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交流伺服系統在貨架冷彎成型線中的應用
摘 要：針對本公司貨架冷彎成型線的交流伺服控制系統的技術特點和產品工藝要求，結合三菱系列伺服驅動器及伺服驅動電機的實際應用，分析了系統應用其解決定長控制的設計思想和控制原理。實際應用控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累積誤差，能達到較高精度位置控制的目的和要求。關 鍵 詞：交流伺服系統 定長控制 位置控制
1 、引言
1.1在貨架立柱冷彎成型生產線中導入在線預沖孔工序和在線液壓停剪技術，既擴大了貨架立柱的截面形狀的設計范圍和制造精度，又滿足了貨架鋼結構體系設計與裝配上的要求，極大地優(yōu)化了貨架鋼結構組成機理，特別是當立體倉庫（AS/RS）系統在我國的興起和廣泛發(fā)展，對貨架立柱的孔位精度、長度控制等方面提出了更高要求。
1.2本文就進口的貨架立柱冷彎成型生產線利用交流伺服控制原理實現的在線預沖孔和在線液壓停剪控制裝置進行分析探討，力求實現在很多冷彎場合達到較高位置精度控制的目的和要求，與同行共勉。
2、貨架冷彎成型線的工作原理
2.1貨架冷彎成型線基本生產工藝及設備構成：
2.1.1貨架組件的一般生產工藝為： 開卷——校平——在線伺服送料沖孔——成型軋制——矯直——定尺切斷（或伺服跟蹤切斷）——打包——后期噴涂處理等；
2.1.2相對應的設備為：開卷機——校平機——伺服送料裝置——壓力機——冷彎軋制機組（二十站左右）——矯直頭——液壓切斷裝置和液壓站——打包機或其它附屬設備+電氣控制系統等。
2.2貨架冷彎成型線交流伺服控制系統的基本原理：
如圖一所示。（系統組成及原理）
2.3該系統由五部分組成，即計算機（PC）、伺服驅動控制卡、交流伺服調速系統（交流伺服控制器、伺服電機及相應的控制電纜）、傳感檢測及反饋、輔助主動作執(zhí)行系統。主控程序只有幾百K,運行在DOS操作系統下，主控微機通過打印端口LP1:與伺服驅動控制卡相連，并通過數據線發(fā)送位置或速度指令，在線適應性調節(jié)或設定PID調節(jié)參數（程序設計過程中將其作開放性設計，便于調整）見后附圖，并進行數模（D/A）轉換，通過相應的控制板卡輸出±10V的模擬信號并經過交流伺服放大器放大后驅動伺服電動機，半閉環(huán)或閉環(huán)位置控制反饋系統由電機軸端裝有的增量式光電碼盤（或在被傳動的物體上設置測量輥和增量式光電碼盤轉換裝置）提供信號（A、B、IN脈沖）來完成位置伺服系統的位置反饋，位置反饋環(huán)中傳感元件-增量式光電編碼器將運動構件實時的位移（或轉角）變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸到現場控制站（PC機）中進行編碼器脈沖計數，以獲得數字化位置信息，主控微機計算給定位置與實際位置（即反饋到的位置）的偏差后，根據偏差范圍采取相應的PID控制策略，將數字控制作用經數模轉換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調節(jié)電機運動，完成期望值的反復多次閉環(huán)反饋定位控制，在控制原理上實現小誤差高精度的位置定位；然后主控程序對輔助主動作執(zhí)行系統下達運行指令，完成特定的機械抱閘動作、壓力機在線沖壓運動、液壓停剪切斷運動等。
2.4本機組的主要特點：一次性投資成本較高，最大交流伺服功率有一定的限制，但后期運行成本低，特別是貨架組件的一次成材率高，產品精度高，應用范圍廣且附加產值高。
3、自動送料機及沖孔裝置分析及工作原理
3.1貨架立柱冷彎成型生產線的在線預沖孔加工工序自動送料裝置由上下一對φ75的導料輥組成，主要工作動力來源于交流伺服電機，依靠料板與上下導料輥之間的摩擦力送料，貨架立柱的帶鋼分布孔在壓力機上沖壓完成，主體設計如圖二，本裝置原設計為美國寶德（BALDOR）3.7KW的伺服控制系統，后由于新產品開發(fā)，增加了工作傳動負荷，并根據圖二所示的工作原理，即動力控制部分與交流伺服控制之間的位置控制主要通過±10V的模擬信號來實現，不存在對交流伺服系統的功率限制，在原理上可以將其更換為日本三菱公司的伺服放大器型號MR-J2S-系列的5KW的配套的交流伺服控制器和交流伺服電機，并根據對應的貨架組件的生產精度要求及確定伺服控制精度為：±0.1,則由測量輥圓周長與測量精度范圍的比值約為：1178（未考慮旋轉編碼器的分倍頻關系），宜選用1200PPR以上的旋轉編碼器，并在后期的近四年的應用過程中能很好地實現位置精度控制要求。
3.2三菱MR-J2伺服系統具有良好的機器響應性、低速穩(wěn)定性、包含機械系統在內的最佳狀態(tài)調整的特點等；速度頻率響應達到550HZ以上，非常適合用于高速定位的場合，比較適合于負載慣性矩比會增大以及韌性較差的設備（我公司為鏈傳動機組，此點要求較重要）。
3.3自動送料裝置主要由圖三所示的結構組成，⑴光電傳感器1#主要反饋進入壓力機工作區(qū)域的鋼帶存在狀況，如：余料、缺料等；⑵伺服電機經齒輪箱向下導料輥傳遞輸送動力，齒輪箱的傳動比i（如i=11的設計選型）和電機的轉速決定該系統送料定位速度；⑶旋轉編碼器測出上導料輥（被動送料及被動測量點）通過與板料間的運動傳遞的位置信號⑷機械抱閘實現定位后的位置固定；⑸光電傳感器2#實現壓力機的工作控制要求的位置信號的傳遞；⑹上下模實現在線孔位的沖壓；要求壓力機沖壓噸位配套、機床或模具精度的配套等。
3.4具體的每模送料步距量值的大小由PC設置相應的記數脈沖數或長度轉化值比較決定，并由與上導料輥相聯的角編碼器被動測量反饋相協調（由程序設定），從而實現沖壓板料的可調整、高精度、無積累誤差的步距送料沖壓，累積誤差由程序中設置的誤差補償算法或人工在線修正等手段處理，確保貨架立柱的高品質孔位距離，實踐證明很實用。
3.5設備系統中的自動送料裝置克服了貨架立柱預開平鋼帶人工送料的缺點，具有操作簡單、工作可靠、控制精度高等特點，可大大提高勞動生產率，配合高速高精度壓力機可實現70次/分的工作頻率，工作壓力達到2500KN以上，其可組成獨立的運行系統。
4、貨架切斷裝置分析及工作原理
4.1基本控制原理相同并共用統一系統，其特點為：通過反射式光電開關測量貨架立柱上的孔位數量信號，主要為判斷有無孔的光電反射開關量而形成特定孔的計數信號，當達到一定的孔數時，內部主控程序將數孔測量模式轉化為長度測量模式，同理完成位置伺服系統的位置反饋和定位控制，主控微機計算給定位置與實際位置（即反饋到的位置）的偏差后，適時在線調節(jié)交流伺服電機運動，完成期望值的定位后，主運動停止并主導液壓切斷裝置控制電磁閥產生切斷工作次序；（注：冷彎成型機組的主動力仍然是由該交流伺服電機的運動提供的，故應選擇大功率的交流伺服控制系統及驅動系統，本設備選用的系統功率達到37KW以上）
4.2液壓停剪的控制模式與飛剪控制模式的主要區(qū)別：①液壓停剪的控制精度高，最高控制精度為：±0.1mm左右且無累積誤差，主要反映在被動增量式光電碼盤的精度和控制時序上的要求，設備一次性投資較高；但一次成品率高，材料利用率高
,飛剪控制需要增加隨動和復位裝置，控制系統較簡單；②控制原理上，液壓停剪為絕對控制精度，不存在速差誤差等，飛剪為相對控制精度，為剪切位與工件運動之間的相對誤差，由于速度運行規(guī)律上的不確定或機組阻力、工作負荷上的波動等會造成無規(guī)律誤差的存在；③飛剪控制的主線運動速度比較恒定，有利于配套的焊接等設備運行參數的設定和調整，而液壓停剪的控制模式主運動曲線較復雜，存在高低速的變換和運動停止狀態(tài)，有時會存在較長的長度校準時間；④生產效率差異大，飛剪的生產效率高，易進行生產控制；⑤設備維護和操作控制的要求差異較大。⑥液壓停剪模式更有利于解決冷彎型材的切口變形與反彈等切口缺陷，綜上所述需要針對自身的冷彎產品特點制定和選擇合理的設備控制運行模式，以期獲得最大收益。
5 控制系統設計的幾個主要問題
5.1輸人信號的控制精度：測量輥圓周長與測量精度范圍的比值最終決定產品的生產控制精度，應盡量選擇比值大的產品，并選擇合適的測量輥材料、測量輥與冷彎件的接觸阻尼和彈性系數以增加摩擦系數和接觸壓力防止測量過程滑料誤差的產生。
5.2輸出信號的控制精度：位置環(huán)PID控制算法上的不同決定了PID控制得到的控制精度和結果，如：求解方法有階躍反應法，并根據控制特性采用三種動作特性：1）、僅有比例控制；2）、PI控制；3）、PID控制；并根據速度形、測定值微分形運算式進行PID運算，執(zhí)行相應的精度要求下的正、反動作運算和控制。
5.3PID系統參數的整定：主控微機向控制卡發(fā)送PID參數，看給定的參數是否符合控制系統的要求，該過程需用在線參數整定實現。參數整定的主要任務是確定K（P）、A（I）、B（D）及采樣周期Timer,比例系數K（P）增大，使伺服驅動系統的動作靈敏、響應加快，而過大會引起振蕩，調節(jié)時間加長；積分系數A（I）增大，能消除系統穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性下降；微分控制B（D）可以改善動態(tài)特性，使超調量減少，調整時間Timer縮短。具體整定過程需要根據數字位置環(huán)的PID器改進控制算法以及參數整定方法來制定現場的適應參數和現場的實際調整設定，并根據不同的產品或負載情況分別整定，否則易形成位置控制過程的振蕩現象。如圖設計程序中設置的開放式調整。
5.4系統的機械精度控制在一定誤差范圍內，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，并結合高性能的交流伺服驅動系統，可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求，也能提高位置定位的效率和精度。
5.5主程序是基于PC開發(fā)平臺的交流伺服控制系統，主要功能是：人機對話調整產品生產數據、設備參數設定和PID參數整定等；實現PC及各模塊間的數據傳遞和處理，位置環(huán)PID控制算法及控制伺服電動機運動，實現各相關設備動作等。其它諸如：沖壓步距的設定及調整、一定長度值下每個輸出脈沖數的對應調整、壓力機控制精度、伺服送料精度和伺服送料長度值的設定與調整等均為開放式設計，
5.6主程序設計中考慮了部分設備的故障預警程序段，極大地提高了設備的可操作性和對產品生產質量的控制，也在一定程度上降低了設備的故障檢查時間。
6結論
6.1實際應用表明：選擇合理的交流伺服系統能夠滿足控制系統響應速度快、速度精度高、魯棒性強的要求，實際應用位置控制精度最高在±0.1mm左右且可避免累積誤差。該控制系統可應用于高精度開口系列冷彎型鋼產品的生產中，特別是類似貨架立柱的產品，即對冷彎型鋼立、側面具有孔位高精度要求的在線預沖孔的冷彎成型生產線上。
6.2 交流伺服系統應用于貨架冷彎成型生產線上確實能達到較高的位置控制精度；且在線預沖孔模式與液壓停剪模式均可獨立運用，如貨架橫梁生產過程就無在線預沖孔模式等。
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