（机械电子工程专业论文）60tac伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理.pdf

摘要 交流伺服电机控制数控冲床，提高了冲床的加工柔性。为了更简便、有效的操作数控 冲床，数控系统必须具备良好的人机交互接口。本文在分析了伺服技术的发展和交流伺服 电机驱动冲床的特点基础上，提出了交流伺服数控冲床系统的组成结构。针对面向用户的 需求，介绍了交流伺服数控冲床监控系统。 本文分析了机械传动冲床的主要驱动方式和交流伺服驱动冲床的优势，简要介绍了目 前数控系统的几种主要硬件结构，设计了交流伺服数控冲床系统总体结构。针对交流伺服 数控冲床的机械结构，对冲床所采用的机械传动机构使用a d m a s 进行了运动学仿真，获 得了机构的离散数据模型。本文提出了交流伺服冲床数控系统功能和性能要求，制定了交 流伺服数控冲床加工工艺管理及监控系统的功能、设计原则。设计工艺管理及监控系统软 件总体结构，并制定了软件开发的技术方案，对数控系统所采用的操作系统平台进行了测 试。根据制定的系统结构和技术方案，阐述了交流伺服数控冲床控制流程，说明了上位机 与下位杌串口实时通信的实现，说明了交流伺服数控冲床的监控系统、加工工艺管理系统、 机器设置等功能的设计，最后，说明了交流伺服数控系统上位机自动开关机功能。 最后，对整个交流伺服数控冲床系统进行了运行测试。运行测试的结果表明，交流伺 服数控冲床监控系统能实时准确的监测机床当前状态，冲床加工运行状态达到预先制定的 性能指标要求。 关键词：交流伺服；伺服冲床：人机交互；加工工艺管理；监视系统：实时通信 a b s t r a c t n c p r e s si sd r i v e nb ya cs e f v om o t o r t oe n h a n c et h ef l e x i b i l i t yo f p r e s sp r o c e s s i n g no r d e rt om a n a g et h ep r e s sc o n v e n i e n t l ya n d e f f e c t i v e l y , n cs y s t e mm u s th a v eag o o d h c ii n t e r f a c e t h i sp a p e ra n a l y z e sd e v e l o p m e n to ft h es c r v ot e c h n o l o g y , 勰w e l la st h e c h a r a c t e r i s t i c so f p r e s sd r o v eb ya cs e om o t o r , a n das y s t e mc o m p o s f f i o no f a cs e r v o n cp r e s si sg i v e t 【lo r i e n t e dt ou 掰：r s p r o c e s s i n gm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n gs y s t e m so f n c p r e s sa l ei n t r o d u c e d t h ed r i v em e t h o d so fp r e s sa n dt h ea d v a n t a g e so fa cs e r v op r e s sa r ea n a l y z e d i n t r o d u c et h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fn c ，o nt h i sb a s i s ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fa cs e r v o n c p r e s ss y s t e mi sd e s i g n e d t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fa c s c r v on cp r e s si ss t u d i e d i t sk i n e m a t i c si ss i m u l a t e db ya d m a s ，a n di t sd i s c r e t ed a t am o d e li so b t a i n e d t h e s y s t e mf u n c t i o n a la n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa l ep r e s e n t e d t h em a i nh a r d w a r e s t r u c t u r eo f c u r r e n tn cs y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f a cs c r v on c p r e s si sp r o p o s e d ，t h e ns y s t e m s o f t w a r ef u n c t i o n a l i t ya n dp r i n c i p l e sa r ep r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y t h es o f t w a r eo v e r a l ls t r u c t u r eo fp r o c e s s i n gm a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n g s y s t e mi sd e s i g n e d at e c h n o l o g ys c h e m eo fs o f t - w a r ed e v e l o p m e n ti sp r o p o s e d ，a n dt h e o p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r mi st e s t e d a c c o r d i n gt ot h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g y s c h e m e ，t h ec o n t r o lp r o c e s s i n go f a cs c r v on cp r e s si sp r e s e n t e dt h er e a l i z a t i o no f t h e r e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o n , m o n i t o r i n gs y s t e mo fa cs e l w on cp r e s s ，p r o c e s s i n g m a n a g e m e n t , m a c h i n es e t t i n g s ，a n dp cs w i t c hc o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o na r ed e c l a r e d f i n a l l y , t h es y s t e mo f n cp r e s sd r i v e nb ya cs e l g om o t o ri st e s t e d 。i ti ss h o w nt h a t t h es t a t eo ft h ep r e s sc a nh em o n i t o r e di nr e a l t i m ea n da c c u r a t e l y , a n dp r e f o r m e d s p e c i f i c a t i o no f t h ep r e s si ss a t i s f i e d k e yw o r d s ：a cs e r v o ；s e r v op r e s s ；h c i ；p r o c e s s i n gm a n a g e m e n t ；m o n i t o r i n gs y s t e m ； r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n 儿 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：二董当吖年3 月论文作者( 签名) ：星：j吖年 3 月 学位论文使用授权说明 7 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：整鱼 枷，年；月7 _ 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流伺服技术及交流伺服电机控制冲床 1 1 1 交流伺服控制技术 伺服系统是自动控制系统的一个分支，最早出现于2 0 世纪初期，1 9 3 4 年第一次提 出了伺服机构( s e r v om e c h a n i s m ) 概念，到2 0 世纪中期伺服系统的理论与实践趋于成熟， 并得到广泛应用。随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术发展突飞猛进， 到如今伺服系统的应用几乎遍及社会的各个领域，尤其在机械制造行业中，机床的运动 部分的控制都采用过伺服系统控制。根据伺服系统构成的具体结构不同，伺服系统可以 分为电气伺服控制系统、电液伺服控制系统和电器伺服控制系统。而电气伺服系统又 分为直流伺服系统和交流伺服系统。 交流伺服技术始于上世纪7 0 年代后期到8 0 年代初期。随着科技、材料以及制造工 艺的发展，机器性价比的提高，采用交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主流。 交流伺服驱动技术已成为工业领域实现自动化的基础技术之一。交流伺服电机是一种受 输入信号控制并能快速做出响应的电机，其控制精度高，运转平稳，在其额定转速范围 内都能输出额定转矩，过载能力强，可控性好、性能可靠，响应迅速。因此，交流伺服 电机作为主要执行元件，广泛地应用于自动控制系统、自动监测系统和计算装置、增量 运动控制系统以及家用电器中i jj 。 从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是a c 伺服系统。在工业发达国 家，a c 伺服电机的市场占有率已经超过8 0 。在国内生产a c 伺服电机的厂家也越来越 多，正在逐步地超过生产d c 伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些 微型电机领域之外，a c 伺服电机将完全取代d c 伺服电机1 2 1 。 1 1 2 交流伺服电机控制冲床 由常规电机拖动的传统机械冲床通过选择适当的执行机构及构件的尺寸，得到满足 冲压工艺要求的运动规律。常见的滑块驱动机构有曲柄式、肘杆式、螺旋式和连杆式等。 虽然采用偏置曲柄滑块机构、多连杆机构、非圆齿轮机构等可以部分改变滑块运动规律， 但种结构方案无法满足多种工艺要求，当各杆件的尺寸参数确定后，滑块的运动特性 也随之确定，因而不具有柔性，难以用于不同的冲压工艺。 将交流伺服电机应用于机械冲床的研究始于上世纪9 0 年代，美国俄亥俄州立大学 河海大学工学硕士学位论文 6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 工程研究中心，该中心提出了由交流伺服电机驱动滚珠丝杠或曲柄，通过多杆机构将电 机的转动转化为滑块所需的直线运动，并制造了木头模型装置。之后，将交流伺服电机 应用于机械冲床的研究迅速发展。日本、加拿大等国均进行了深入的研究。交流伺服冲 床从其提出，仅仅经过了短短十几年的时间，已经取得了飞速的发展，这不仅源于相关 技术的进步，同时也源于交流伺服冲床本身所具备的良好加工特性。 近十年来，交流伺服电机逐步用于机械冲床中。它能方便地改变滑块的运动曲线， 获得不同的工件变形速度，保证冲压件的质量。交流伺服电机驱动冲床是成形装备发展 的新动向，设备柔性化发展的必然趋势。与常规的交流异步电机驱动的机械式冲床相比， 交流伺服电机驱动的冲床具备以下优势： 1 ) 高柔性。滑块运动曲线不再仅仅是余弦曲线，可根据不同生产工艺和模具要求( 如 冲裁、拉深、板料挤压等) 进行优化设置，通过程序编制实现滑块“自由运动”，大大提 高了冲床智能化程度和适用范围。 2 ) 高生产率。滑块行程可根据生产工艺的需要调整。如对于薄板冲裁，曲柄无需完 成3 6 0 。旋转，而仅进行一定角度的摆动来完成冲压工作。 3 ) 高精度。由传感器组成的全闭环控制系统能实现高精度的位置控制。如偏心载荷 引起的在下死点中心处的位置波动及滑块各点处的平行度波动可控制在士l o 岬以内( 3 】o 4 ) 低噪音。无飞轮、离合器等零件，简化了机械传动，从而可大大降低噪音。 5 ) 节能、易于维护。交流伺服电机转子采用永磁体，减少转子铜耗的同时也使冷却 系统简单。交流伺服电机的恒矩频特性，能有效保证传动力矩，使机械传动机构简单， 使系统易于维护。此外，电气制动储能装置也能耗大为减少。 6 ) 体积、重量减少。由于交流伺服电机转子采用高磁通密度的永磁体，所以体积相 对异步电机大大减小。 随着交流伺服技术的不断发展进步，将交流伺服技术引入到工业控制领域成为一种 趋势。研究开发交流伺服数控冲床及其工艺管理及监控系统，将有助于提升整个伺服数 控冲床的整体性能，具有很好的应用价值和市场前景。 1 2 a c 伺服电机数控冲床系统 1 2 1a c 伺服数控冲床发展现状及特性 2 第一章绪论 a c 伺服冲床是指采用a c 伺服电机正反转所产生的动力，不通过飞轮和制动闸，而 是通过改变螺杆和曲柄的往复动作，实现滑块进行上下运动的冲压机，与传统冲床相比， 其工艺上的最大特点是：滑块运动曲线不在仅仅是简单的j 下弦曲线，而是可以根据工艺 要求进行优化设计的任意曲线，这极大的扩大了加工范围，增强了加工柔性。依靠对工 作曲线的设计，控制冲裁时的冲头速度，提高模具的使用寿命。 目前，日本企业在伺服冲床的研发上处于领先水平，会田、网野、小松等企业不但 已经生产出市场化的产品，而且更深入的研究仍在继续。其代表产品有会田工程技术( 上 海) 有限公司的n s 2 1 6 0 0 d 高力矩新型伺服压力机，j 、松产机株式会社推出的h 1 f 系列。 日本网野公司开发出了世界上最大级的机械肘杆式伺服压力机。另外德国t r u m p f 、美 国s t r i p p i t 、瑞士r a s k i n 、瑞典p u l l m a x 等公司也致力于伺服冲床的研究与开发。 目前，国内研制和生产数控冲床的有济南铸锻所、扬州锻压机床厂、上海第二锻压 机床厂、哈尔滨锻压机床厂等，它们己基本上具有数控冲床配套生产能力，但和发达国 家相比还较落后，控制精度不高，功能单一，硬件可靠性不够，软件环境差，很多关键 技术如c n c 系统、伺服电机等还依赖于进口，这种局面在一定程度上会影响国内冲床 的发展。在交流伺服冲床方面国内研究起步较晚，在西安交通大学和广州工业大学等一 些院校已经有所研究，但至今仍没有市场化的产品出现。 a c 伺服冲床采用a c 伺服电机作为驱动源，a c 伺服电机的可控性，保证伺服冲床了 具备良好的工艺柔性，a c 伺服冲床表现出仍意加工的生产特性，可以实现多种多样的 滑块运动曲线，提高零件成形性。其成形范围是油压机的1 5 倍以上，拉伸比可提高 2 0 - - 3 0 。同时，可将滑块运动停止进行保压，可提高高强度钢板、铝合金等材料的成 形性。采用a c 伺服电机作为驱动源，提高了冲压效率，特别在冲床加工过程的合模过 程中，传统冲床提高冲压次数会给成形带来不良影响，而降低合模速度，又势必影响加 工效率。采用a c 伺服冲床，合模的过程中降低合模时的滑块速度，提高回升时的速度， 可以将生产效率最大提升至1 9 0 。同时，因为减小了冲击，模具寿命了提高3 倍。在相 同合模速度条件下，伺服冲床与传统冲床加工速率对比曲线如图1 1 所示。 i 赳赶 图l - l 合模速度相同情况下加工速度情况 3 河海大学工学硕士学位论文 6 0 a c 伺服教控冲床上位机和下位帆实时通信实现和加工工艺管理 1 2 2 a c 伺服数控冲床系统组成 a c 伺服冲床采用交流伺服电机驱动传动机构，传动机构将电机的旋转运动转化为 滑块的直线运动，通过位移传感器检测滑块的运动实现闭环控制，滑块和工作台的距离 还可以通过调模电机实现装模高度的调整。加工时模具“上模”安装在滑块上，“下模” 固定在工作台面。由滑块冲击模具，从而冲击出所需要的形状和尺寸。一款交流伺服冲 床的原理图如图1 - 2 所示。 图卜2 日本小松h 2 f 型a c 伺服冲床 交流伺服数控冲床主要包括以下几个部分：人机交互系统、设置管理系统、状态监 控、通信设备、数字控制器件构成的逻辑执行设备、驱动装置和冲床机构以及检测元器 件。如图卜2 所示。 图l - 2 伺服数控冲床系统构成 系统通过人机交互实现操作人员和伺服冲床系统之间的联系；设置管理系统，实现 包括模具加工工艺参数的设置，机器设置，文件管理在内的功能：状态监控动态监测当 前冲床加工运行状态。输入、输出设备实现控制信息的下传和伺服冲床信息的上载。逻 辑执行器件t n c 装置) ，完成逻辑执行的全过程。驱动部分包括驱动部件、速度反馈和 控制单元，执行逻辑执行器件发出的运动命令，驱动冲床传动机构。、反馈环节由直线 检测元件、光电编码盘、载荷传感器等传感设备组成，测量直线位移、角位移、冲床载 4 第一章绪论 荷等参量，提供实际位簧的脉冲信号信息和载荷的电量信号，并与给定值比较，从而实 现闭环数字控制。 1 3 交流伺服电机控制冲床监控系统 交流伺服数控冲床数控系统其监控子系统包括系统软件和应用软件。其中系统软件 是提供用来正确、合理使用硬件资源且满足监控实时性要求的软件，包括操作系统、汉 字处理系统和实时多任务系统等，是数控系统应用软件运行的一个软件平台。而应用软 件实现和完成监控、工艺管理和工艺编制等功能的监控和编程。 监控子系统的系统软件作为数控系统的一个核心软件，需要综合考虑软件各方面的 性能。目前，国内数控系统中广泛采用的两类操作系统是w i n d o w s 和d o s ，它们都不 是开放式数控系统的理想平台，用户不能获得其源代码，给开发带来了很大的困难。 l i n u x 是基于开源思想开发的自由软件，是一种免费的、源代码开放的、纯粹的g u n 操作系统，用户只要遵守g p l ( g u ng e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 的规定，就可以免费获得拷 贝和大量的应用程序，而且可以任意的修改补充。同时，l i n u x 下有同样遵循g p l 规则 的c 、c - h 等一系列软件工具开发包，其功能并不亚于商用开发包，极大地降低了应用 软件的开发成本。相对w i n d o w s 和d o s 而言，l i n u x 提供了比其他任何操作系统都要 强大的功能，系统具备良好的可裁减和编译功能。l i n u x 继承了u n i x 的许多特点，借 鉴了u n i x 的许多设计并实现了u n i x 的a p i ( 由p o s i x 标准和其他s i n g l eu n i x s p e c i f i c a t i o n 定义的) 。相比w i n d o w s 它支持更广泛的处理器，大多数l i n u x 集成套件 不仅能够运行在基于i 3 8 6 、a l p h a 、p p c 等众多的计算机平台，还可以运行在s u n 工作 站、基于p o w e r p c 的计算机甚至a m i g a s 上。随着数控系统的性能要求的不断提高，数 控领域对数控系统实时性的要求越来越高，数控系统采用基于l i n u x 的实时控制技术可 以很好地解决数控系统的实时性问题，同时，实时控制技术还可以应用于工业控制、航 空航天技术等其他领域f l o l i i j 。因此，l i n u x 是开发开放式数控系统的理想平台，在交流 伺服数控冲床中，采用l i n u x 作为系统软件，具有一定的理论研究价值和实用价值。 监控子系统的应用软件要完成文件管理、控制方式选择、冲床运行状态显示和处理、 自动加工动态跟踪等功能。人机交互控制信息要通过应用软件转换为数控系统指令代 码，对冲床进行控制：面冲床的运行状态和加检测信息等也要通过应用软件的处理呈 现给用户。由于来自冲床的信息是实时的、随机的和不可测的【”，而监控系统要进行及 时的显示和处理，因此，对监控子系统控制的实时性要求非常高。随着c n c 技术和计 算机技术的发展，应用软件的人机交互方式更为友好，控制能力大为增强，功能也不断 完善 9 1 。为用户提供完善的工艺管理和工艺编制功能。 1 4 课题的主要工作 河海大学工学硕士学位论文6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 课题旨在开发具备良好人机交互能力、实时监控能力、较高精度的开放式交流伺服 数控冲床加工工艺管理及监控系统。本文首先阐述了伺服技术、数控冲床技术的发展， 分析了数控冲床的组成及工作原理，在此基础上提出了交流伺服数控冲床的组成。简述 了交流伺服数控冲床的整体结构设计、上位机控制系统硬件结构和软件系统实现。介绍 了工控机与p l c 之间实时串口通信的实现，伺服冲床肘杆机构数学模型的转化，上位 机系统软件监控报警程序的实现和数控系统机器设置模块的开发。论文分为以下几个主 要部分： 第一章绪论部分，主要介绍了交流伺服技术及交流伺服电机控制冲床的概念及发展 历程，提出了伺服数控冲床系统结构，阐述了课题研究的目的以及课题的主要工作。 第二章简述了冲床的传动形式，详细介绍了机械式传动冲床的几种传动方式，选择 曲柄传动的交流伺服电机直接驱动作为主传动方式。介绍了当前存在的几种主要的数控 系统控制系统硬件结构。提出了本课题中交流伺服数控冲床的总体结构设计方案，并设 计了数控冲床的硬件总体结构。对冲床机械传动机构进行了数学仿真，确定了伺服冲床 肘杆机构数学模型。 第三章说明了交流伺服数控冲床系统功能和性能设计要求，设计了加工工艺管理及 监控系统总体结构，探讨了工艺管理及监控系统设计实现的技术方案。最后针对l i n u x 系统进行了性能测试和分析。 第四章介绍了数控系统的研究与开发，具体描述了数控系统重点环节的开发，上位 机与下位机通信，冲床监控系统、工艺设置管理系统、机器设置等功能的实现和上位机 系统开关机配置。 第五章系统运行调试，测试伺服数控冲床的基本性能，对冲床运行精度测试进行了 分析说明。 第六章结论与展望。对全文进行了总结，指出了今后改进的方向。 6 第二章交流伺服数控冲床系统的结构及可行性分析 第二章交流伺服数控冲床系统的总体设计 锻压机床是工业基础装备的重要组成部分之一，在航空航天、汽车制造、交通运输、 冶金化工等工业部门得到广泛应用。在任何一个工业发达国家，锻压机床的技术水平和 拥有量是其工业发达水平的重要标志。近年来，随着我国以汽车为龙头的制造业的飞速 发展，大大刺激了锻压生产的进步，新型的锻压装备不仅能确保通用产品的性能、质量 和可靠性，且国产大型精密高效的成套设备、自动化生产线、f m c ，f m s 等高新技术 和高附加值的锻压生产装备正在装备着我国的制造业，与国外公司竞争市场【1 2 l 【1 3 1 。 2 1 冲床传动方式 驱动装置是所有机械设备的核心，它提供装备所需能量并实现执行元件加工所需要 的运动规律。塑性加工设备的传动形式通常有三种：液压传动；气压传动；机械传动。 液压机是载荷限量设备，其最大作用力是确定的，完成工艺的能力主要受最大载荷的限 制；锻锤是能量限定设备，每次打击输出的能量是事先调定的，完成工艺的能力取决于 打击时执行机构释放的能量：曲柄冲床是行程限定设备，滑块的行程是确定的，完成工 艺的能力因行程位置而异。其中，蒸汽锤是第一次工业革命一蒸汽时代有代表性的设 备，而曲柄冲床则是第二次工业革命一电力时代有代表性的设备。 在现代化生产中多数生产机械都采用电力拖动。机械传动的成形设备最大的问题是 运动参数固定，调节困难。多年来，人们一直希望能增加机械成形设备的柔性，使设备 的工艺参数能得到方便的调节，以便实现工艺参数优化，提高工作性能。上世纪末出现 了一种基于交流伺服电机和机械传动系统的数控重载机械驱动技术，用于成形设备主传 动的数控系统。它以交流伺服电机为动力。通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或其他机构将电 机的旋转运动转化为滑块所需的直线运动。将其作为成形装备的主传动，大大提高设备 的智能化水平、可靠性和使用性能，简化结构和安装调试工作，降低能耗，减轻重量， 彻底消除油液对环境的污染。 2 2 机械传动冲床的各种驱动方式 机械式传动大致分为普通交流异步电动机一飞轮联合驱动方式、变频器一交流异步电 机一飞轮联合驱动方式和交流伺服电机直接驱动方式三种方式。在本文中统一将使用离 合器作为传动方式的冲床机构称为传统机构。下面对上述三种驱动方式做一个简单的介 绍。 2 2 1 普通交流异步电动机一飞轮联合驱动方式 7 河海大学工学硕士学位论文6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 目前国内外广泛应用的机械冲床中，一般采用普通的不可调速的交流异步电机驱 动，电机通过三角皮带与飞轮连接。由于冲床承受的是短期高峰负荷，即冲床的负载具 有强烈的冲击性，在一个完整的工作周期内只在较短的时间内承受工作载荷，而较长的 时间内是空程运转。若依此短暂的工作时问来选择电机的功率，则电机的功率将会很大。 根据目前国内外采用的普通交流异步电机一飞轮联合驱动的机械冲床的大量统计结果表 明，具有相同公称力的国内外冲床的电机功率基本上一致。电机功率与冲床的公称力的 关系可以近似用下面的公式表示【1 4 1 ： n = ( o 0 7 0 i i ) p g 其中：电机功率： p 。公称力。 从上面的计算中可以看出，在机械冲床中，飞轮起着储存能量的关键作用，锻冲的 瞬时，主要依靠飞轮释放能量。锻冲完成后，电机带动飞轮加速旋转，使其在锻冲下一 个工件前恢复到原来的角速度，从而存储足够的动能。锻冲的能量，不是直接由电机供 给，而是主要由飞轮供给，所以电机的功率便可以大大减小。该驱动方式简单，成本较 低但由于飞轮惯性很大，而交流异步电机额定滑差率很小，因此，位于飞轮之后的旋 转系统的转速在一个工作周期中近似不变，从而直接通过电机调速驱动带飞轮的机械冲 床的传动系统实现变速难度很大。 2 2 2 变频器一交流异步电机一飞轮联合驱动方式 采用这种驱动方式的冲床使用高滑差率电机带动大飞轮，通过大飞轮存储能量，在 冲压过程中靠飞轮释放出能量补偿冲压过程尖峰负荷的冲击，通过变频器来实现电机的 调速，从而实现对滑块运行速度的调整。 该种冲床的主传动电机采用高阻抗特殊电机，它是按照冲床运行周期、工作量、飞 轮速降等参数专门设计的，具有较高的转差率。这样可在克服冲击负载时软化电机的工 作特性，保证飞轮在电机1 5 速降时释放出大量的能量，并且能够在冲床滑块到达上死 点时恢复到冲床的额定转速。 变频调速方式使飞轮的稳定运转速度面降低，可能导致变形所需的能量不足，并降 低了在任意角度的速度，使滑块的行程次数下降，特别是无法明显降低锻冲阶段的速度。 2 。2 3 交流n 1 1 m 电机直接驱动方式 采用伺服驱动的伺服冲床与传统驱动方式的冲床不同，由于采用了伺服电机驱动， 冲床可根据不同的生产需要设定不同的行程长度和速度；通过伺服冲床上配置的光栅 尺，能够始终保证下死点的成形精度，可达到微米级，有效抑制了产品的毛刺及其他不 8 第二章交流伺服数控冲床系统的结构及可行性分析 合格品的出现；可超低速运行；模具振动小，大大提高了模具的使用寿命；没有离合器、 制动部分，节省了电力和润滑油，降低了运转成本。伺服冲床具有复合性、高效性、高 精度、高柔性、低噪环保性等特点，充分体现了锻压机床的发展趋势，完全突破了传统 冲床的概念，它的出现必将引起一场机械压力的革命1 4 】i 。5 1 。几款交流伺服驱动机械冲床 与通用机械冲床的性能比较如表2 - 1 。 表2 1 交流伺服驱动机械冲床与通用机械冲床的比较 淤 h 1 f 2 0 0j f 2 1 - 2 0 0j z 2 1 2 0 0 ，s h 2 f 2 0 0 技术参数sh 多连杆机构开式固定台冲床 公称力k n 2 0 0 02 0 0 02 0 0 0 2 0 0 0 公称力行震i m m 6666 滑块行程_ m m 2 5 0 1 6 03 m 之0 02 2 02 2 0 最大行程次数r a m- 5 07 08 83 52 5 4 5 装模高度m m 4 5 04 7 53 5 5 1 5 装模高度调节n u n 1 2 01 0 05 0 01 2 0 左右n u n 8 5 01 8 5 01 2 01 0 6 0 滑块尺寸 前后m m6 5 09 5 01 0 3 0 6 5 0 工作台 左右m i m1 4 5 01 8 5 06 5 0 1 4 9 0 尺寸 前后m m 8 4 09 5 01 4 5 08 4 0 左右m m 1 7 4 0 5 5 0 0 1 6 0 01 6 0 0 外形尺寸前后m m 2 3 6 02 4 l o2 4 5 5 2 4 5 5 高r a m 4 2 7 04 5 0 03 9 0 03 7 6 0 电机功率w 3 03 74 0 21 51 5 由于伺服电机的转速具有良好的可控性，且能在转速范围内输出恒定的转矩，因而 可以使用伺服电机驱动冲压机构，以便独立地控制滑块的位置和速度，并且可以很容易 地将伺服电机与n c 控制联系起来。 驱动方式常通过丝杠或曲柄将伺服电机的输出转化为滑块的运动，由于伺服电机的 功率较小，一般还要通过多杆增力机构来实现力的增值，进而完成冲压加工。 交流伺服电机直接驱动方式有两种典型的传动机构：一种是由伺服电机带动丝杠旋 转，使多杆机构推动滑块完成冲压工作；另一种是由伺服电机带动曲柄旋转，使多杆机 构推动滑块完成冲压工作。 9 河海大学工学硕士学位论文 6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 1 ) 丝杠传动的交流伺服电机直接驱动方式 由于伺服电机的功率较小，常与多杆增力机构和丝杠相连，从而推动滑块进行冲压 工作。在图2 - 1 ( a ) 机构中，伺服电机和丝杠在多杆机构的运动过程中保持不动；在图2 - l ( b ) 机构中，在多杆机构的运行过程中，伺服电机和丝杠做轴向转动，这就能得到更多的冲 压特性。 ( a ) 伺服电动机固定式 彻伺服电动机摆动式 图2 1 丝杠传动的交流伺服电机直接驱动肘杆冲床 2 ) 曲柄传动的交流伺服电机直接驱动型冲床 a 由于旋转传动能传递比线性传动更大的扭矩，所以用曲柄代替丝杠，以交流伺服电 机直接驱动双肘杆冲床。通过进一步比较这种冲床和连杆驱动冲床的载荷特性，优化设 计选定的双肘杆式冲床的尺寸参数，能够设计制造出公称压力达到数百吨的机械冲床。 2 3 交流伺服数控冲床总体结构设计 项目旨在开发一款6 0 t 交流伺服数控冲床，课题开发设计的交流伺服数控冲床的主要 性能指标见表2 - 2 。 2 3 1 交流伺服数控冲床传动机构选择 根据预先制定的性能指标，综合对各种机构工作特性的分析，在交流伺服数控冲床 传动机构中，采用曲柄传动的交流伺服电机直接驱动的方式。机床主传动系统采用肘杆 机构，结构简洁、尺寸小、易于制造、刚度高，肘杆机构具有很大的传动比和良好的急 回特性，保证了载荷的有效传递和冲床的工艺性能。在机械系统的运动链中交流电机通 过同步带和齿轮传动带动曲柄运动，可以减少肘杆机构的传动比，同时增大驱动力矩， 并保持系统一定的惯性。本课题的交流伺服冲床传动机构简化模型如图2 2 所示。 1 0 第二章交流伺服数控冲床系统的结构及可行性分析 表2 - 26 0 t a c 伺服数控冲床主要性能指标 名称 技术参数 公称力( 哪 6 0 0 公称力行程( m a t ) 6 滑块行程( m m ) 1 2 0 行程次数( r n i l n ) 6 0 最大封闭高度( 姗n ) 3 0 0 下死点控制精度( 删吡) 0 0 2 电动机功率( k v 0 1 1 图2 2 冲床肘杆机构简化模型 2 3 _ 2 交流伺服数控冲床控制系统总体结构 伺服 机 目前市场上的数控产品主要存在以下几种硬件系统结构嗍【2 7 1 1 2 s l ： 1 1 单处理器为核心的数控系统 该系统结构是最原始的数控系统结构，结构简单，实现简便，但由于受只采用单处 理器的影响。系统性能不高。 2 ) 工业p c + 运动控制卡为控制核心的数控系统 该系统结构是将运动控制卡插入到p c 的标准插槽中，整个系统由p c 扩展而成。 p c 完成非实时任务。运动控制卡成为数据、信号的通道，是一个驱动接i ：l 。 河海大学工学硕士学位论文 6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 3 ) c n c 内嵌p c 型 该类型系统是将p c 装入到c n c 内部，p c 与c n c 之间用专用的总线连接。系统 数据传输快，响应迅速，原型c n c 系统可以不加修改就被利用。但该内嵌方式使p c 强大的功能和丰富的软硬件资源得不到有效利用。 4 ) p c 内嵌c h i c 型 该类型系统是在p c 机的扩展槽中插入运动控制板卡或整个c h i c 单元( 包括集成的 p l c ) 。p c 处理非实时部分，实时控制由运动控制扩展卡或c n c 单元来承担。这种方案 能保证系统性能充分利用p c 的软件资源，造价低廉，但很难利用原有c n c 资源。 5 ) tq l ，p c + p l c 组成的数控系统 使用工业p c 作为上位机，p l c 作为下位机，两者之间通过一定的通信方式连接， 分别执行不同的任务。上位机完成加工管理、零件编程和数据处理等工作；p l c 实现逻 辑执行和信号采集等工作。这种方案最容易实现，由于系统的各个硬件结构都很成熟， 因此系统稳定性高，抗干扰能力强。 综合考虑各方面因素，我们选定p c + p l c 的硬件组成结构，使系统具有互操作性、 用户化、集成化、元件化。系统结构实现方式容易，且保留了系统对电机的良好控制特 性。同时，在p c 机上比较容易实现数控系统的人机交互、工艺设置和管理、监控等功 能。伺服数控冲床系统还通过直线光栅尺和旋转光电编码盘等传感器件，构成一个位置、 角度闭环反馈环节，保证伺服数控冲床加工精度。 工业p c 构成的上位机系统，用于运行数控系统软件和人机交互系统等应用软件， 完成数据通信、数据处理等功能。通过鼠标、键盘和显示器等完成人机交互，实现监控、 编程、管理和显示等功能，降低了对后台的实时性要求。由p l c 构成的下位机系统， 实现逻辑执行和数据采集等功能。工业p c 与p l c 之自j 通过r s - 2 3 2 异步串行通信方式 连接。操作人员设置的工艺参数经译码转化后，通过异步串行通信传输到p l c ，并执行 相应动作。p l c 采集光栅尺、光电编码盘等传感器件的信号，p l c 实时采集这些数据， 并将其译码转化，分配给上位机数控系统各个功能模块。 1 2 第二章交流伺服数控冲床系统的结构及可行性分析 封闭高度 滑节电机 图2 - 36 0 t a c 伺服数控冲床总体结构示意图 6 0 t a c 伺服数控冲床总体方案示意图如图2 3 所示。整个数控冲床系统主要由三大 部分组成：机械执行机构、p l c 及伺服驱动器组成的逻辑控制系统、工业p c 及运行在 p c 上的工艺管理和监控系统。图2 3 中： 1 ) a c 伺服驱动电机固定在机架纵向，由于伺服电机的转速具有良好的可控性，加 之其能在转速范围内输出恒定的转矩，使用伺服电机驱动冲虚机构，可以方便的控制滑 块的位置和速度。 2 ) 通过皮带轮和一级齿轮传动驱动曲柄机构，采用曲柄机构，省去了飞轮，电机在 冲压时才旋转，普通曲柄冲床飞轮空转的能耗得以消除。采用曲柄传动的交流伺服电机 直接驱动结构的冲床，旋转传动能传递比线性传动更大的转矩。 3 ) 曲柄端安装光电编码盘检测曲柄速度，通过曲柄速度检测，形成一个速度闭环。 4 ) 曲柄下端直接连接滑块机构，滑块机构位置还可以通过封闭高度调节电机调整， 滑块行程范围上安装高精度光栅尺，随时监控滑块位置，组成一个以光栅尺检测为核心 的全封闭的信息控制系统，使成型更稳定、精确，始终将下死点精度控制在2o _ 所以内。 5 ) p l c 采集处理光栅尺和光电编码盘的信号。整个交流伺服数控冲床的控制系统 结构由两大部分组成： 以p l c + n 服驱动器为控制部件的下位机系统。以p l c 为核心对a c 伺服数控机 床进行实时控制，实时检测滑块位置、曲柄速度、压力等情况。p l c 根据检测参数情况 河海大学工学硕士学位论文6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 实时调整控制策略，形成一个闭环控制系统。 0 以工业p c + 操作系统+ 工艺管理及监控系统为控制核心的上位机系统。冲床数据整 理后通过串口通信方式被工业p c 读取，由上位机系统解释译码，最后显示在上位机操 作界面上，这样方便加工人员更直观的观查机器加工状态，使整个机器更具人性化。上 位机数控系统具备完善的加工工艺管理系统。用户根据加工状态也可实时的更改加工工 艺参数。整个数控冲床的操作过程可视化。 交流伺服数控冲床系统的硬件主要由以下几部分组成：工业p c 、p l c 、系统输入 输出设备、交流伺服电机及驱动器、润滑油路、冲床机械执行部件等组成。系统的硬件 结构框图如图2 - 4 所示。 1 0 图2 - 4 交流伺服数控冲床系统硬件结构 伺服数控冲床系统在工业p c 处还提供一个网络接口，p c 通过网络接口实现上位机 应用软件的更新。网络更新原理图如图2 - 5 所示。 1 4 第二章交流伺服嚣控冲床系统的结构及可行性分析 图2 - 5 工控机数控系统更新网络连接示意图 2 4 交流伺服数控冲床传动机构模型仿真 由于肘杆机构固有的结构特点，其数学模型十分复杂，但系统的工艺设置和状态监 控中都需要机构模型。因此，我们对伺服冲床肘杆机构进行仿真，得到曲柄、滑块间的 离散数学模型。 2 4 1a d a m s 介绍 a d a m s 作为机械结构的仿真软件，使用交互图形环境和部件库、约束库、力库， 用堆积木的方式构建三维机械系统参数化模型，并通过其运动性能的仿真和比较来研究 “模拟样机”的可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估计机械系统性能、运动范 围、碰撞检测、峰值载荷和计算有限元的载荷输入。a d a m s 包括交互式图形界面 a d a m s v i e w 和仿真求解器a d a m s s l o v e r t “1 9 1 。a d a m s 采用两种直接坐标系：总体 坐标系和局部坐标系，它们之间通过关联矩阵相互转换。 总体坐标系是固定坐标系，不随任何机构的运动而运动。它用来确定机构的位移、 速度和加速度等参数的参考坐标系。局部坐标系固定在机构上随机构一起运动。机构运 动时，与运动相关的线速度、线位移、线加速度等线物理量和角速度、角位移、角加速 度等角物理量都可以通过局部坐标系相对于总体坐标系移动或转动的关系确定。 a d a m s 的整个计算过程可以分成以下几个部分：1 ) 数据输入；2 ) 数据检查；3 ) 机 构的装配及过约束的消除；4 ) 运动方程的自动生成；5 ) 积分迭代运算过程；6 ) 运算过程 中的检查和信息输出；7 1 仿真结果输出。 与其它仿真分析软件相比，a d a m s 具有以下几个特点【2 们5 】： 河海大学工学硕士学位论文6 0 t a c 伺服数控冲床上位机和下位机实时通信实现和加工工艺管理 1 ) 提供了多个通用求解器 a d a m s 提供了供静力学分析的静力学求解器r ( s t a t i cs o l v e r ) 、平衡位置的准静力学 求解器( e q u i l i b r i u m ) 、振动分析求解器( v i b r a t i o n ) 和现行模念分析的线性化求解器 ( l i n e a r ) 。此外，如果机构间元件作用力可忽视，可以选择运动学求解器r ( k i n e m a t i c s s o l v e r ) ：如果机构间元件作用力不可忽视，可以选择动力学求解器( d y n a m i cs o l v e r ) 。 2 ) 提供丰富的样本库、专用模块 a d a m s 本身可以方便的产生各种简单形状的零部件。在模型的各零件之问，通过 联接件、运动发生器、广义力和力矩施加约束，建立系统的多体分析模型。a d a m s 还 提供用户二次开发的功能，实现用户的一些特殊要求。a d a m s 主工具栏如图2 - 6 所示， 工具栏中提供常见零部件的模型。 3 ) 开放的软件环境 对于几何形状复杂的零部件。可以首先使用c a d 建模，然后导入a d a m s 。对于 无力模型的许多柔性零部件，a d a m s 软件也提供了多种相应建模方法。此外，a d a m s 还提供柔性矩阵生成器来满足用户的特殊需求。 4 ) 提供功能齐全的工程分析与优化设计功能 利用l i n e a r 模型的特征值分析，通过a d a m s 的参数化设计等功能，计算模型在不 同情况下的动力学响应，分析比较各参数的变化对整个系统工作性能的影响，并提出修 改意见，从而减少设计时间，降低成本。 图2 - 6a d a m s 主工具栏 1 6 第二章交流伺服敷控冲床系统的结构及可行性分析 5 ) 提供了与控制软件的接口 a d a m s c o n t r o l 模块提供了与m a t l a b