基于DSP的沖壓材料成型控制規(guī)律的研究

田曉強(qiáng)，易建軍，陳昌明，唐斌紅

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

1 引 言

隨著現(xiàn)代加工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服沖床被廣泛應(yīng)用于各種加工領(lǐng)域，其主要是對(duì)金屬材料進(jìn)行剪斷與塑性加工，包括剪斷加工、沖壓加工、彎曲加工、引伸加工、成型加工等。為滿足沖床多樣化的加工方式，對(duì)伺服系統(tǒng)的柔性提出了較高要求；同時(shí)對(duì)于材料的加工特性而言，材料內(nèi)部應(yīng)力的變化是影響材料加工質(zhì)量的主要因素，而材料的這種狀態(tài)特性可以描述成應(yīng)力-應(yīng)變-應(yīng)變速率曲面上的一個(gè)點(diǎn)，利用此特性使材料在加工時(shí)其形變沿著此曲線上的最佳曲線進(jìn)行，即可得到良好的加工效果[1]，這對(duì)系統(tǒng)在加工過程的可控性又提出了較高要求。

因此為了滿足以上兩方面要求，以某種材料的引伸加工方式為例，借助于Matlab中Simulink工具及Target for TI C2000工具進(jìn)行控制系統(tǒng)的建模與仿真，設(shè)計(jì)滿足要求的沖床控制器，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

2 伺服沖床的結(jié)構(gòu)與功能分析

伺服沖床是近年來適應(yīng)精密制造與高科技電子產(chǎn)品自動(dòng)化生產(chǎn)需要而產(chǎn)生的加工設(shè)備，采用數(shù)字伺服控制，可進(jìn)行多樣化的沖壓、鍛壓加工，沖壓成型可以實(shí)現(xiàn)全過程控制，具有高精度、高效率、節(jié)能環(huán)保、低噪音、低振動(dòng)的特點(diǎn)。按其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括螺桿式、連桿式及復(fù)合式伺服沖床。目前大多采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，即沖床機(jī)構(gòu)直接由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活。下面以直驅(qū)式伺服沖床為例[2]，對(duì)沖床結(jié)構(gòu)與功能作簡單介紹。

直驅(qū)式伺服沖床由DSP（TMS320F2812）模塊控制直驅(qū)式電機(jī)產(chǎn)生原動(dòng)力[3]，驅(qū)動(dòng)滾珠螺桿絲杠帶動(dòng)滑塊做上下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過改變電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速軌跡來控制并改變滑塊的單一運(yùn)動(dòng)速度軌跡，從而使其適應(yīng)不同材料及加工方式的需求。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括控制部分、采集部分、動(dòng)力部分以及床體部分。其中控制部分包括DSP控制器以及ARM控制器兩部分；采集部分包括絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信號(hào)采集、滑塊沖壓過程中的力值信號(hào)采集以及滑塊位置信號(hào)采集三部分；動(dòng)力部分包括伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分（松下MSMA502P1）與變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分（臺(tái)安EV300）；床體部分主要機(jī)架、工作臺(tái)、滾珠螺桿絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及滑塊及部分。其工作過程為：通過ARM（LPC2214）上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)定期望的滑塊速度軌跡輸送給伺服電機(jī)控制器（DSP），通過控制器來控制伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)滾珠螺桿絲杠機(jī)構(gòu)及滑塊運(yùn)動(dòng)，使得滑塊按照預(yù)定的速度軌跡運(yùn)動(dòng)（沖壓機(jī)的要求就是在非加工范圍內(nèi)要高速下降，加工范圍內(nèi)應(yīng)等速加工以及下死點(diǎn)停留時(shí)間延長和下死點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償）[4]，同時(shí)光柵檢測裝置將檢測到的絲杠旋轉(zhuǎn)角度信息及從動(dòng)機(jī)構(gòu)末端滑塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息反饋給控制器，控制器根據(jù)接受到的信息來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)直驅(qū)式電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而對(duì)滑塊的速度軌跡進(jìn)行修正及下死點(diǎn)的自動(dòng)補(bǔ)償操作。此種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，而且最大壓力可于滑塊行程的任意點(diǎn)處產(chǎn)生，因此加工比較靈活，但由于其輸出轉(zhuǎn)矩全由伺服系統(tǒng)提供，因此使得沖壓能力受到一定局限。

圖1 直驅(qū)式伺服沖床結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)開發(fā)方案

圖2 伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

該文主要研究伺服沖床在沖壓過程中的材料成型控制規(guī)律的問題，其主要是對(duì)滑塊的速度軌跡的控制，但對(duì)于滑塊的全閉環(huán)控制來說是十分復(fù)雜的系統(tǒng)，要得到理想的控制結(jié)果，對(duì)控制算法及其建模都有很高要求，而材料的最佳成型規(guī)律是在一定沖壓速率范圍內(nèi)的，因此在速度環(huán)上系統(tǒng)采用半閉環(huán)結(jié)構(gòu)，位置環(huán)上采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)的控制方式。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，輸入信號(hào)為期望的電機(jī)的速度軌跡，輸出信號(hào)為滑塊的實(shí)際速度軌跡，執(zhí)行元件為直驅(qū)式伺服電機(jī)，被控對(duì)象為滑塊，檢測裝置有光電編碼器（反饋電機(jī)的速度信息）與光柵尺（反饋滑塊的位置信息），其中虛線部分為DSP完成的控制算法，首先控制器計(jì)算并產(chǎn)生期望的速度軌跡信號(hào)，將此信號(hào)與反饋的速度信號(hào)相比較計(jì)算出所需值并將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的PWM波輸出給伺服控制器，控制器接受PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)直驅(qū)式電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制器通過控制PWM波的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊的做往復(fù)的沖壓運(yùn)動(dòng)；同時(shí)滑塊的位置信號(hào)反饋給控制器，控制器據(jù)此對(duì)電機(jī)運(yùn)動(dòng)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制。

根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，利用Matlab中Simulink工具快速地構(gòu)建一個(gè)具有相關(guān)功能的DSP系統(tǒng)作為伺服沖床系統(tǒng)的控制器，并對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試來驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性；借助于Matlab中專門針對(duì)該型號(hào)DSP芯片進(jìn)行編程的Target for TI C2000工具箱進(jìn)行圖框化編程[5]，結(jié)合具體的材料成型方式進(jìn)行控制算法的編寫工作，設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)要求的通用控制器，最后通過編譯，將Matlab中的框圖程序在CCS環(huán)境中轉(zhuǎn)換成C代碼并通過仿真器下載到具體的DSP芯片中，將DSP系統(tǒng)聯(lián)入到具體的伺服沖床系統(tǒng)中，就可以對(duì)所編寫的控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。不僅提高了開發(fā)效率，而且節(jié)約了開發(fā)時(shí)間與成本，同時(shí)使開發(fā)者從繁瑣的軟硬件設(shè)計(jì)及代碼編寫中釋放出來，將更多精力專注在控制算法及系統(tǒng)優(yōu)化上面。

4 系統(tǒng)模型構(gòu)建

根據(jù)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖，該文主要對(duì)速度環(huán)進(jìn)行建模與仿真，系統(tǒng)的程序框圖如圖3所示，其中Signal Generator模塊產(chǎn)生電機(jī)的期望的速度軌跡信號(hào)，此信號(hào)與反饋的速度信號(hào)相比較計(jì)算出所需值，此速度信號(hào)經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器后被送入Speed to Frequency模塊，此模塊負(fù)責(zé)將速度值轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的PWM波的頻率值作為伺服電機(jī)系統(tǒng)的輸入，輸出為電機(jī)的實(shí)際速度軌跡，Scope1與Scope2將分別描繪出速度軌跡曲線以及位移曲線。通過觀測器可直觀獲得仿真結(jié)果，以此來對(duì)PID各參數(shù)以及Signal Generator模塊的算法進(jìn)行及時(shí)修改[6]，以得到滿意的仿真結(jié)果。其主要包括包括伺服電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制器的建模。

4.1 伺服電機(jī)的建模

由于其作為一種機(jī)電控制元件，電動(dòng)機(jī)最終完成的是電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，因此它的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該包括機(jī)械和電氣兩部分，但事實(shí)上，由于永磁交流伺服系統(tǒng)的頻帶比整個(gè)伺服控制系統(tǒng)的信號(hào)頻帶寬很多，所以可以將其簡化為一階慣性環(huán)節(jié)[7]，其數(shù)學(xué)模型為：

τm為伺服電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)：

式中：JG——轉(zhuǎn)速慣量；

Ra——電樞電阻；

Ke——電勢常量；

KT——轉(zhuǎn)矩常量；

φ——電機(jī)磁通。

圖3 伺服系統(tǒng)閉環(huán)控制程序框圖

圖4 機(jī)械機(jī)構(gòu)建模流程圖

根據(jù)電機(jī)的這些制造參數(shù)，則可以精確的建立伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，就可以在后面的Simulink中進(jìn)行仿真分析。

4.2 機(jī)械機(jī)構(gòu)建模

如圖3中Adams_sub模塊為滾珠絲桿與滑塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，借助機(jī)械機(jī)構(gòu)借助于pro-E軟件進(jìn)行實(shí)體建模，之后將其導(dǎo)入到Adams仿真軟件中借助Adams/Controls模塊構(gòu)造系統(tǒng)樣機(jī)模型，確定各種約束與作用力，并將Adams/View或Adams/solver程序與Matlab控制軟件相結(jié)合，建立機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)共享Adams建立的樣機(jī)模型[8]，進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。其具體構(gòu)造流程如圖4所示。Adams_sub模塊接收伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，并輸出滑塊的速度信息。

4.3 控制器模型構(gòu)建

使用Matlab軟件中專門針對(duì)DSP進(jìn)行編程的Target for TI C2000工具包，快速構(gòu)建控制器模型，其主要包括F2812目標(biāo)參數(shù)設(shè)定功能模塊，用來確定開發(fā)板所選擇的DSP芯片的類型[9-10]；C2812QEP功能模塊，來讀取光電編碼器的脈沖值；C2812PWM功能模塊，用來輸出相應(yīng)的PWM波；Signal Generator模塊，用于產(chǎn)生期望的滑塊速度軌跡信號(hào)；PID Controller功能模塊，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)作用。其程序框圖如圖5所示，輸入PID模塊的基準(zhǔn)值為期望的滑塊速度軌跡，由Signal Generator模塊輸出，同時(shí)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與采集模塊得到的電機(jī)實(shí)際速度值相比較，通過PID調(diào)節(jié)計(jì)算出所需轉(zhuǎn)速，之后通過Speed to Frequency模塊將速度值轉(zhuǎn)換為PWM波的頻率值，由DSP自帶的PWM模塊產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形輸出給伺服驅(qū)動(dòng)器。最后將Matlab中的框圖程序在CCS環(huán)境中轉(zhuǎn)換成C代碼并通過仿真器下載到具體的DSP芯片中，對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

5 仿真與結(jié)果分析

圖6 滑塊位置預(yù)設(shè)圖

圖7 滑塊速度軌跡曲線

圖8 滑塊位移軌跡曲線圖

對(duì)于材料的加工特性而言，材料內(nèi)部應(yīng)力的變化是影響材料加工質(zhì)量的主要因素，而這種材料的這種狀態(tài)特性可以描述成應(yīng)力-應(yīng)變-應(yīng)變速率曲面上的一個(gè)點(diǎn)，利用此特性使材料在加工時(shí)其形變沿著此曲線上的最佳曲線進(jìn)行，即可得到良好的加工效果。以某種材料的沖壓引伸成形為例，其中各模塊所需參數(shù)如表1所示，設(shè)計(jì)其加工軌跡如圖6所示，要求沖壓時(shí)引伸速度在100 mm/s左右，滑塊的進(jìn)程與回程速度為200mm/s左右，在拐點(diǎn)B處滑塊進(jìn)入預(yù)壓狀態(tài)，速度開始減小，C處為沖壓時(shí)速度，基本可以滿足100mm/s的沖壓要求，拐點(diǎn)D處滑塊達(dá)到下死點(diǎn)進(jìn)入保壓狀態(tài)（這里設(shè)計(jì)保壓時(shí)間為零），速度為零，之后滑塊在E點(diǎn)開始回程加速，F(xiàn)點(diǎn)時(shí)回到工作起點(diǎn)。相應(yīng)的滑塊速度軌跡與位移軌跡曲線如圖7與8所示，可以發(fā)現(xiàn)，在預(yù)設(shè)的加工區(qū)間內(nèi)，滑塊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度能滿足加工要求。

表1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)

而且基于模型的設(shè)計(jì)方法大大提高了程序的可重用性。當(dāng)產(chǎn)品開發(fā)的不同步驟由不同的部門完成時(shí)，可使用同一的Matlab平臺(tái)。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)是以直驅(qū)式伺服沖床作為被控對(duì)象，通過一個(gè)在TMS320F2812處理器上實(shí)現(xiàn)的簡單材料引伸加工算法的例子，敘述了在Matlab平臺(tái)上設(shè)計(jì)材料成型控制規(guī)律的思路和大體流程，包括算法模型的設(shè)計(jì)與仿真，通過整個(gè)開發(fā)流程可以看出其開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，它使開發(fā)者從繁瑣的編寫和調(diào)試程序的工作中抽身出來，而更加專注與算法模型的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及最終結(jié)果的驗(yàn)證。這大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，降低了軟件開發(fā)成本，還可以提高各部門工作的協(xié)調(diào)性和兼容性。對(duì)設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好的伺服沖床控制系統(tǒng)，擴(kuò)大伺服沖床的加工范圍及提高產(chǎn)品加工質(zhì)量都具有積極作用。

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