì)控制系統(tǒng)的要求相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。在發(fā)達(dá)國(guó)家，伺服控制系統(tǒng)在制造業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)含量高，控制精度高，所以無(wú)形中提高了設(shè)備的利潤(rùn)空間。

伺服驅(qū)動(dòng)器是在變頻技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)半閉環(huán)控制的算法更加精密，使用的電氣元件性能更好，功能上比變頻器更加強(qiáng)大。伺服電機(jī)在結(jié)構(gòu)和材料方面優(yōu)于一般電機(jī)，從而響應(yīng)特性和抗負(fù)載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻器控制的交流電機(jī)。在人力成本逐漸升高的當(dāng)今中國(guó)，高智能伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

［1］龔仲華.交流伺服驅(qū)動(dòng)從原理到安全應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2010:9－10.

［2］何離慶.過(guò)程控制系統(tǒng)與裝置［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2003:49－51.

［3］ Hegenscheidt-MFD GmbH ＆ Co KG.Operating/Maintenance Manual［M］.Germany:Hegenscheidt-MFD GmbH＆ Co KG，2013 3.3.7 －3.3.21.

［4］Hegenscheidt-MFD GmbH ＆ Co KG.Operating/Maintenance Manual［M］.Germany:Hegenscheidt-MFD GmbH ＆Co KG，2008 3.3.7 －3.3.18.