基于EtherCAT 總線(xiàn)的純電伺服折彎?rùn)C(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林海龍，浦進(jìn)捷，雷斌華，李振光

（1.寧波博信機(jī)械制造有限公司，浙江 寧波 315800；2.瑞鐵機(jī)床（蘇州）股份有限公司，江蘇 太倉(cāng) 215000）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展以及人工成本的提高，市場(chǎng)對(duì)高精度、高效率、操作簡(jiǎn)便的設(shè)備更加青睞。在鈑金加工設(shè)備中，純電伺服數(shù)控折彎?rùn)C(jī)順應(yīng)市場(chǎng)需求，近年來(lái)得到快速發(fā)展。

全電伺服折彎?rùn)C(jī)因其具備節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、效率高、精度好等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)大背景下，成為眾多設(shè)備制造商研發(fā)的重要項(xiàng)目。瑞鐵機(jī)床作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的全域鈑金加工設(shè)備制造商，推出了一種多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的純電伺服數(shù)控折彎?rùn)C(jī)（已獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)：ZL202011465863.8）。該項(xiàng)技術(shù)大幅提升了純電折彎?rùn)C(jī)有效載荷噸位，進(jìn)一步提高了純電技術(shù)在鈑金折彎行業(yè)的應(yīng)用范圍；同時(shí)多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要求設(shè)備控制系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)線(xiàn)路具備完善的保護(hù)措施，對(duì)于電氣系統(tǒng)中通訊控制、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)控等方面提出了相對(duì)更高的要求；傳統(tǒng)折彎?rùn)C(jī)運(yùn)動(dòng)軸由Y1、Y2 主軸兩個(gè)油缸帶動(dòng)滑板做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)并持續(xù)提供較高負(fù)載折彎力，X、R 軸為輔助軸帶動(dòng)后擋料的前后上下運(yùn)動(dòng)負(fù)載較小。本文中涉及的多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)將Y 軸的數(shù)量從傳統(tǒng)的2 個(gè)增加到4個(gè)，變?yōu)閅1-1、Y1-2、Y2-1、Y2-2，分別置于折彎?rùn)C(jī)滑塊對(duì)應(yīng)軸位的兩側(cè)，如何保證4 個(gè)軸位的伺服電機(jī)控制的同步性成為研究的難點(diǎn)。

該設(shè)備采用匯川70X 系列中型PLC 為控制系統(tǒng)核心，此系列PLC 配備嵌入式一體化觸摸屏可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，有效提高了電氣硬件空間的利用；匯川InoProShop 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用了CoDeSys 為內(nèi)核，支持IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言編程，具有靈活的功能塊庫(kù)、離線(xiàn)仿真功能、智能調(diào)試查錯(cuò)功能及采樣跟蹤功能，是較理想的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了折彎?rùn)C(jī)快下、工進(jìn)、回程運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能,后擋料運(yùn)動(dòng)模塊、扭矩偏差保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)采集等功能，同時(shí)采用InoTouchPad 設(shè)計(jì)了可視化界面，便于用戶(hù)的操作使用以及監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)等。設(shè)備經(jīng)過(guò)折彎負(fù)載測(cè)試、重復(fù)定位精度測(cè)試等，折彎負(fù)載力可達(dá)設(shè)計(jì)目標(biāo)，折彎快下、工進(jìn)、回程，速度勻稱(chēng)，折彎件角度精準(zhǔn)穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足折彎?rùn)C(jī)的各項(xiàng)工藝要求，并已在市場(chǎng)中得到驗(yàn)證。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的純電伺服折彎?rùn)C(jī)采用一主多從的控制模式，主站基于Intel Celeron 3855U 處理器和Linux 操作系統(tǒng)的70X 顯控一體機(jī)，從站為Y 軸以及后擋料軸的交流伺服驅(qū)動(dòng)器，每一組伺服驅(qū)動(dòng)器為一個(gè)從站，從站和從站之間使用EtherCAT進(jìn)行通訊，EtherCAT 對(duì)于數(shù)據(jù)幀處理的實(shí)時(shí)性很高，數(shù)據(jù)刷新周期小于100μs，滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)性高要求的場(chǎng)合，適合對(duì)多個(gè)伺服軸執(zhí)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)等場(chǎng)景的應(yīng)用。如圖1 所示。

圖1 EtherCat 總線(xiàn)拓?fù)?/p>

PLC 作為主站會(huì)在每個(gè)通訊周期發(fā)送報(bào)文幀至各個(gè)從站，主要為目標(biāo)位置、速度、控制字等等，伺服驅(qū)動(dòng)和伺服交流電機(jī)上傳其實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)速度等到PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)整體的折彎動(dòng)作控制，同時(shí)通過(guò)外部光柵尺反饋折彎?rùn)C(jī)滑塊的實(shí)時(shí)位置，與主軸伺服電機(jī)內(nèi)部編碼器形成全閉環(huán)。

本文中設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制的核心就是電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制PID 算法。PID（比例—積分—微分）是一種通過(guò)控制系統(tǒng)的偏差來(lái)調(diào)整輸入信號(hào)的線(xiàn)性反饋控制算法。通俗地說(shuō)，它可以給出使被控對(duì)象（電機(jī)）快速準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)的指導(dǎo)方案。如圖2 所示。

圖2 常規(guī)的模擬PID 控制系統(tǒng)原理框圖

2 折彎?rùn)C(jī)運(yùn)動(dòng)控制PID 分析理論

該系統(tǒng)由模擬PID 控制器和被控對(duì)象組成。

若定義u（t）為控制輸出，PID 算法可用下式表示：

式中：Kc為比例增益；Ti為積分時(shí)間；Td為微分時(shí)間；e（t）為偏差；e（t）=r（t）-c（t）；r（t）為控制系統(tǒng)設(shè)定；c（t）為控制系統(tǒng)的閉環(huán)輸出。

2.1 比例控制作用

比例（P）控制的輸出與輸入的偏差可呈表達(dá)式up（t）=Kce（t），Kc 是比例增益，偏差越大，比例控制作用的輸出up（t）也越大。比例控制作用能夠減小偏差。

2.2 積分控制作用

積分控制作用的輸出與偏差隨時(shí)間的累積量成正比。

只要存在偏差，積分控制作用輸出就會(huì)不斷累積，使偏差減小到等于零，或者使控制器輸出達(dá)到輸出上限或下限。積分控制作用用于消除余差。積分控制輸出等于比例控制輸出時(shí)所需的時(shí)間是積分時(shí)間Ti。積分時(shí)間Ti 越小，比例積分控制輸出曲線(xiàn)的斜率越大，控制作用越強(qiáng)。

2.3 微分控制作用

引入微分控制的目的是改善高階系統(tǒng)的控制品質(zhì)。微分控制作用是按偏差變化率的控制。因此，引入微分控制作用可改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而相同穩(wěn)定性需要下引入微分，可提高比例增益，減小最大偏差或超調(diào)量，縮短過(guò)渡過(guò)程的回復(fù)時(shí)間，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。

為了達(dá)到多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制,引入PID 算法，對(duì)折彎?rùn)C(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的三個(gè)基本動(dòng)作分別設(shè)置了速度前饋、速度增益，同步積分、位置增益、同步增益如圖3 所示，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的調(diào)整來(lái)使整個(gè)折彎動(dòng)作流暢、精準(zhǔn)運(yùn)行。

圖3 動(dòng)作參數(shù)調(diào)整

3 折彎?rùn)C(jī)動(dòng)作流程設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)上電后會(huì)檢查與各個(gè)從站的通訊狀態(tài)，如有異常會(huì)提示報(bào)警，手動(dòng)電機(jī)使能—松開(kāi)主軸抱閘，每次系統(tǒng)重新上電都會(huì)需要折彎?rùn)C(jī)滑塊以及后擋料重新尋找參考點(diǎn)，滑塊尋參完成，通過(guò)輸入的折彎工藝參數(shù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算折彎位置、噸位、保壓時(shí)間等數(shù)據(jù)；啟動(dòng)運(yùn)行折彎程序，輔助軸開(kāi)始運(yùn)行至目標(biāo)位置，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，收到下行命令后開(kāi)始折彎動(dòng)作。

圖4 控制系統(tǒng)主流程圖

4 系統(tǒng)保護(hù)功能

針對(duì)滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)的純電折彎?rùn)C(jī)，系統(tǒng)中設(shè)置有相應(yīng)的保護(hù)措施，來(lái)防止發(fā)生折彎?rùn)C(jī)兩側(cè)滑板距離偏差過(guò)大或者電機(jī)扭矩過(guò)大,對(duì)上下模具甚至是絲桿造成不可逆的損傷，保護(hù)方向主要分為兩個(gè)方面。

4.1 位置偏差過(guò)大

本設(shè)備配備了GIVI 光柵尺置于滑塊兩側(cè)，通過(guò)光柵尺移動(dòng)來(lái)檢測(cè)折彎?rùn)C(jī)滑塊的實(shí)時(shí)位置，同時(shí)該控制系統(tǒng)選用的ISMG 系列交流伺服電機(jī)內(nèi)部配置光編23 位編碼器，在滑塊往復(fù)的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)光柵尺和編碼器反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，一旦偏差值超過(guò)設(shè)定的范圍值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)停止動(dòng)作。

4.2 僵持報(bào)警

對(duì)于多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的純電伺服折彎?rùn)C(jī)，在折彎力負(fù)載超過(guò)電機(jī)所能給定的極限時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中電機(jī)在對(duì)折彎?rùn)C(jī)滑塊兩側(cè)進(jìn)行下壓輸出時(shí)受到的負(fù)載力不可能是完全均勻的，一側(cè)的電機(jī)一定會(huì)首先超過(guò)極限而后進(jìn)行制動(dòng)，隨后另一側(cè)也進(jìn)行制動(dòng)，雖然整個(gè)過(guò)程非常短暫，但是滑塊會(huì)因?yàn)檎蹚澕南聣毫λ查g釋放導(dǎo)致滑板兩側(cè)位置產(chǎn)生偏差，影響電機(jī)對(duì)絲桿出力的扭矩，如下ST 文本所示，在程序中通過(guò)限制驅(qū)動(dòng)器在折彎?rùn)C(jī)工作過(guò)程中反饋給系統(tǒng)的扭矩值提前限制扭矩。

扭矩限制是通過(guò)PDO 給驅(qū)動(dòng)的，直接賦值PDO給的這兩個(gè)對(duì)象字典如圖5 所示。

圖5 PDO 賦值

5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面統(tǒng)稱(chēng)為HMI，是用戶(hù)和系統(tǒng)之間交流的媒介，用于顯示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和向系統(tǒng)發(fā)送指令。InoTouchPad 采用QT 的編程內(nèi)核，基本的控件元素包括指示燈、按鈕、文字和框架等；進(jìn)入視圖編輯頁(yè)面在通訊一欄中找到所有變量導(dǎo)入系統(tǒng)中所關(guān)聯(lián)的變量，并對(duì)視圖中的選項(xiàng)、按鍵等賦予新的變量如圖6 所示，具體的執(zhí)行邏輯通過(guò)“按鍵”和控件屬性選擇“編輯位”InvertBitInTag 邏輯指令來(lái)舉例，對(duì)變量的值進(jìn)行1 和0 之間的切換，如：1 為開(kāi)啟，0為關(guān)閉，通過(guò)選擇事件中的控件動(dòng)作，如“按下”、“單擊”、“釋放”來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)“編譯”確認(rèn)。

圖6 變量賦值

本次設(shè)計(jì)折彎?rùn)C(jī)可視化界面主要分為主界面、參數(shù)設(shè)置界面兩種。在主界面中可以通過(guò)軟面板按鈕對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行使能以及實(shí)現(xiàn)回零、開(kāi)啟照明燈等功能，本系統(tǒng)運(yùn)用了先進(jìn)的折彎算法，通過(guò)輸入折彎件的板寬、板厚、折彎?rùn)C(jī)角度等參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出折彎下死點(diǎn)的位置值和折彎力所需大小等等；調(diào)試界面主要的功能是對(duì)折彎?rùn)C(jī)滑塊的運(yùn)行動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整、診斷、以及監(jiān)控運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)等功能；手動(dòng)界面可以從主界面選擇進(jìn)入對(duì)折彎?rùn)C(jī)的主軸以及各后擋料軸進(jìn)行單獨(dú)的控制，基本設(shè)置界面可以進(jìn)行模具編輯、材料編輯，以及機(jī)床屬性、語(yǔ)言、系統(tǒng)升級(jí)等操作。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多驅(qū)組合式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的純電伺服折彎?rùn)C(jī)，基于匯川InoProShop 作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用匯川70X 系列工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，采用InoTouch Editor 為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了UI 可視化界面，運(yùn)用了Ether-CAT 總線(xiàn)的一主多從控制模式，在PID 算法的基礎(chǔ)上建立了運(yùn)動(dòng)功能塊，同時(shí)設(shè)計(jì)了電機(jī)的僵持保護(hù)和偏差保護(hù)等系統(tǒng)保護(hù)措施，設(shè)備經(jīng)過(guò)折彎負(fù)載測(cè)試，重復(fù)定位精度測(cè)試，測(cè)試下折彎負(fù)載力可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，折彎動(dòng)作平穩(wěn)，折彎工件角度精準(zhǔn)穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足折彎?rùn)C(jī)的工藝要求，并已在市場(chǎng)中得到驗(yàn)證。

圖7 可視化界面構(gòu)圖