項波

摘 要本文以寧波東睦新材料股份集團有限公司使用的德國CNC壓機為例，詳細說明液壓缸的動作過程和液壓控制原理。同時闡述液壓機CNC控制系統(tǒng)的組成與硬件配置。并以料斗抖動為例案，分析整個閉環(huán)控制的原理與影響因素。

【關(guān)鍵詞】CNC 伺服控制 閉環(huán)控制

CNC壓機在液壓控制和電氣控制系統(tǒng)中與傳統(tǒng)的壓機的控制方式有顯著的區(qū)別。它不僅具有順序邏輯控制功能，更重要的是采用數(shù)字指令信號對設(shè)備進行運動過程控制。通過其強大的硬件系統(tǒng)與專業(yè)軟件，實現(xiàn)靈活、精確、復(fù)雜的運動。但是CNC壓機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁雜使許多維修人員無處下手，下面以我公司德國CNC壓機為例，闡述部分液壓原理和控制系統(tǒng)。

1 壓機動作過程和液壓原理——以上缸為例

德國CNC壓機在上缸運動控制設(shè)定中，有多達17項參數(shù)。我們以最簡單的運動方式：從原始位快速向下——施壓至壓制位——保壓、減壓——快速回程以及相應(yīng)各種閥的控制狀況。如圖1。

快速向下：首先由1-Y2P調(diào)整設(shè)定壓力；1-Y2S處于打開位置；上下腔處于聯(lián)通狀態(tài)，能快速回油；1-Y7處于關(guān)閉狀態(tài)，供油僅在快速缸之間進行；同時打開1-Y3、1-Y4、1-Y5電磁閥，使油路夠成回路；再打開伺服閥1-Y1S（P—B，A —T）控制速度與壓力。整個上缸的回路見圖2。

壓制：各閥在原先的狀態(tài)下，上缸行至開始壓制位，1-Y1S伺服閥開口減小，速度減小；然后關(guān)閉1-Y2S閥，上缸由快速轉(zhuǎn)為慢速；打開1-Y7對主油缸加壓；1-Y1S開口增大，增加上缸壓力至設(shè)定值。液壓圖略

保壓、減壓：關(guān)閉1-Y2P，保持腔內(nèi)壓力；伺服閥1-Y1S轉(zhuǎn)置另側(cè)工作位，腔內(nèi)卸壓；液壓圖略。

快速回程：打開1-Y2P，系統(tǒng)重新建立壓力；關(guān)閉1-Y7，打開1-Y2S建立快速回油線路；增大1-Y1S（P—A，B —T）伺服閥開口。油路圖略。

在這個系統(tǒng)中我們使用到了通斷閥、比例閥、伺服閥、卸壓閥、插裝閥等，以上各閥的動作雖能保證動作進行，但是在動作切換上如何能減少油缸沖擊，保證壓力，行程到位，都通過傳感器、編碼器反饋至CNC系統(tǒng)進行運算，再通過伺服控制器、PLC控制各元件。

2 CNC控制系統(tǒng)的組成

CNC控制系統(tǒng)也稱為計算機數(shù)字控制系統(tǒng)，是以微型計算機為核心構(gòu)成，其大部分或全部數(shù)控功能是通過軟件實現(xiàn)的。其系統(tǒng)是軟件和硬件組成，其中硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。而壓機伺服系統(tǒng)屬位置、壓力隨動系統(tǒng)，以液壓缸的直線位移或是伺服閥的開口量為控制目標(biāo)的自動控制系統(tǒng)。它以CNC裝置輸出為指令，對伺服閥、比例閥等執(zhí)行部件進行控制，最終各油缸獲得要求的位移、速度和壓力。PLC全稱為可編程邏輯控制器，是一種順序邏輯自動控制裝置。隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的控制功能已遠遠超出邏輯控制的范疇，具有強大模擬量運算處理、脈沖控制、遠程通訊等功能強大的工業(yè)控制計算機。

如圖3所示，我公司800噸CNC控制系統(tǒng)采用兩級計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。上位機采用微型計算機，使用SMS MEER公司自己研發(fā)的工控軟件，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。下位機分為兩部份：一部分為S7-300系列的PLC，CPU模塊為CPU315-2DP，主要對各個輸入模塊以及總線傳來的指令、信號和數(shù)據(jù)進行運算處理，然后通過輸出模塊，輸出給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)需要的動作；另一部分為公司自行設(shè)計的CNC裝置，實時采集現(xiàn)場的數(shù)字量信號和模擬量信號（位置、壓力、轉(zhuǎn)角），送入CPU進行處理，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換、計算后輸出信號給伺服執(zhí)行機構(gòu)。它們?nèi)咧g通過PROFIBUX-DP總線形式連接。

3 閉環(huán)控制，故障分析

我公司CNC壓機上都有完善的位置檢測與反饋裝置，直接對壓機末端執(zhí)行部件的實際位置進行檢測和反饋，并根據(jù)指令位置與實際位置的偏差對壓機運動進行控制（在力控制模式下，對油缸壓力進行檢測和反饋，根據(jù)設(shè)定壓力與實際壓力的偏差對伺服閥或比例閥的開口進行控制），因此CNC壓機運行精度高，動作控制靈活，能做結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，但自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制要求高，成本很高。

圖4，是德國CNC區(qū)350壓機輔助缸閉環(huán)控制的原理圖。

微處理器7（E10-D1 CPU）根據(jù)通訊卡8（E10-D2 Communication）從上位機傳來的參數(shù)與CNC卡6（E10-D5 Slave）采集的數(shù)據(jù)經(jīng)比較計算，反傳信號給CNC卡6，由它輸出指令給伺服控制卡9（E13-D8 Servo card AN222）， 再伺服控制卡驅(qū)動伺服閥10，推動輔助缸11運動。輔助缸的運動軌跡經(jīng)磁環(huán)1（Magnet）和位置傳感器2（position Encoder），通過位置適配卡5（EN252 adapter card）編譯后傳給CNC卡6，通過CPU與原信號進行比較計算，再發(fā)出新的令。同理，如果是力控制模式，則通壓力傳感器3進行信號反饋。這樣，整個運動過程構(gòu)成一個閉環(huán)控制。

從這個閉環(huán)控制原理來看，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致壓機的不正常運行。見圖5，這是一個在實際工作中發(fā)生故障的案例。前提CNC的計算與處理是正常的，否則CNC壞了，我們在這里討論閉環(huán)控制是沒有任何意義。FIsi是料斗實際運行的軌跡，ch1是伺服控制卡發(fā)出的信號，ch2是伺服閥反饋信號。首先，我們看到料斗按要求能夠移動到位，但是料斗每次向前移動時，有兩段抖動信號，停止時信號正常。其次發(fā)現(xiàn)控制卡發(fā)出信號ch1與反饋信號ch2基本重合，說明伺服閥的隨動性良好。由于發(fā)出的信號出現(xiàn)鋸齒抖動，情況只有一個：發(fā)出的信號與CNC采集的信號之間的誤差沒有趨向性，已超出PDI調(diào)節(jié)范圍，呈現(xiàn)擺動誤差。所以我們從反饋回路進行檢查，由于料斗屬于位置控制，不多時我們發(fā)現(xiàn)位置傳感器中的磁環(huán)1（Magnet）松動。因為磁環(huán)的松動導(dǎo)致數(shù)據(jù)成跳躍性反饋，所以緊固磁環(huán)后故障排除。

4 總結(jié)

在學(xué)習(xí)和維修CNC壓機時，必須結(jié)合液壓原理和CNC控制原理。有些問題在液壓原理圖中能馬上反映信息，有些問題分析電氣控制原理才能指出液壓問題。有些問題則要通過液壓原理手動驗證電氣信號，才能發(fā)現(xiàn)問題。

參考文獻

[1]德國350噸、800噸CNC壓機操作手冊.

[2]SMS MEER公司 工程師答疑郵件.

作者單位

寧波東睦新材料集團股份有限公司 浙江省寧波市 315000