李兵

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床伺服控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

李兵

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

本公司基于SVR伺服主傳動專利技術(shù)研制的SP21250-OS型數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床，在國內(nèi)率先開發(fā)應(yīng)用了MTX型開放式數(shù)控系統(tǒng)控制技術(shù)。通過對有關(guān)技術(shù)方案與內(nèi)容的介紹，表明開放式數(shù)控系統(tǒng)在伺服沖專利技術(shù)深度開發(fā)以及系統(tǒng)性能提升方面的技術(shù)優(yōu)勢，同時為讀者進一步了解當前數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的技術(shù)動態(tài)與進展提供一些有益參考。

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；SVR伺服主傳動專利技術(shù)；MTX開放式數(shù)控系統(tǒng)；伺服沖壓控制技術(shù)

近年來，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司成功研發(fā)的SP數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床，應(yīng)用SVR可變連桿伺服主傳動、雙排模位、互換轉(zhuǎn)模、多子模等發(fā)明專利技術(shù)，配套進口整體一體化數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動系統(tǒng)，具有技術(shù)領(lǐng)先、高速度、高精度、高效率、低能耗以及性價比高、可靠性強等優(yōu)勢。

最新研發(fā)成功并于CIMT2015中國國際機床展推出的SPE21250-OS型數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床（圖1），率先在國內(nèi)實現(xiàn)基于德國力士樂MTX型數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床控制技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，不僅發(fā)揮出SVR可變連桿伺服主傳動發(fā)明專利技術(shù)特點，刻印1800次/分，10mm沖程、1mm步距1000次/分等主要指標居國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平；主伺服電機功率僅為同類產(chǎn)品力矩電機的1/3，平均能耗降低70%，同時實現(xiàn)了ACN連續(xù)沖、自動降噪、GUI界面、CAM軟件、NC模具庫、模式優(yōu)化、3D仿真等“智能化”技術(shù)應(yīng)用。

圖1 SPE21250-OS型數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床外觀

1 主要技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用內(nèi)容

1.1 確立基于專利技術(shù)的伺服沖智能化技術(shù)平臺

（1）為滿足SP系列伺服沖專利技術(shù)的深層次開發(fā)需求并進一步提升智能化技術(shù)水平，突破以往專用控制系統(tǒng)開發(fā)局限，以更為開放型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)建立新的技術(shù)平臺，包括開發(fā)發(fā)揮專利技術(shù)優(yōu)勢的伺服沖控制系統(tǒng)、交互式人機界面操作系統(tǒng)、一體化自動編程軟件系統(tǒng)等，實現(xiàn)加工過程自適應(yīng)、加工參數(shù)的優(yōu)化選擇、故障自診斷與自修復(fù)、故障回放與仿真、伺服驅(qū)動能量優(yōu)化等智能化功能，提升綜合性能與技術(shù)附加值。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)總體方案示意圖

圖3 系統(tǒng)控制技術(shù)開發(fā)應(yīng)用效果示意圖

本系統(tǒng)硬件部分主要由工控機、控制器、操作面板、多軸驅(qū)動器以及伺服電機等組成。其中，工控機用于機床信息的顯示、錄入，以及工件加工程序的存放、修改，控制器用于執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，驅(qū)動器控制伺服電機完成指令動作。工控機與控制器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet電纜連接，控制器、操作面板、驅(qū)動器之間通過工業(yè)以太網(wǎng)SERCOS-III電纜連接，并形成一個閉環(huán)控制。

該系統(tǒng)標準配置為5個數(shù)控軸，分別為P、X、Y、T、C。其中，P軸為伺服沖壓軸，X、Y為板材送進定位軸，T軸為轉(zhuǎn)塔旋轉(zhuǎn)選模軸，C軸為模具旋轉(zhuǎn)分度軸。在此基礎(chǔ)上可增配Y1軸或X1、X2軸，擴展為同步雙Y軸或三伺服夾鉗送料軸等配置。數(shù)控系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

（2）基于專利技術(shù)的伺服沖智能化技術(shù)平臺的確立，不僅使伺服主傳動核心專利技術(shù)(CN2011102191487)優(yōu)勢得到高性能綜合發(fā)揮，并在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的轉(zhuǎn)盤選模系統(tǒng)、高速送進系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及軟件技術(shù)等方面，進行相應(yīng)系統(tǒng)控制程序與軟件深層設(shè)計開發(fā)，進而提升多轉(zhuǎn)?；螂p排模具轉(zhuǎn)盤 （CN2011203063451）、多重模具互換型轉(zhuǎn)模（CN2011102413950）及多子模（CN2011203063447）、伺服夾鉗送進系統(tǒng)（CN2010101913856）等多項創(chuàng)新技術(shù)的高效應(yīng)用，并通過CAM自動編程系統(tǒng)與伺服沖壓數(shù)控系統(tǒng)軟件相集成，從而進一步提升整機性能和可靠性，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的系列新產(chǎn)品，綜合技術(shù)性能指標保持國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用效果如圖3所示。

該平臺硬件系統(tǒng)采用德國BOSCH-REXROTH公司 IndraMotionMTX型開放式數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅(qū)動系統(tǒng)；而本行業(yè)國際技術(shù)領(lǐng)先的德國通快TRUMPF公司，也正是基于此系統(tǒng)自主開發(fā)出專有控制模式與軟件，實現(xiàn)了其沖床單旋轉(zhuǎn)沖頭、直列式模具庫、無廢料沖切等獨樹一幟的功能；同時，TRUMPF公司與BOSCH-REXROTH公司均是德國Industry 4.0計劃實施中最早加入者，其各自代表的行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)也正是今后“智能生產(chǎn)”技術(shù)發(fā)展的方向。

1.2 開發(fā)專利主傳動的伺服沖壓控制技術(shù)

1.2.1 確立專用的系統(tǒng)伺服沖壓控制方式

為保證伺服沖的高沖壓速度，同時保證其穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用驅(qū)動模塊配置的CPU進行沖頭驅(qū)動控制，沖壓P軸運行于獨立通道，其驅(qū)動器與系統(tǒng)直接交換信息；基于系統(tǒng)的開放性設(shè)計平臺，開發(fā)沖壓P軸專用的底層驅(qū)動程序，實現(xiàn)沖壓軸與進給軸的緊密配合與優(yōu)化控制，保證高精度下的高速沖壓，如圖4所示。

1.2.2 開發(fā)獨有伺服主傳動的沖壓控制模式

圖4 伺服沖壓控制模式與運動特性示意圖

伺服沖壓P軸控制指令可分別對沖壓周期內(nèi)上下死點、送料點位置與曲軸回轉(zhuǎn)的速度、加速度等特性進行參數(shù)化設(shè)定調(diào)整，單側(cè)擺、雙側(cè)擺、連續(xù)沖、變速沖等伺服沖壓模式，分別適應(yīng)于打標、刻印、單沖步?jīng)_、成型滾壓及降噪沖壓等工藝要求。其中，變速沖壓模式可根據(jù)每個模具沖壓負載力大小，選擇降噪模式后自動調(diào)整參數(shù)降低沖頭進入板材時的速率，從而有效降低沖壓噪聲5分貝以上。

圖5 連續(xù)沖與雙側(cè)擺速度特性對比示意圖

連續(xù)沖壓模式是基于應(yīng)用高速小慣量伺服電機特點的可變連桿專利系統(tǒng)，在該系統(tǒng)平臺上開發(fā)的獨有“智能化”新模式，它使數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床最具特色最廣泛應(yīng)用的步?jīng)_（Nibbling）沖壓模式，由以往主伺服電機雙側(cè)擺模式步?jīng)_時頻繁啟停加減速方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹恍鑶⑼Ｒ淮渭纯赏瓿伤袥_孔的模式。不僅提升沖壓效率、保證高精度、大大降低能耗和噪聲，而且改善了伺服沖壓主傳動機械系統(tǒng)的工況，最大化地提高能量利用率，更有效地延長其使用壽命，具有獨特的綜合性能優(yōu)勢。如圖5所示。

由專門設(shè)計的系統(tǒng)程序控制，按照步距板厚等參數(shù)，通過對沖壓周期內(nèi)進給軸的自動檢測并實時優(yōu)化匹配沖壓軸的主電機轉(zhuǎn)速，精確控制變速、送料起始點等參數(shù)，效率實時最大化地快速完成全部沖孔。其顯著效果是不僅實現(xiàn)高速小步距沖壓變得“輕”而易舉，輕松實現(xiàn)1mm步距、12mm沖程時1100次/分鐘的步?jīng)_速度，更使連續(xù)沖能耗降低至僅僅不到雙側(cè)擺步?jīng)_時的10%，極大地提高了主伺服電機的能量利用率，節(jié)能、降噪效果十分突出。如圖6所示。

1.2.3 專用于伺服沖床的各種功能開發(fā)

基于力士樂系統(tǒng)的高度開放性，使系統(tǒng)底層程序的設(shè)計更靈活，并使各項基本功能的開發(fā)能夠更好地發(fā)揮特色、提升技術(shù)性能。例如，T軸轉(zhuǎn)塔模具系統(tǒng)包括標準模、轉(zhuǎn)模、多子模、轉(zhuǎn)盤鎖定、手動換模等控制功能；C軸模具分度系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)模分度、多子模選擇與二次旋轉(zhuǎn)以及X、Y軸的同步聯(lián)動等功能；其他還包括板材重再定位、夾鉗安全保護、輔助執(zhí)行等功能，以及直線與圓弧步?jīng)_、矩陣排列沖孔、直線與矩形剪切、多工件加工等各種圖形沖壓固定循環(huán)功能，如圖7所示。

1.3 開發(fā)伺服沖全功能多樣化人機界面系統(tǒng)

圖6 連續(xù)沖與雙側(cè)擺能耗特性示意圖

圖7 圖形沖壓固定循環(huán)功能示意圖

（1）標準人機界面主要包括NC編輯器和程序管理器、刀具管理器、通道與軸接口總線診斷、日志等功能，并可運用系統(tǒng)集成HMI編輯器，配置用戶所需功能界面。同時運用Win-StudioLite軟件開發(fā)設(shè)計專用人機界面，包括系統(tǒng)診斷、維護監(jiān)控、狀態(tài)顯示、操作指導(dǎo)和圖標顯示等功能；文本信息和日志界面可提供系統(tǒng)信息及用于故障排除的提示幫助等；監(jiān)控維護界面用于日常工況管理、模具狀態(tài)監(jiān)控、故障記錄等。人機界面示意圖如圖8所示。

圖8 專用人機界面與個性化功能示意圖

圖9 開放式人機界面與3D圖形模擬示意圖

（2）采用標準OPC服務(wù)器并應(yīng)用高級語言編程，設(shè)計開發(fā)的專有GUI人機界面，通過開放式界面與特有功能化設(shè)計，可實現(xiàn)加工模式自適應(yīng)、工藝數(shù)據(jù)采集與加工參數(shù)優(yōu)選、加工過程仿真與故障診斷與自檢等深層次應(yīng)用，其中的3D圖形實時模擬監(jiān)控功能也更具特色，如圖9所示。

（3）開發(fā)系統(tǒng)一體化伺服沖自動編程軟件并與開放式系統(tǒng)相集成，不僅實現(xiàn)系統(tǒng)的實時切換與編程操作，還可將系統(tǒng)開發(fā)的工藝數(shù)據(jù)應(yīng)用等功能與自動編程系統(tǒng)無縫對接，利用數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)測功能跟蹤采集沖壓數(shù)據(jù)，建立沖壓速度、板料特征、沖壓圖形等參數(shù)的優(yōu)化匹配模型，開發(fā)相應(yīng)的控制模式及程序軟件，使從圖紙到工件的過程更直接，提升了伺服沖加工效率與“智能化”水平，如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)一體化自動編程軟件界面示意圖

2 結(jié)束語

當前數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床伺服沖壓主傳動技術(shù)的發(fā)展趨勢，主要特征體現(xiàn)為高速、高效、節(jié)能、高可靠性、復(fù)合化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化等。近年來，濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司在積極跟蹤國際先進數(shù)控伺服沖壓技術(shù)的同時，著力于提高關(guān)鍵技術(shù)與核心技術(shù)的自主研發(fā)能力、提升產(chǎn)品的技術(shù)水平、加強創(chuàng)新和前瞻性技術(shù)的研究與應(yīng)用。

SPE21250-OS型數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的成功研制，突破現(xiàn)有傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)局限，以更為開放型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)建立新的技術(shù)平臺，進一步提升SP系列伺服沖“智能化”技術(shù)水平，使該系列產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先、高速度、高精度、高效率、低能耗以及性價比優(yōu)、可靠性強等優(yōu)勢得到更加充分的體現(xiàn)，在滿足相關(guān)行業(yè)用戶高效精密沖壓加工的需要的同時，為企業(yè)開拓了新的產(chǎn)品市場，并將成為未來發(fā)展的主導(dǎo)系列產(chǎn)品，也對提升我國此類數(shù)控板金加工技術(shù)與裝備的水平起到積極的作用。

[1]李 兵.數(shù)控伺服轉(zhuǎn)塔沖床的最新發(fā)展-Servo V.R可變連桿伺服主傳動技術(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（3）：13-17.

[2]李 兵，等.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床伺服沖壓技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2014，49（1）：14-19.

Exploration and application of servo control technology for CNC turret punch press

LI Bing
（Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.Ltd.,Jinan 250306,Shandong China）

SP21250-OS model CNC servo turret punch press has been researched and developed in the text on the basis of SVR servo main transmission patent.The MTX open CNC system control technology has been firstly developed and applied in China.Through introduction of technical proposal and content,the open CNC system has been proved to have advantages in the further development of patent technology and improvement of system performance for servo turret punch press.It provides reference for the reader to know the current technology status and development of the CNC turret punch press.

CNC turret punch press;SVR servo main transmission patent technology;MTX open CNC system;Servo punching control technology

TG385.1

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.008

1672-0121（2016）01-0033-05

2015－11－07；

2015－12－16

李 兵（1967-），男，研級高工，從事數(shù)控板材加工技術(shù)及設(shè)備研究開發(fā)。E-mail：libing@zds.com.cn