（机械工程专业论文）精密矫直机的伺服系统设计.pdf

武汉理下大学硕士学位论文 中文摘要 精密矫直机的伺服控制系统对其加工精度产生重要影响，并且关系到精密矫 直机的工作效率。本文选择机电伺服控制系统，运用成熟的伺服控制理论，研究 其在精密矫直机中的应用。精密矫直机的矫直加工运动过程中，主要需要控制4 个伺服电机的运动。矫压加载电机和跨距调整电机需要精确控制运动位移，选择 位置控制方式：两个夹头夹持电机需要快速夹紧并且提供稳定夹持力，选择转矩 控制方式。本文主要研究内容包括如下几点： ( 1 ) 设计精密矫直机伺服控制系统的总体结构。根据精密矫直机伺服控制 系统的设计要求，分析伺服控制系统的四种控制方法，选择适合精密矫直机的伺 服控制系统和各个运动轴相应的控制方式，建立跨距调整伺服控制系统的数学模 型。 ( 2 ) 设计精密矫直机伺服控制系统的硬件平台架构，搭建工控机+ 运动控 制卡+ 伺服电机+ 反馈监测元件的硬件平台。工控机与运动控制卡配合，能够精 确控制伺服电机的运行，并且能够最大限度发挥计算机的性能。研究运动控制卡 与工控机、伺服驱动器与运动控制卡、伺服驱动器与伺服电机、反馈监测元件之 间的连接，以及各个端口引脚的定义与接线。 ( 3 ) 开发伺服控制系统的控制软件。根据d m c 运动控制卡自带的指令代 码和各个轴的运动需求，编写相应的伺服电机调试控制指令。再运用l a bv i e w 软件集成控制指令代码，根据伺服电机的调试要求，编写调试程序。伺服控制系 统硬件平台搭建完成后，设置伺服驱动器的基本参数，建立工控机与运动控制卡 之间的通讯，依次进行伺服电机的调试与控制程序的调试，至伺服电机正常运行， 控制程序能够实现预定要求。 关键字：精密矫直，伺服控制系统，运动控制卡，l a bv i e w 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo fp r e c i s i o ns t r a i g h t e n i n gm a c h i n em a k eg r e a te f f e c t o ni t sp r e c i s i o na n dw o r ke f f i c i e n c y m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls e r v oc o n t r o ls y s t e mi s c h o s ei nt h i sp a p e r , m a t u r es e r v oc o n t r o lt h e o r yi su s e dt or e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o ni n p r e c i s i o ns t r a i g h t e n i n gm a c h i n e i tn e e d st oc o n t r o lt h em o v e m e n to ft h ef o u rs e r v o m o t o rt h r o u g ht h ep r o c e s s i n go ft h ep r e c i s i o ns t r a i g h t e n i n gm a c h i n e p r e s s u r e s t r a i g h t e n i n gm o t o ra n ds p a na d j u s t m e n tm o t o r sd i s p l a c e m e n ts h o u l db ec o n t r o l l e d a c c u r a t e l yi nt h ep o s i t i o nc o n t r o lm e t h o d ；t h ew o r k p i e c em u s tb ec l a m p e dq u i c k l ya n d s t a b l ec l a m p i n gf o r c es h o u l db ep r o v i d e di nt o r q u ec o n t r o lm e t h o d t h er e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) g e n e r a ls t r u c t u r eo ft h es e r v oc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r e c i s i o ns t r a i g h t e n i n g m a c h i n ei sd e s i g n e d f o u rk i n d so fc o n t r o lm e t h o da r ea n a l y s e d ，as u i t a b l es e r v o c o n t r o ls y s t e mi sc h o s ef o rt h em a c h i n et or e a l i z et h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n da m a t h e m a t i c a lm o d e la b o u tt h es p a na d j u s t m e n tc o n t r o ls y s t e mi sb u i l d ( 2 ) h a r d w a r ep l a t f o r ms t r u c t u r eo ft h ep r e c i s i o ns t r a i g h t e n i n gm a c h i n es a v o c o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e da n db u i l d ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mc o n t a i n si p c ，m o t i o n c o n t r o lc a r d ，s e r v om o t o ra n df e e d b a c ke l e m e n t t h eo p e r a t i o no ft h es e r v om o t o rc a n b ep r e c i s i o nc o n t r o l l e da n dt h ec o m p u t e rr e s o u r c ec a nb es a v e dw h e nt h ei p c c o o p e r a t ew i t hm o t i o nc o n t r o lc a r d t h ec o n n e c t i o nb e t w e e ni p ca n dm o t i o nc o n t r o l c a r d ，s e r v oc o n t r o l l e ra n dm o t i o nc o n t r o lc a r d ，s e r v oc o n t r o l l e ra n ds e r v om o t o lt h e p o r ta r ea l li n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ( 3 ) c o n t r o ls o f t w a r eo ft h es e r v oc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d d i f f e r e n t o p e r a t i o nc o n t r o li n s t r u c t i o nc o d eo fs e r v oc o n t r o lm o t o ri sc o m p i l e do nt h eb a s i so f t h ed m cm o t i o nc o n t r o lc a r d so w np r o g r a m m i n gi n s t r u c t i o n sa n dm o t i o nd e m a n d so f e a c hs h a f t c o m p i l ed e b u g g i n gp r o g r a m ，t h ec o n t r o li n s t r u c t i o ni si n t e g r a t e db yl a b v i e wa tl a s t a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h es e r v oc o n t r o l s y s t e m ，e s s e n t i a lp a r a m e t e ro fs e r v oc o n t r o l l e ri ss e t ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni p c a n dm o t i o nc o n t r o lc a r di se s t a b l i s h e d ，t h es e r v om o t o ra n dc o n t r o ls y s t e mp r o g r a m a r ed e b u g g e du n t i lt h es e r v om o t o ri nn o r m a lo p e r a t i o na n dc o n t r o lp r o g r a mr e a l i z e p r e d e t e r m i n er e q u i r e m e n t 武汉理工大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p r e c i s i o ns t r a i g h t e n i n g ，s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，m o t i o nc o n t r o lc a r d ， l a b v i e w i i i 武汉理工人学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 精密直线导轨在机床等工业自动化设备中应用普遍，在其精加工过程中， 工件经过热处理工艺后，由于温度变化产生的内力导致工件弯曲或者扭曲变形， 所以需要对其进行矫直以提升其直线精度。此外，使用一段时间后，由于受到 外力作用，导轨可能发生弯曲变形，需要通过矫直提升其直线精度，以满足工 作需要，延长导轨的使用寿命，节约经济成本。直线精度即材料的平直度，其 提升方法一般称为矫直。 目前，矫直通常采用的方法是人- r _ n 量、手工矫直或者半自动矫直。随着 机床行业的发展，机床用精密直线导轨的需求将愈来愈大，型号也越来越完善。 传统的手工矫直很大程度上受到工人经验的影响，精度低而且工作效率低下， 与生产需要差距很大。半自动矫直虽然工作效率有所提高，但矫直精度仍然未 能大幅度提高，限制了我国工业自动化的发展。 伴随我国装备制造业的飞速发展，企业对自动化控制程度高的精密矫直机 需求旺盛。开发高精度、自动化的矫直设备很大程度上取决于伺服系统的工作 性能。因此，研究伺服系统的各项性能，提高精密矫直机的伺服控制系统，有 着较为实际的意义。 伺服系统是一种反馈控制系统，它的输出量能够精确的跟随输入量的变化 产生相应的改变，因此也称为随动系统【2 】。伺服系统被广泛的应用在自动控制领 域，例如国防工业、航空航天以及工业自动化等领域。近年来依托材料技术、 电力电子技术、微电子技术、计算机技术等技术的跨越式进步以及控制理论、 电机制造工艺探索的日渐成熟，伺服系统的研究越来越深入，应用越来越广泛。 伺服系统主要由控制器、伺服执行元件( 气缸、液压缸、电机等) 和反馈 元件等构成。根据伺服执行元件的类型，可以把伺服系统分为气动伺服系统、 液压伺服系统和机电伺服系统。 气动伺服系统的工作介质是压缩空气，系统通过空气传递动力，驱动工作 机构运行。系统选择空气作为工作介质，使用后可以直接排放，收集和处理都 非常便捷；但是空气的可压缩性导致系统工作稳定性比较差。液压伺服系统的 武汉理工大学硕+ 学位论文 动力源是液压油，系统通过液压油传递动力，实现各种运动功能。液压机构的 推力大，但是电液伺服阀等精密控制元件的制作成本比较高，而且抗油污能力 差，所以系统性能很大程度上受到环境的影响。机电伺服系统的能源为电能， 它的控制信号来自于控制中心，并以此实现各种控制功能。机电伺服系统驱动 能源容易获取，无污染，控制灵活方便，便于维护，因此应用最为广泛。本研 究选用机电伺服系统来实现精密矫直机的运动控制。 1 2 国内外研究现状 机电伺服系统经历了半个多世纪的发展，它的发展与伺服电动机的发展是 不可分割的。机电伺服系统的执行元件从步进电机、直流电机发展到交流电机， 与此相对应，根据执行元件的不同可以将系统分为三类：步进伺服系统、直流 伺服系统和交流伺服系统【3 】。 2 0 世纪6 0 年代前，开环控制的步进伺服系统应用在许多要求不高的工业设 备上，系统执行元件为步进电机或者功率步进电机。步进伺服系统的结构比较 简单，产品化程度高，价格低，工作性能比较可靠。其缺点主要有：低频时易 振动；没有检测和反馈环节，为开环控制，精度比较低，启动停止时容易丢步、 堵转和过冲；速度响应慢【。6 0 7 0 年代，采用小惯量直流伺服电机、大惯量直 流伺服电机的直流伺服系统大量运用于精密数控机床、工业机器人领域，直流 伺服电机是由美国g a t t y s 公司最先生产出来的。直流伺服电机的调速性能比 较宽，输出转矩较步进电机大为增加，过载保护性能有所改善，并且采用闭环 系统取代开环系统，获得了更高的精度。但直流伺服电机采用了机械换向器， 价格高；电刷和换向器之间的磨损严重，运行维修比较复杂；电机运行时转子 易发热引起火花，电机转速和功率难以提高，上述缺点导致直流伺服系统只能 应用于精度要求不是特别高的场合。7 0 年代末期，随着永磁材料的性能不断提 高，成本逐步下降，具有比异步伺服电机更加简便控制方式的永磁同步伺服电 机达到了实用化，永磁同步交流伺服系统的应用f 1 渐普及。8 0 年代以来，基于 微处理技术和现代控制理论等方面的发展，交流伺服电机和伺服驱动器的发展 越来越迅速，交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统，在高性能伺服系统中占有 越来越重要的地位。9 0 年代以后，交流伺服系统实现了产品化，大部分采用正 弦波伺服电机驱动，并实现了全数字控制。目前永磁同步交流伺服电机广泛应 用于高性能机电伺服系统中，伺服驱动器多选择定位精度比较高的全数字伺服 武汉理工大学硕士学位论文 系统【4 】。主要生产厂家有德国西门子、日本三菱电机、日本安川、美国罗克韦尔 等公司。 交流伺服系统依据驱动电机的类型可以分为两类：永磁同步 ( p m s m p e r m a n e n ts y n m o t o r 型) 电机交流伺服系统和感应式异步( i m i n d u c t i o nm o t o r 型) 电机交流伺服系统。感应式异步型电机价格便宜、结构简单， 采用矢量变换控制，低速时效率低，控制性能差，应用较少。永磁同步电机高 速和低速性能受限制少，系统的调速范围宽，矩频特性好，能够满足高性能伺 服系统的需求，在交流伺服系统中应用十分普遍。本文研究的交流伺服系统即 为永磁同步电机交流伺服系统的控制。 相对于直流伺服电机的机械换向装置易磨损，工作环境要求苛刻，交流伺 服电机不仅克服了上述不足，更显示出良好的过载特性和小惯性。近年来依托 材料技术、电力电子技术、微电子技术、计算机技术等技术的跨越式进步以及 控制理论、电机制造工艺探索的日渐成熟，使得交流伺服电机的发展日益成熟， 交流伺服系统的应用日趋广泛。交流伺服系统的稳定性、精确性和鲁棒性也迅 速提高，成为现代伺服领域的研究热点，并在各个领域得到广泛应用。 1 3 课题来源及主要研究工作 本课题来源：湖北省自然科学基金：集多挠度在线检测与回弹预测的多点 多步校直方法研究，n o ：2 0 0 8 c d b 2 9 4 。武汉科技攻关计划：金属条材数控精 密矫直技术与原型机开发，n o ：2 0 1 1 1 0 9 2 1 2 9 9 。 本文研究目的是设计基于l a bv i e w 的交流伺服控制系统，实现精密矫直机 精确的运动控制。该伺服控制系统搭建了以运动控制卡为控制核心的硬件平台， 建立伺服控制系统的数学模型，运动控制卡精确控制伺服电机的运行，满足精 密矫直机的工作需求。研究内容包括如下几点： ( 1 ) 建立伺服控制系统的数学模型； ( 2 ) 构架伺服控制系统的硬件平台； ( 3 ) 运动控制卡的连接与接线以及控制指令编写； ( 4 ) 伺服驱动器的连接与接线； ( 5 ) 精密矫直机伺服控制系统的软件开发； ( 6 ) 伺服控制系统的运行与调试。 本文的研究路线为：首先研究交流伺服控制系统的基本构成和控制原理， 武汉理工大学硕士学位论文 建立伺服控制系统的数学模型，根据精密矫直机的运动需求搭建精密矫直机伺 服控制系统，确定工控机、运动控制卡、伺服驱动器之间的连接方式，研究各 个端口引脚的定义，选择适当的控制方式，搭建精密矫直机伺服控制系统的硬 件平台。运用运动控制卡的指令代码编写控制指令，再运用l a bv i e w 软件编写 控制程序，集成运动控制卡的控制指令代码，实现精密矫直机的运动控制。最 后进行精密矫直机伺服控制系统的调试，首先进行伺服电机的独立运行调试， 然后运用工控机指令进行调试，再连接机械机构调试，最后运用l a bv i e w 控制 程序联机调试，分别设置伺服驱动器的基本参数，调试伺服电机到最优运行状 态，记录各个设置参数。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章精密矫直机伺服控制系统总体设计 2 1 伺服控制系统简介 伺服系统是一种反馈控制系统，它的输出量能够精确的跟随输入量的变化 产生相应的改变，因此也称为随动系统2 1 。伺服系统被广泛的应用在自动控制领 域，例如国防工业、航空航天以及工业自动化等领域。伺服系统主要由控制器、 伺服执行元件( 气缸、液压缸、电机等) 和反馈元件等构成。伺服控制系统组 成框图如下图所示： 图2 - 1 伺服控制系统组成框图 本研究选择机电伺服控制系统，伺服执行元件为交流伺服电机，下文中伺 服控制系统或者伺服系统即指机电伺服控制系统。 2 1 1 伺服控制系统的控制方法 伺服控制系统的的控制精度主要取决于系统所选择控制器的控制精度。依 据控制器的不同，伺服控制系统的控制方法主要有四种：基于单片机的伺服控 制系统，基于运动控制专用p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 的伺服控制系 统，基于专用数控系统的伺服控制系统，基于“p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) + 运动 控制卡”的伺服控制系统。四种控制方式各自具有不同的使用特点，适用与不 同的工作场所。 ( 1 ) 基于单片机的伺服控制系统 基于单片机的伺服控制系统的控制器主要包括单片机芯片、功能扩展芯片， 此外还需要外围电路提供动力、屏蔽等。系统运行时，外围设备输入的数值经 过单片机运算后，输出对应的脉冲信号给伺服驱动器，控制伺服电机的运行。 单片机实时采集并处理伺服电机的光电编码器反馈信号，以此来监测控制伺服 电机的运行速度。系统控制方式分为位置控制方式和速度控制方式：位置控制 武汉理工大学硕士学位论文 方式的机械执行机构在数字脉冲信号的控制下运行，数字脉冲信号由单片机的 i o ( 输入输出) 口发送。 基于单片机的伺服控制系统硬件成本比较低，但系统软件开发价格高，适 用于批量生产并且运动要求不太复杂的设备。系统控制精度受到i o 口输出脉冲 频率的限制，不能应用于高精度的工业设备。系统算法需要开发人员充分了解 单片机的应用后根据实际运动状态编译，比较复杂的控制算法开发困难，不便 于系统调试；系统的柔性差，功能扩展与系统升级比较复杂，再开发不具有显 著的经济效益。 ( 2 ) 基于运动控制专用p l c 的伺服控制系统 基于运动控制专用p l c 的伺服控制系统多用于对伺服电机进行速度控制， 也就是使伺服电机快速响应控制要求。系统主要有以下特点：操作方便，使用 梯形图编程，指令面向用户，便于掌握；可靠性高，系统采用的专用处理器， 即c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) ，抗干扰性能好，系统软件比较成熟；可工作 在各式设备中，系统可适性好；工作时采用串行通道顺序控制，循环扫描，晶 体管输出驱动电流比较小，一般为0 1 , - 一0 2 a ，实时性能收到每步扫描时间的限 制；部分p l c 可以实现直线插补、圆弧插补，但是对于高速度高精度的复杂控 制优势比较小；接线简单，i o 模块配置清晰，扩展性能好，程序二次开发方便； 自诊断功能强，系统故障后能迅速诊断故障元件，减少系统维修周期；控制电 机数目有限，不能大量增加；控制精度一般，逻辑控制性能好，其他控制只能 满足一般需求；体积比较少，价格昂贵。适用于运动过程不复杂、运动轨迹明 确的工业设备，如输送机、自动焊接设备等。 ( 3 ) 基于专用数控系统的伺服控制系统 基于专用数控系统的伺服控制系统是为专业设备或者某个行业研发的，例 如加工中心数控系统、铣床数控系统、雕铣机数控系统等。数控系统分为硬件 系统和软件系统：硬件系统主要包括计算机、输入输出设备等，软件系统是针 对某应用行业而专门开发的。系统在专业领域应用十分方便，系统开发已经十 分成熟，操作规范统一，方便用户使用。国外数控系统主要有德国的西门子数 控系统、法国的法兰克数控系统等，广泛应用于装备制造行业，但是价格比较 昂贵，只有对控制精度要求非常高的高端产品用户群才会选择国外数控系统用 于高端数控装备。国内数控系统的研发开始的比较晚，主要有武汉华中数控系 统、南京华兴数控系统、成都广泰数控系统等，其性能与国外的产品有较大差 距，精度控制比较低，稳定性较差，但是价格比较低廉，适用于控制精度要求 武汉理t 大学硕士学位论文 一般的工业设备。 ( 4 ) 基于“p c + 运动控制卡 的伺服控制系统 基于“p c + 运动控制卡”的伺服控制系统中，运动控制卡接收p c 的程序， 经运算后产生相应的电压信号发送给伺服驱动器，来实现运动轴不同模式的高 精度运动，运动控制卡实时监测电机编码器的反馈信号实现运动补偿。系统能 提供稳定可靠的p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a t i o nd i f f e r e n t i a t i o n ) + 速度力口速度反馈的 控制算法，这种算法能满足大部分的运动控制要求，系统在中规模小范围的工 业自动化生产中应用较为普及。此种方案采用中断处理，实行性能高，能及时 处理监测信号；能够最大限度发挥计算机的性能，实现多种运动过程和轨迹控 制；通过板卡可以扩展多种外设，控制多轴运动，扩展性能强，相应接线比较 复杂；看门狗可以迅速监测到系统故障报警，但是不能快速查找故障原因，维 修周期长；利用软件可以编译复杂的算法，实现多种复杂控制和多个运动轴之 间的联动。 根据输出信号种类可以将运动控制卡分为数字卡和模拟卡两种：模拟卡向 电机发送模拟信号，控制电机运转；数字卡可以分别发送高频和低频的脉冲， 前者主要控制伺服电机，后者用来控制步进电机。伴随信息技术的发展，数字 卡的发展十分迅速，逐渐成为运动控制的首要选择【4 儿5 。 基于“p c + 运动控制卡的伺服系统开放性好，软硬件方面进行功能扩展或 者重新配置都非常方便，应用系统搭建也比较灵活。该系统包含了运动控制必 备的硬件，能够最大限度发挥计算机的性能；系统软件开发十分方便，并且容 错率好，能够方便地设计多种控制算法，实现“软运动控制 功能。该系统价 格成本比较低，使用者可以根据自己的要求设计不同的控制算法，适应于不同 的应用对象。基于上述比较，本研究选择基于“p c + 运动控制卡 的交流伺服控 制系统。 2 1 2 基于“p c + 运动控制卡刀的控制特点 基于“p c + 运动控制卡的伺服控制系统中，p c 作为上位机，用于实现人 机交流，输入输出设备的管理，计算运动轨迹，信号监测等任务。运动控制卡 作为下位机，根据上位机的指令输出运动控制信号，并监测相关反馈信号。该 系统可以最大限度利用计算机，多用于控制运动要求复杂的机械设备，属于开 放式的运动控制结构，可以同时控制多个步进电机和伺服电机，每个运动控制 卡都可以扩展，达到控制更多轴的运动【6 】。由于p c 与运动控制卡方便使用、可 武汉理t 大学硕士学位论文 扩展、功能强大、可靠性高等特点，其被广泛应用于数控机床等工业自动化领 域，是运动控制系统的主要发展趋势。 运动控制卡根据主控芯片不同分为三种：单片机、专用运动控制芯片和d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 。主控芯片为单片机的运动控制卡价格低，电路连线 比较复杂，发送脉冲的频率和波形质量都不高，多用于控制步进电机。主控芯 片为专用运动控制芯片的运动控制卡价格高，硬件电路集成度高，输出脉冲范 围宽，可用于步进电机和伺服电机控制。主控芯片为d s p 的运动控制卡运算速 度快，能够实时处理复杂的运动控制，实现预定运动轨迹，用于运动过程复杂 的工业自动化设备中。 运动控制卡具有以下特点：扩展性好、便于使用、功能丰富等。硬件扩展 方便，接口通用性能好，设置简单，自动配置资源，抗干扰能力强；软件编程 易于掌握，运动控制卡的运动函数库功能丰富，用户根据系统运动需求编写程 序，调用运动函数库的指令函数，即可实现各种复杂运动。运动函数库决定了 运动控制卡的控制性能，能够提供单轴运动、多轴独立运动、多轴联合运动等 多种运动形式【7 1 。运动控制卡在运动控制功能之外，还提供中断处理、编码器反 馈、间隙补偿和运动中变速等功能，为此还自带相应的辅助函数。 2 2 精密矫直机伺服控制系统总体设计 2 2 1 矫直原理与精密矫直机机械结构 精密矫直机的矫直原理：精密矫直机采用三点反弯的矫直原理，加工过程 中，工件加工部位两端有两个支点准确定位工件位置并对其产生稳定支撑，对 工件中间弯曲部分即需要加工部位，施加过压使其产生反向弯曲，过压卸载后 由于工件的弹性形变会产生回弹，当工件的回弹量刚好等于施加的过压量时， 工件恢复成直线，达到其平直度要求，实现精密矫直机对工件的矫直。 依据精密矫直机的矫直原理，两个支点位置各需要一个动力源对工件提供 稳定的夹持力，使工件在j i i 过程中不会产生位置移动；中间施压位置需要一 个动力源提供大功率和大转矩，以使工件达到过弯；为了方便调整支点位置， 还需要增加一个动力源。在本文课题中，为便于调整两个支点的位置，简化控 制过程，两个支点位置对称布置于施压位置两端。精密矫直机中，对工件产生 过弯施压的部件称为矫直压头，简称压头，是主要加工部件，相当于数控机床 的刀具。夹持工件的部件称为矫直夹头，简称夹头。两个夹头之间的距离称为 r 武汉理丁大学硕士学位论文 跨距，跨距调整相当于数控机床的进给系统。精密矫直机的结构简图如下图所 - - f ： 灾 上件 h 跨距 图2 2 精密矫直机结构简图 矫直压头作为精密矫直机的过弯施压机构，要求能够对加工工件提供足够 的矫压加载功率，整个加载机构要求系统刚性好，加载过程机构运行平稳并且 能够微量进给以实现高精度矫直加工，低速运行时无爬行现象。基于以上要求， 本课题选用曲柄连杆滑块机构作为矫直压头过弯施压执行机构。矫直压头动力 选用交流伺服电机，并选择光栅尺位移传感器( 简称光栅尺) 测量压头行程。 压头驱动伺服电机经过减速器减速通过曲柄连杆驱动滑块运动，矫直压头安装 在滑块上，实现对工件的过弯施压矫直。 精密矫直机加工工件的两个夹头分布于矫直压头两端，为简化运动过程， 便于控制，选用同步带机构实现两个支点的对称同步运动。夹头动力选择交流 伺服电机，并选择光栅尺测量两个夹头之间的跨距。跨距调整驱动伺服电机经 过减速器减速，通过同步带机构调整两个夹头之间的跨距以满足加工要求。 在精密矫直机矫压加载过程中，作为支点的两个夹头都需要提供稳定的夹 持力，确保加载过程工件不会产生位置滑动，所以选用双丝杠机构，上下布置 于夹头两端，利用双丝杠机构的自锁能力稳定工件。夹头驱动伺服电机经过减 速器减速后，通过双丝杠机构驱动夹头运动，实现对工件的夹紧和松开。 2 2 2 精密矫直机伺服控制系统的设计要求 伺服控制系统的控制目标是使机械执行装置按照预定的运动轨迹运行，系 统实时控制机械执行装置的位置、速度8 1 。伺服控制系统根据控制要求可以分为 三种方式： ( 1 ) 点位运动控制 点位运动控制的控制目标是终点位置，中间运动形式没有要求。加速运动 阶段需要迅速加速，应提高系统增益，选择较大加速度；减速阶段常采用s 曲 o 武汉理工人学硕士学位论文 线，并且减小系统增益防止振荡。系统加减速参数和曲线都可以调节。 ( 2 ) 连续轨迹( 轮廓控制) 运动控制 连续轨迹运动控制较多情况是在加工工件轮廓) j 日- v 中。在高速运动状态下， 刀具需要精确沿轮廓轨迹运动，具有稳定的切向加速度。 ( 3 ) 同步运动控制 同步运动控制是协调控制多个轴同步运动，或者部分同步运动，多应用于 工业印刷、造纸、轧钢等行业。运动控制卡选择自适应前馈控制，保证系统同 步运行即3 0 。 矫直压头驱动电机与跨距调整驱动电机伺服控制系统的设计要求： ( 1 ) 定位精度 精密矫直机实际位移与指令位移要非常接近，能够补偿机床加工过程中影 响加工精度的各种因素的影响。精密矫直机的工件矫直精度设计要求为误差不 高于o 0 2 m m ，则伺服系统的定位精度要满足o o l m m - o 0 0 1 m m 。 ( 2 ) 动态响应 伺服系统动态响应的速度体现了系统的跟踪精度，关系到工件加工表面的 精度。精密矫直机矫直压头电机与跨距调整电机要求伺服系统灵敏度高，响应 速度快，响应时间不大于l o o m s 一1 5 0 m s 。 ( 3 ) 速度与转矩 数控矫直机的矫压加载机构运行速度相对比较低，要求伺服控制系统提供 大转矩，矫直压头电机制动或者换向需要输出转矩不低于1 0 n m 2 0 0 n m 。跨距 调整电机采用点位运动控制，要求加速性能好，减速后无振荡，加减速曲线可 调。 ( 4 ) 稳定性 系统加工精度比较高，需要将负载扰动误差控制在一定范围内。 夹头驱动电机伺服控制系统的设计要求： ( 1 ) 调速范围 最高进给速度与最低进给速度的比值称为调速范围。在调速范围内，要求 运行速度平稳，并且低速时没有爬行。精密矫直机夹头驱动电机要求实现快速 夹紧，相当于点位运动控制，进给过程分为快速进给阶段与工进阶段，需要比 较宽的调速范围。 ( 2 ) 动态响应 为提高精密矫直机生产效率，要求动态响应迅速，夹头驱动电机伺服控制 武汉理工大学硕士学位论文 系统的响应时间不大于l o o m s 1 5 0 m s 。 ( 3 ) 速度与转矩 精密矫直机压头施压过程中，夹头驱动电机需要对工件产生持续的夹持力， 一方面利用双丝杠的自锁能力，另一方面需要央头驱动电机堵转提供足够转矩。 为提高精密矫直机加工效率，缩短系统待机时间，夹头应该实现快速夹紧，运 动过程分为两个阶段，快进阶段和工进阶段；夹头松开运动过程可以快速进给。 ( 4 ) 稳定性 系统能够承受伺服电机一定范围的堵转，并且具有较小的负载扰动误差。 2 2 3 精密矫直机伺服控制系统的控制方式选择 精密矫直机的运动过程主要有四个运动轴需要控制，一个矫直压头主轴， 一个跨距调整轴，两个央头夹持轴。根据每个轴要实现的不同功能分别选择不 同的控制方式。各轴坐标定义如下：矫直压头主轴进行纵向运动，定义为x 轴； 跨距调整轴横向运动，定义为y 轴；两个夹头夹持轴分别进行纵向运动，左夹 头夹持轴定义为u 轴，右夹头夹持轴定义为v 轴。精密矫直机坐标定义如下图 所示： j1 4 t ut v 一、 图2 3 精密矫直机坐标定义图 x 轴需要精确控制矫直压头的矫压行程，光栅尺实时监测压头行程，将信号 反馈给运动控制卡，运动控制卡计算后调整指令输出，以此满足精密矫直机的 加工精度。根据上述分析，x 轴伺服电机选择全闭环控制，伺服控制系统选择位 置模式。 y 轴需要精确控制两个夹头之间的跨距，光栅尺实时监测跨距并反馈给运动 控制卡进行补偿，满足两个夹头之间的精确位置。根据上述分析，y 轴伺服电机 选择全闭环控制，伺服控制系统选择位置模式。 u 轴、v 轴需要对工件提供稳定持续的夹持力，不需要精确控制精确位移， 运动控制卡只监测伺服电机编码器反馈值。根据上述分析，u 轴、v 轴伺服电机 选择半闭环控制，伺服控制系统选择转矩模式。 武汉理上大学硕士学位论文 2 3 跨距调整伺服控制系统的数学模型 精密矫直机的跨距调整伺服控制系统为全闭环控制，为分析跨距调整伺服 控制系统的动态性能对加工精度的影响，需要建立其数学模型。两个压头之间 的跨距调整是由伺服电机通过减速器减速，驱动同步带机构运行，夹头固定在 同步带上跟随同步带同步运行。伺服电机输入转矩，减速器采用齿轮减速，简 化为齿轮机构，夹头即为工作台，输出为工作台位移。如图2 4 所示为精密矫直 机跨距调整机构传动链示意图。 x o ( 屯) 图2 4 跨距调整机构传动链简图 夹头外接负载为零，即工作台不带加工工件时， i 轴的转矩平衡方程为： i 舻钆d r 2 堕+ 8 掣+ i o t a ( t ) 一】= 0 ( 2 - 1 ) 式中： 瓯( ) 伺服电机输出至i 轴的转角： ( 0 夹头工作台位移瓢( 9 转换到i 轴上的等效当量转角，其中， ( ) = 警 ( 2 2 ) i 为夹头电机连接的齿轮减速器传动比；r 为同步带轮直径： ( ) 一8 i ( c ) 为i 轴在综合转矩作用下的相对转角； j 为夹头工作台及系统各轴转换到l 轴的等效总转动惯量，b 为夹头工作台 及系统各轴转换到i 轴的等效总粘性阻尼系数，k 为夹头工作台及系统各轴转换 到i 轴的等效总刚度系数，其计算方法分别为： 武汉理工大学硕十学位论文 t = + f + ( r ) 2 州 b = b l + i z - b 2 + ( 打) 2 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 肛f 1 孺1 ( 2 5 ) 其中，j l 、j 2 分别为i 轴、i i 轴上的转动惯量，b l 、b 2 分别为i 轴、轴上 的粘性阻尼系数，k l 、k 2 分别为i 轴、i i 轴上的刚度系数，m 为夹头工作台带 动移动部件的质量，b m 为工作台移动时的粘性阻尼系数，k m 为同步带的刚度系 数。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得到： ，a 2 矿x o ( o + bd x d o ( t ) + 融。( 。= r 嚣b ( ) ( 2 6 ) 对式( 2 6 ) 两边进行拉氏变换，整理后得到系统传递函数为： g 2 鬻2 丙i r 丽k 2 陌i r 7 ， 由式( 2 7 ) 可知，这是一个- - d 系统，由一个比例环节( i r ) 和一个二阶振 荡环节组成。 2 4 本章小结 本章首先概述了伺服控制系统的基本组成及其控制方法，重点介绍基于p c + 运动控制卡的伺服控制系统的控制特点。然后介绍了精密矫直机的矫直原理以 及关键机械结构；根据精密矫直机的运动需求提出伺服控制系统的设计要求； 对精密矫直机的运动过程进行了简要说明，定义了机床坐标系；根据不同运动 轴的运动特性和控制需求选择了相应的控制方式。最后建立了跨距调整伺服系 统的数学模型，为后续对伺服系统进行性能分析提供基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章精密矫直机伺服控制系统硬件平台架构 3 1 精密矫直机伺服控制系统硬件选型 3 1 1 精密矫直机伺服控制系统的硬件组成 本文中精密矫直机的伺服控制系统选择基于“p c + 运动控制卡 的控制方式， 系统硬件主要包括p c 、运动控制卡、伺服驱动器、伺服电机、反馈检测元件等 【吼。系统硬件组成框图如下： 图3 1 伺服控制系统硬件组成框图 p c ：p c 即上位机，用于实现人机交流，输入输出设备的管理，计算运动轨 迹，信号监测等任务，属于上层控制【6 】。p c 与运动控制卡配合组成的控制系统 可以最大限度发挥计算机的优势，应用程序的开发便于用户编程，通过简洁的 指令实现对运动控制卡的控制。工业生产中，经常选择专门为工业现场设计的 工业控制计算机，简称工控机。工控机机箱机械强度高，抗干扰能力强，便于 工业使用与维护，实时多任务操作系统可以满足工业现场的复杂控制需求。 运动控制卡：与上位机相互配合构成伺服系统的控制核心，因此也称为下 位机。运动控制卡作为下位机，根据上位机即p c 的指令输出运动控制信号，并 监测相关反馈信号。随着现代工业对伺服控制系统的控制要求愈来愈高，传统 的精度比较低的控制系统逐渐发展成由多轴运动控制卡组成的高精度的运动控 制系统。目前广泛应用的主控芯片为d s p 的运动控制卡运算速度快，能够实时 处理复杂的运动控制，实现预定运动轨迹，用于运动过程复杂的工业自动化设 备中。d s p 芯片深度运算处理能力强，但不适合频繁中断，符合运动控制卡的 使用特点，即控制算法比较复杂，中断源不多。运动控制卡一般有两种输出模 式，脉冲输出模式和模拟量输出模式，前者硬件电路连接简单，但是输出滞后； 武汉理t 大学硕七学位论文 后者硬件电路连接复杂，但响应迅速。 伺服驱动器：定位精确、快速的全数字伺服驱动器应用同益广泛，支持脉 冲与模拟量两种输入方式，可分别控制步进电机和伺服电机。伺服驱动器内部 多采用d s p 控制，可以减少机械共振情况的发生，补偿机械设备的刚性要求， 以达到迅速定位的目的【l o 】。 伺服电机：交流伺服电机克服直流伺服电机机械换向装置导致的各种缺陷， 提高伺服控制系统的精确性、稳定性和鲁棒性，适用于多种工业场合，抗环境 干扰性能好。常用的供电电压有单相与三相两种，主流产品额定功率在 3 0 w 、4 0 0 0 w t 5 】1 2 2 - 1 4 4 。 3 1 2 精密矫直机伺服控制系统的硬件选型 精密矫直机伺服控制系统的硬件主要包括以下几个部分：工控机、运动控 制卡、伺服驱动器、伺服电机、反馈检测元件。工控机利用运动控制卡自带的 运动指令与运动控制卡实现通信，运动控制卡对运动轨迹进行规划运算后，发 送脉冲指令和方向指令给伺服驱动器，伺服驱动器经过p i d 调节运算后，输出 三相交流电，驱动伺服电机依照要求运行【1 1 1 。图3 2 所示为精密矫直机的伺服控 制信号方框图。 工控机的指令运动控制卡伺服驱动器 图3 2 精密矫直机的伺服控制信号方框图 本研究中，上位机选择研为y p c 型号工控机，运动控制卡选择美国g a l i l 公司的d m c 型运动控制卡，并且选用一个d b 型号扩展模块用于扩展数字i o 和模拟量输入，两个带光隔的i c m 连接模块方便接线，伺服电机选择日本安川 公司生产的交流伺服电机s g m g h 型号两个，s g m j v 型号两个，伺服控制器配 合伺服电机选择日本安川公司的s g d m s 型号两个，s g d v 型号两个，光栅尺 选择广州信和光栅尺k a 型号两个。 武汉理工大学硕士学位论文 豳lllilliiu弩11111 图3 3 研为工控机图3 4 d m c 运动控制卡 美国g a l i l 公司专门研发基于微处理器的运动控制卡，其产品有如下优点： 采用3 2 位处理器，技术先进，可以实现多种要求的运动控制；适用性强，可用 于多种场合，如单轴、多轴、卡式和盒式等，接口类型丰富，包括p c i 、i s a 、 p c 1 0 4 、v m e 、u s b 、以太网和r s 2 3 2 等，并且最多可以同时控制8 个轴的运 动；性价比高等。运动控制卡可以处理各种运动控制的运算，驱动多种步进电 机和伺服电机的运行。其自带2 字符指令和多种调试工具软件包用于进行编程， 自带多种操作系统的通信驱动函数，便于进行二次开发。 d m c 型运动控制卡功能强大，和早期型号相比，具有更高的通信速度、非 易失性存储器、更高的编码器反馈速度以及功能更丰富的选件。该卡可以单独 处理所控制运动轴的运动规划，与伺服驱动器之间的连接通过9 6 针连接头实现 通信【l2 1 。其与上位机之间有两种通信模式，r s 2 3 2 和1 0 m 以太网，且提供4 m f l a s he e p r o m 存储器，用于存储应用程序、参数、变量、数组。现场固件升级 方便。d m c 型运动控制卡通过通用i o 实现与外部信号通信，共有16 路数字输 入、1 6 路数字输出，选用的d b 型扩展模块可以再增加4 0 路数字i o 和8 路模 拟量输入，根据精密矫直机的需求能够方便的对每路信号进行定义。每个轴的 正向限位、负向限位、急停、原点开关和可定义输入中断由专用的1 _ 几输入接 口通信。该卡自带w s d k 软件用于进行系统设定以及调整诊断，t e r m i n a l 软件 用于实现与计算机的连接通讯和编程，e d i t o r 软件专门进行程序编辑，a c t i v ex t o o l 等工具软件包适用于v b 、c + + 、l a bv i e w 等多种软件编程。 i c m 型连接模块将d m c 运动控制卡的9 6 针连接头转换为便于连接的多个 接线端，包括4 个1 5 针的运动控制和反馈接口，1 个3 7 针的i o 信号接口，以 及1 个可以选择的2 5 针辅助编码器接口。该连接模块能够对所有t t l 电平的i o 信号与运动控制卡之间进行光耦的电气隔离，增强系统对恶劣环境的适应性和 抗干扰能力【5 】3 0 0 。 武汉理工大学硕十学位论文 3 2 精密矫直机伺服控制系统的硬件平台总体架构 精密矫直机伺服控制系统根据不同需求选择两个控制方式，转矩控制方式 与位置控制方式。工