文／溫展飛·貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司 余蔚，歐陽春·河北沃克曼數(shù)控機械有限公司

貝加萊系統(tǒng)在高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床中的應(yīng)用

文／溫展飛·貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司 余蔚，歐陽春·河北沃克曼數(shù)控機械有限公司

中國制造2025規(guī)劃中有一項非常重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，即開發(fā)一批精密、高速、高效、柔性數(shù)控機床，而高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床就是屬于這一類型的機床。前幾年，國內(nèi)高速伺服直驅(qū)沖床的市場一直被國外公司占領(lǐng)，中國偶有企業(yè)投入研發(fā)和應(yīng)用卻都沒有取得非常好的進展，無論是機械設(shè)計，還是數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，都與國外產(chǎn)品存在比較大的差距。河北沃克曼數(shù)控機械有限公司在已有的技術(shù)上進行創(chuàng)新和再設(shè)計，針對數(shù)控鈑金加工行業(yè)，對數(shù)控系統(tǒng)在軟硬件上進行重新選擇和設(shè)計，最終實現(xiàn)了對同類產(chǎn)品的超越。

產(chǎn)品機械設(shè)計

德國工業(yè)4.0的一個重要環(huán)節(jié)是柔性生產(chǎn)，如果要在設(shè)備制造企業(yè)中實現(xiàn)柔性化的生產(chǎn)，就需要企業(yè)在設(shè)計、生產(chǎn)和管理的各個環(huán)節(jié)都最大限度地實現(xiàn)模塊化設(shè)計。沃克曼高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床在研發(fā)初期就按照這樣的要求，對機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)均進行了模塊化設(shè)計，如圖1所示。

機械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計主要體現(xiàn)在：沖頭的模塊化設(shè)計，可以實現(xiàn)沖頭的靈活搭配，同時又不會降低機器的可靠性；送料架的模塊化設(shè)計，可以滿足客戶對不同工作臺面的特殊要求；床身的模塊化設(shè)計，可以實現(xiàn)對于不同產(chǎn)品的靈活組合；轉(zhuǎn)盤的模塊化設(shè)計，可以滿足客戶對不同工藝的應(yīng)用要求；整體的模塊化設(shè)計，可以實現(xiàn)生產(chǎn)線的靈活搭配以及聯(lián)機控制。這些機械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計，使沃克曼高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床最終滿足了客戶定制化的要求。

數(shù)控系統(tǒng)

目前，市場上大部分的數(shù)控系統(tǒng)都是封閉式數(shù)控系統(tǒng)，無法滿足產(chǎn)品模塊化設(shè)計的要求。來自歐洲的貝加萊工業(yè)自動化數(shù)控系統(tǒng)不僅在硬件上采用了模塊化設(shè)計思路，而且在軟件上也實現(xiàn)了模塊化的設(shè)計，非常契合數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床柔性生產(chǎn)的設(shè)計要求。貝加萊工業(yè)自動化公司的數(shù)控系統(tǒng)是一個完全開放的數(shù)控系統(tǒng)，河北沃克曼公司充分理解了該系統(tǒng)的核心算法和核心控制軟件，為產(chǎn)品的升級和新產(chǎn)品的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。

在架構(gòu)設(shè)計上，貝加萊工業(yè)自動化的數(shù)控系統(tǒng)采用了軟件與硬件脫離的架構(gòu)模式，如圖2所示，最終實現(xiàn)了PLC、工業(yè)PC等控制器與數(shù)控系統(tǒng)的分離，并實現(xiàn)了伺服電機、液壓元件等執(zhí)行機構(gòu)與數(shù)控系統(tǒng)的分離，可以按配置要求進行靈活組合。

貝加萊數(shù)控系統(tǒng)的運行過程與機床邏輯以及數(shù)據(jù)計算均運行在同一個系統(tǒng)中，如圖3所示，CNC與人機界面（HMI）及其他的任何任務(wù)（TC）均處于同一任務(wù)等級和任務(wù)周期中，使得各種數(shù)據(jù)的實時交換得以實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用來完成比較復(fù)雜的功能，如，針對刀具信息的實時更改，根據(jù)當(dāng)前機床所使用刀具的工藝要求，對沖頭、X軸和Y軸實現(xiàn)加速和減速的實時調(diào)整；根據(jù)X、Y軸行程計算實現(xiàn)絲杠的定期維護；根據(jù)系統(tǒng)對各個刀具使用信息的處理，實現(xiàn)刀具的定期維護，使用戶實現(xiàn)靈活管理。在組建智慧工廠和智能生產(chǎn)系統(tǒng)時，可以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的上傳和命令的執(zhí)行，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供了信息基礎(chǔ)。

控制總線

當(dāng)今的主流現(xiàn)場總線都是采用以太網(wǎng)作為物理層的，市場上比較流行的實時以太網(wǎng)有POWERLINK、PROFINET、SERCOS III、Ethernet/IP、EtherCAT，這五種總線各有千秋，但依據(jù)現(xiàn)場控制的可靠性、實時性和高效性要求，POWERLINK有其獨特的優(yōu)勢，POWERLINK的運動控制和實時數(shù)據(jù)都比較強大，能夠?qū)崿F(xiàn)控制層數(shù)據(jù)與執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)的實時同步，保證了整個控制的準(zhǔn)確和實時，對系統(tǒng)的精度和速度都有比較好的保證。貝加萊系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用POWERLINK的實時以太網(wǎng)，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的傳遞到底層的執(zhí)行機構(gòu)中。

伺服系統(tǒng)

高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床對伺服系統(tǒng)的要求非常高，主要體現(xiàn)在高可靠性、高動態(tài)性、高穩(wěn)定性、高靈活性等方面。數(shù)控沖床常用的傳動機構(gòu)是絲杠，由于絲杠的剛度較小、長度較大，使其撓度也較大，這些特性對伺服系統(tǒng)的要求均比較高。同時，在不同位置時，絲杠的撓度對于負載的影響都不一樣，這就要求伺服系統(tǒng)對負載有自適應(yīng)功能，能夠根據(jù)不同負載來調(diào)整輸出，保證沖床高速度和高精度的要求。

貝加萊的伺服系統(tǒng)采用POWERLINK作為系統(tǒng)總線，能夠快速和高效地響應(yīng)控制器的命令，并且伺服驅(qū)動器有比較齊全的算法控制，例如前饋控制、擾動補償、自動濾波等功能。根據(jù)絲杠的波特曲線，我們采用了Biquad濾波的方法，有效的消除了系統(tǒng)的共振頻率和截止頻率，極大地提高了整個機床的速度和精度。另外，貝加萊的伺服系統(tǒng)可對負載進行建模，這一功能將會逐步應(yīng)用到高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床上，以大幅提高機床的速度。

直驅(qū)技術(shù)

高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床采用直驅(qū)技術(shù)來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的運行，這對直驅(qū)技術(shù)的可靠性提出了特別高的要求，河北沃克曼數(shù)控機械有限公司經(jīng)過攻堅和驗證，提高了直驅(qū)技術(shù)的可靠性，并達到了國際先進水平。

沃克曼高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床采用模塊化的機械設(shè)計，并配合貝加萊數(shù)控系統(tǒng)，整體提高了機床的精度和速度，使客戶產(chǎn)品實現(xiàn)定制化。