秦家正，萬(wàn)靜嫻，徐學(xué)鵬，胡亦恒

（1.江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省金屬板材智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225200）

伺服同步控制技術(shù)是目前折邊機(jī)、折彎?rùn)C(jī)滑塊控制領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。使用伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)直接帶動(dòng)滑塊本體，相比較傳統(tǒng)液壓控制，具備更高的響應(yīng)速度和控制精度，降低傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的復(fù)雜度、能耗和噪聲等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，由于常規(guī)的電子齒輪運(yùn)動(dòng)控制控制精度較低且實(shí)現(xiàn)難度較大，因此本文在折邊機(jī)的專用系統(tǒng)上，對(duì)四軸龍門控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究和開(kāi)發(fā)，以能夠提供成熟的應(yīng)用解決方案。

本文基于西門子840Dsl 系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，針對(duì)四軸龍門的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行了一些探索和研究。

1 設(shè)計(jì)原理與需求分析

全電伺服折邊機(jī)產(chǎn)品的滑塊部件，其功能和控制需求與折彎?rùn)C(jī)滑塊具有較高的相似性。整體機(jī)械結(jié)構(gòu)上從左到右依次為Y1、Y2、Y3、Y4 四個(gè)伺服電機(jī)通過(guò)減速機(jī)與4 個(gè)曲柄連桿相連接帶動(dòng)滑塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 滑塊機(jī)構(gòu)示意圖

西門子840D 中龍門軸（gantry axises）與同步軸（coupled axises）功能差別在于：前者為軸組，作為某一個(gè)坐標(biāo)軸同步運(yùn)行使用，即在一個(gè)軸組內(nèi)的所有軸均為位置環(huán)控制，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所有軸坐標(biāo)均保持一致；而后者為主從軸，僅會(huì)保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離一致。并且在實(shí)際應(yīng)用中，電子齒輪的實(shí)現(xiàn)方案缺少位置糾正功能，在斷使能后軸位置會(huì)出現(xiàn)偏差，此時(shí)電子齒輪無(wú)法對(duì)位置進(jìn)行同步糾正。

同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)同步軸的回參、急停以及異?；謴?fù)等均需手動(dòng)PLC 編程進(jìn)行處理，可靠性不高?？紤]到操作以及編程的實(shí)現(xiàn)難易程度最終選用龍門控制方案實(shí)現(xiàn)滑塊四軸同步控制。

2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制需求分析

根據(jù)滑塊定位和壓緊力控制的工況?？刂品桨笐?yīng)能夠解決以下幾點(diǎn)主要控制需求：

（1）實(shí)現(xiàn)滑塊機(jī)械結(jié)構(gòu)的四軸聯(lián)動(dòng)；

（2）需要實(shí)現(xiàn)四軸位置以及速度同步控制；

（3）需要考慮機(jī)械特性等因素帶來(lái)的控制指令死區(qū)問(wèn)題。

2.2 方案設(shè)計(jì)思路

西門子系統(tǒng)中，使用“龍門軸”功能，最大可以同時(shí)進(jìn)行三對(duì)進(jìn)給軸實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械偏差的位移。本方案的思路是通過(guò)將Y1 作為主軸，Y2、Y3、Y4 作為從軸，實(shí)現(xiàn)三對(duì)進(jìn)給軸的同步控制。西門子840Dsl 系統(tǒng)龍門配置參數(shù)介紹如表1 所示。

表1 龍門軸參數(shù)介紹

實(shí)際各軸參數(shù)配置如表2 所示。

表2 軸參數(shù)配置

2.3 同步控制的實(shí)現(xiàn)方案

由于折邊機(jī)滑塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，要想實(shí)現(xiàn)四軸曲柄連桿的同步控制，在電氣調(diào)試之前需要對(duì)滑塊進(jìn)行機(jī)械調(diào)平。

調(diào)試方案如下。

（1）滑塊安裝之前，需要對(duì)曲柄連桿的相位角進(jìn)行校準(zhǔn)，曲柄連桿結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示。定義相位角為α，令

圖2 曲柄連桿示意圖

則

整理可得滑塊位移S 與相位角α 關(guān)系表達(dá)式為

（2）位置測(cè)量系統(tǒng)采用的是絕對(duì)值編碼器，編碼器標(biāo)定完成后無(wú)需額外回參操作。這里使用電子傾斜儀對(duì)四軸曲柄連桿相位角α 進(jìn)行角度位置標(biāo)定，得到角度值后對(duì)編碼器進(jìn)行設(shè)置。

（3）相位角標(biāo)定完成后即可將曲柄連桿與滑塊進(jìn)行連接安裝，如圖3 所示。

圖3 曲柄連桿連接滑塊

（4）安裝完成后向下運(yùn)動(dòng)滑塊，并在壓緊位置查看扭矩。以塞尺進(jìn)行檢測(cè)，確保裝配間隙，如圖4 所示。

圖4 安裝間隙檢測(cè)

（5）檢測(cè)完成即可進(jìn)行滑塊全行程運(yùn)行測(cè)試，并進(jìn)行扭矩監(jiān)控，確保運(yùn)行過(guò)程中4 軸扭矩不超過(guò)8N·m。

（6）啟用螺距誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)為250，設(shè)置完成將滑塊在開(kāi)口5mm～208mm 的位置進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，確保過(guò)程四軸扭矩一致，若扭矩差值無(wú)誤，則調(diào)試準(zhǔn)備完成。

3 測(cè)試和驗(yàn)證

樣機(jī)在快下、快上兩種模式下進(jìn)行實(shí)際定位運(yùn)動(dòng)，測(cè)試程序如下。圖5～圖8 分別為運(yùn)動(dòng)過(guò)程的實(shí)際從軸與主軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程位置與速度誤差對(duì)比采樣曲線，具體數(shù)值見(jiàn)表3。

圖5 快上運(yùn)動(dòng)位置誤差采樣曲線

圖6 快下運(yùn)動(dòng)位置誤差采樣曲線

表3 定位運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 快上運(yùn)動(dòng)速度誤差采樣曲線

圖8 快下運(yùn)動(dòng)速度誤差采樣曲線

4 結(jié)論

（1）基于西門子840Dsl 通用型數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)多軸龍門的控制方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)四軸曲柄連桿這一類特殊伺服滑塊控制系統(tǒng)的位置、速度同步控制。

（2）本文提出的這種方案，優(yōu)點(diǎn)在于：在進(jìn)行多軸同步控制的場(chǎng)合或是機(jī)床產(chǎn)品上，能夠使通用型數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多軸的位置以及速度高精度同步控制需求。

（3）這種方案在數(shù)控板料折邊機(jī)產(chǎn)品中已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，對(duì)于工況以及控制需求接近的應(yīng)用場(chǎng)合，具有參考意義，并且通過(guò)移植和改進(jìn)調(diào)整，具有一定的實(shí)用價(jià)值。