TwinCAT在伺服壓機線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/王偉，高貴麟，王濤，侯建勛·一汽轎車股份有限公司

伺服壓機線已成為當前國內(nèi)外沖壓領(lǐng)域高效生產(chǎn)設(shè)備之一，它不僅可以提高沖壓車間的生產(chǎn)效率而且還可降低能源消耗，伺服主電機驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)的儲能電機在工作過程中通過電動和發(fā)電狀態(tài)的頻繁切換可以降低對電網(wǎng)沖擊，同時還可以保證壓力機在突然斷電時滑塊可以安全回到上死點，提高了整線的安全性。較高的整線自動化集成直接減少了沖壓車間員工的人數(shù)，降低了工廠間接投資成本，是未來工業(yè)4.0發(fā)展的硬件基礎(chǔ)。

目前主流伺服壓機線伺服控制中核心的電氣系統(tǒng)是由Bechkoff公司開發(fā)基于PC機的TwinCAT實時運動控制系統(tǒng)組成，強大的運動控制功能不僅可以實現(xiàn)高速的節(jié)拍要求，同時還兼顧開放的多功能界面，使用戶可以開發(fā)出多元化的應(yīng)用界面。本文以一汽轎車公司伺服壓機線為例，介紹了TwinCAT實時運動控制系統(tǒng)在伺服壓力機中的應(yīng)用。

TwinCAT實時控制系統(tǒng)介紹

TwinCAT特點

TwinCAT是基于PC機的實時控制系統(tǒng)，特點如下：⑴不改變Windows環(huán)境；⑵順序控制（軟PLC）；⑶運動控制（軟移動控制）。

TwinCAT系統(tǒng)構(gòu)成

TwinCAT系統(tǒng)構(gòu)成參見圖1，特性如下：⑴先進的PLC編程系統(tǒng)，符合IEC61131-3編程語言標準；⑵多語言開發(fā)、庫管理器和在線調(diào)試功能；⑶PLC調(diào)試器（軟PLC），可實現(xiàn)在線監(jiān)控、流程監(jiān)控、采樣跟蹤等功能。

圖1 TwinCAT系統(tǒng)構(gòu)成

伺服壓力機控制系統(tǒng)

伺服壓機控制系統(tǒng)組成

圖2 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單臺伺服壓力機控制系統(tǒng)如圖2所示，壓力機控制系統(tǒng)主要由PLC邏輯控制單元、安全控制系統(tǒng)、Beckhoff-PC運動控制系統(tǒng)組成。

⑴PLC邏輯控制單元，是整線壓力機的邏輯控制核心，信號的輸入、輸出控制關(guān)系都由PLC來實現(xiàn)。PLC通過Profinet、Profibus和ProfiSafe網(wǎng)絡(luò)與外圍硬件通訊。

⑵安全控制系統(tǒng)，用來集成和控制伺服壓力機所有與安全相關(guān)的因素如：急停、光柵、安全門等。傳統(tǒng)壓力機的安全控制器選用PILZ的PSS3000系列作為主控制單元，隨著西門子具有安全功能的PLC應(yīng)用越來越廣，伺服壓力機采用具有安全功能的319F系列PLC也越來越多。

⑶運動控制系統(tǒng)，由TwinCAT實時運動控制系統(tǒng)作為運動控制核心，TwinCAT實時控制和動態(tài)調(diào)節(jié)壓力機系統(tǒng)從而實現(xiàn)滑塊角度、伺服壓力機、傳輸機構(gòu)之間的聯(lián)動控制。

⑷主電機驅(qū)動系統(tǒng)，選用西門子SINAMICS S120驅(qū)動器，控制單元為CU320。

伺服壓力機控制框圖

伺服壓力機控制框圖如圖3所示，操作者通過人機交互界面HMI輸入沖程，S7邏輯控制單元經(jīng)過處理和運算后傳給運動控制器，運動控制器將速度和位移等參數(shù)作為給定傳給S120，S120控制伺服電機實現(xiàn)壓力機運動。壓力機控制系統(tǒng)通過對伺服電機力矩、速度、位移三重閉環(huán)控制實現(xiàn)壓力機的動態(tài)調(diào)節(jié)。

TwinCAT在伺服控制系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

TwinCAT NC運動系統(tǒng)將伺服壓力機分為4個主伺服軸，2個凸輪表。伺服軸包括：SPM軸（主軸）；MPM軸（機械軸）；Z軸（滑塊運動軸）；Moto軸（電機軸），Moto軸可根據(jù)伺服電機數(shù)量多少來進行二次拓展。

TwinCAT伺服控制結(jié)構(gòu)

⑴TwinCAT伺服軸。

伺服軸的所有特性參數(shù)均在TwinCAT系統(tǒng)管理庫中設(shè)置，如：速度、加速度、沖量（Jerk）等。

圖3 伺服壓力機控制框圖

SPM軸（主軸）：用于協(xié)調(diào)壓力機及整線之間的相對運動，保證整線各個運動機構(gòu)以最大節(jié)拍運動且相對獨立運行不發(fā)生干涉。主軸是虛擬軸，TwinCAT系統(tǒng)管理器中配置為模擬量編碼器，以固定速度運行。

MPM軸（機械軸）：壓力機運動軸。實軸，通過模擬量編碼器采集信號，運動過程中速度實時變化，位置數(shù)據(jù)通過Porfibus總線與TwinCAT交換。

Z軸（滑塊運動軸）：滑塊上下往復(fù)運動軸，編碼器安裝在滑塊傳動齒輪軸伸端，通過旋轉(zhuǎn)角度和直線距離之間的換算關(guān)系將編碼器旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為滑塊的直線距離。位置數(shù)據(jù)通過Porfibus總線與TwinCAT通訊。

Moto軸（電機軸）：電機軸的位置通過電機編碼器采集。主電機驅(qū)動控制單元CU320通過Drive-Cliq與伺服電機編碼器信號采集板SMC20實時通訊；CU320通過Profibus總線與TwinCAT實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

⑵凸輪表。

伺服軸的運動位置通過凸輪表實現(xiàn)耦合，凸輪表分為SPM和MPM 2個凸輪表，參見圖4。SPM凸輪表角度差為2°，角度范圍為：0°～360°（圖5）。MPM凸輪表角度差為0.5°，角度范圍為：0°～360°（圖6）。

NC伺服軸在每個角度的位置設(shè)定值參考凸輪表給定之后，伺服軸的運動速度按照凸輪表中角度變化換算成角速度后作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的給定值。

⑶伺服軸單動、聯(lián)動控制。

TwinCAT通過PLC管理庫進行運動控制邏輯編程，PLC使用TwinCAT系統(tǒng)自帶的功能塊和編輯的功能塊來實現(xiàn)復(fù)雜的運動控制，主要由主動軸-從動軸級聯(lián)、電子凸輪模塊來實現(xiàn)運動控制。

圖4 凸輪表

圖5 SPM凸輪表

圖6 MPM凸輪表

壓力機單動運動控制：在啟動之前，各個伺服軸通過PLC直接讀取各個軸的實際位置和獲取當前沖程數(shù)，壓力機SPM軸通過整線沖程設(shè)定值計算出耦合角度（GearPostion）。在耦合角度之前SPM軸、MPM軸以各自凸輪表軌跡運行，運行到耦合角度時，SPM軸作為主動軸，MPM軸作為從動軸通過凸輪標準功能模塊來實現(xiàn)耦合，通過樣條插值（線性插值）實現(xiàn)運算，壓力機進入伺服軸的主從控制模式。

整線伺服聯(lián)動運動控制：整線狀態(tài)下主動軸為整線SPM軸，從動軸為傳輸臂；整線通過整線SPM軸作為主軸來控制從動軸傳輸臂，傳輸臂控制伺服壓力機使能，各個傳輸臂之間角度動態(tài)變化。首臺伺服壓力機傳輸臂的角度作為整線運行角度的參考值，其余傳輸臂與其形成動態(tài)相位差。

TwinCAT在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

⑴高柔性的工藝適應(yīng)能力。

傳統(tǒng)機械壓力機滑塊運動曲線是由機械傳動結(jié)構(gòu)所決定的，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計后滑塊運動曲線隨之固定，而伺服壓力機的滑塊運動曲線通過TwinCAT進行數(shù)控編程，滑塊曲線可以實現(xiàn)六連桿、八連桿、偏心輪等多種運動曲線，大大提高了壓力機的工藝能力和加工性能。

⑵生產(chǎn)效率提高。

由于滑塊運動曲線可編程使得滑塊速度可調(diào)，相同生產(chǎn)節(jié)拍下滑塊可以提高非工作行程的速度，降低工作行程的速度。

⑶整線節(jié)能更多。

傳統(tǒng)機械壓力機由電機驅(qū)動飛輪運轉(zhuǎn)，通過離合制動器的結(jié)合，將電機和飛輪的能量傳遞至中間傳動齒輪，齒輪帶動滑塊上下運動實現(xiàn)模具的打開、閉合。當滑塊停止在上死點時飛輪空轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大能耗，而伺服壓力機則是由TwinCAT控制系統(tǒng)帶動伺服電機通過中間傳動齒輪直接驅(qū)動滑塊，減少能耗。

⑷安全性更高。

TwinCAT通過周期性的制動檢測來實現(xiàn)壓力機的安全保護，每隔8h壓力機必須進行伺服電機的制動檢測，檢測通過后壓力機方可繼續(xù)運行，逾期檢測壓力機全線停止。

結(jié)論

TwinCAT系統(tǒng)通過NC運動控制功能，將壓力機分為多個伺服軸，通過對各個軸的角度進行精確控制從而實現(xiàn)滑塊曲線的柔性化編程。TwinCAT實時運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了伺服壓力機的高節(jié)拍運行及高控制精度。而且強大的PC平臺兼容性保證了TwinCAT系統(tǒng)可以基于PC硬件基礎(chǔ)實現(xiàn)伺服壓力機的高速度、高柔性、高動態(tài)響應(yīng)的實際生產(chǎn)需求。