基于虚轴法的三维数控弯丝机控制系统设计.docx

：基于虚轴法的三维数控弯丝机控制系统设计吴 晓 君，韦 保 全，高斌，路超（西安建筑科技大 学 机电工程学院 ，陕 西 西 安 ；中航工业庆安集团有限公司 ，陕 西 西 安 ）摘 要 ：三维数控弯丝机在弯制工件时不仅需要对各轴进行精确的位置控制 ，还需要对多轴进行位置的同步控制 ，而其同步控制的 好 坏将直接影响到工件成形质量 为提高三维数控弯丝机的位置同步控制精度 ，应 用 西 门 子 为 运 动 控 制 器 ，采 用 位 置 闭 环 控 制 方 案 ，针对旋转式三维数控弯丝机进行了控制系 统 设 计 在 该 控 制 系 统 基 础 上 ，通过采用虚拟轴同步控制策略的方法 ，对弯丝机多轴位置同步 控制进行了实验 ，根据实验得到的多 轴 同步的实际运行曲线 ，对测试结果进行了分析 实 验 表 明 ，与其他同步控制策略相比 ，基于虚拟轴同步控制策略 的弯丝机控制系统同步控制精度高 ，稳 定 性 好 ，满足工件加工的同步控制要求 关 键 词 ：数 控 弯 丝 机 ；虚 拟 轴 ；同 步 控 制中 图 分 类 号 ：文 献 标 志 码 ：文 章 编 号 ：（） ， ， （，；，）： ， ， ， ， ， ， ： ；我 国 在 汽 车 、建 筑 、家电等 行 业急需大批量弯制 精 度 高 、多 种 形 状 的 金 属 线 材 成 型 制 品 ，因 此 研 发 高性 能 的 弯 丝 设 备 具 有 重 大 意 义 国 内 自 主 研 发 的 弯丝 机 主 要 定 位 于 二 维 加 工 ，例如天 津市生产的先锋 系 列 和 系 列 的 弯 丝 机 ，由 于 其 弯 曲 机 头 的 固 定 性 ，不 能 对 工 件 进 行 三 维 加 工 虽 然 国 内 也收 稿 日 期 ：基 金 项 目 ：陕西省科技厅工业攻关项目 （）；高校研究生教改项目（）作 者 简 介 ：吴 晓 君（），女 ，江 苏 扬 州 人 ，副 教 授 ，博 士 ，从事先进制造系统及自动化研究 ，： 工 程 设计 学 报第 卷对 三 维 弯 丝 机 或 弯 管 机 作 了 设 计 ，但 具 有 明 显 的 缺点 ，例 如 文 献设计的 三维弯 管 机是对管材进行空 间 旋 转 ，这 样 则 须 在 弯 管 前 就 对 管 材 进 行 切 割 ，工 序麻 烦 本 文 针 对 新 型 的 三 维 旋 转 机 头 式 数 控 弯 丝 机 ，设 计 开 发 了 针 对 性 强 的 控 制 系 统 ，由 于 弯 丝 机 头 是 可 旋 转 的 ，因 此 不 必 预先切割线材就可对 其 进行二 维 或 三 维 的 自 动 连 续 加 工 本文以 弯丝 机对各 个伺服 轴 的角速度和角位移 的 同步精准控制为目标 ，以 西 门 子 运 动 控 制 器 为 开 发 平 台 ， 机 作 为 上 位 机 ，开 发 设 计 了 一 套 针 对 性 强 的 控 制 系 统 弯 丝 机 在 加 工 时 需要 精 确 同 步 控 制 各 伺 服 轴 ，一 是 为 了 提 高 弯 丝 机 快速 加 工 的 效 率 ，二 是 为 了 满 足 特 殊 工 件 的 加 工 要 求 目前广 泛采 用的同步控 制策略 由 于其控制模型的缺 陷 性 以 及 机 械 主 轴 输 出 测 量 会 带 来 扰 动 ，同 步 控 制效 果 均 不 太 理 想 而基于虚轴法的同步控 制 由于虚 拟 轴 本 身 的 优 越 性 ，目前已被广泛应用于 同 步控制 系 统 中 本 文 在 设 计 的 硬 件 控 制 系 统 基 础 上 ，通 过 运 动 控制器提供的虚拟 轴 同 步 控 制 功 能 ，对 三 维 数 控 弯 丝 机 进 行 了 多 轴 同 步 控 制 设 计 ，最终提 高了 弯丝机在加 工过程 中 对多轴同步控制的 精 度 弯 丝 机 同 步 加 工 工 艺 分 析在 弯 丝 机 加 工 过 程 中 ， 轴 电 机 、 轴 电 机 之 间的 精 确 位 置 可 以 确 定 加 工 曲 线 的 变 化 ，因 此 这 两 轴之 间 建 立 了 关 系 在 轴 、 轴 同 步 加 工 中 ，若 这 两 轴 没 有 按 照各自的设定运行曲线精确同步 ，则 它 们 之 间 的 关 系 会 发 生 变 化 ，那 么 加 工 曲 线 也 会 变 化 ，因 此 会 影 响 工 件 加 工 质 量 如 图 所 示 ，假 设 轴电机驱动的 牵 引 装 置 牵 引 线 材 的 速 度 为，位 移 为 ， 轴 电 机 驱 动 的 折 弯 头 角 速 度 为 ，角 位 移 为 轴 电 机 和 轴 电 机 同 步 运 行 中 ，线材 位 移 量 要 等 于 折 弯 头 角 位 移 量 才 能 正 确 完 成 加 工 若 线 材 位 移 量 大 于折弯头角位 移 量 ，则 图 中 区 域 的 工 件 弯 曲 半 径 会 发 生 改 变 ，从 而 影 响 加 工 成 形 因 此 ，这 两轴是否按照设定的曲 线 同步 来 运 行 ，达 到 角 位 移 的 精 确 同 步 ，将 在 很 大 程 度 上 直接 影 响 到 加 工 成 形 的 质 量 三维数控弯丝机结构及同步控制 三 维 弯 丝 机 各 伺 服 轴 结 构 描 述图 同步加工示意图 该 三 维 数 控 弯 丝 机 各 伺 服 轴 结 构 如 图 所 示 图 中 牵 引 装 置 有 个 牵 引 轮 ，由 轴 伺 服 电 机 驱 动 ，负 责 线 材 的 精 确 定 位转 盘 由 轴 伺 服 电 机 驱 动 ，使 折 弯 头 能 对 线 材 的 不 同 角 度 施 加 径 向 力 折 弯 头 由 轴 伺 服 电 机 驱 动 ，实现对线材的 弯 曲 加 工 偏 心 轮 由 轴 伺 服 电 机 驱 动 ，使 剪 切 装 置 自 动 剪 切 线 材 这 种 机 构 属 于 旋 转 机 头 式 机 构 ，机 头 可 以围 绕 线 材 旋 转 ，因 此 在 二 维 平 面 加 工 的 基础 上 还 可 进 行 三 维 空 间 加 工 虚 拟 轴 同 步 控 制在 传 统 同 步 控 制 中 ，主 要 有 命 令 分 配 式 、主 从式 和 耦 合 式 命 令 分 配 式 和 主 从 式 同 步 控 制 模 型 中 ，由 于 运 动 轴 没 有 反 馈 信 号 ，因而当某一运 动 轴受 到 外 部 扰 动 而 发 生 速 度 跃 变 时 ，系 统不能够及时调 节 ，那 么 各 运 动 轴 的 同 步 就 得 不 到 保 证 耦 合 式 同 步 控 制 模 型 由 于 各 运 动 轴 间 加 入 了 参 数 耦 合 ，虽 然 这 能 提 高 各 运 动 轴 之 间 的 同 步 性 ，但 也会导致整个系 统 的 稳 定 性 降 低 虚 拟 轴 同 步 控 制 模 型 是 在 主 从 式 的 基 础 上 ，引 入 了 主 从 式 缺 少 的 反 馈 环 节 ，从 而 克 服了 主 从 式 同 步 控 制 的 缺 点 由 于 机 械 主 轴 的 速 度 和 位 置 值 是 由 传 感 器 来 测 量 ，易受 到传感器测量周 期 和 外 部 因 素 的 影 响 而 产 生 扰 动 ，那么此扰动会导 致 运 动 轴 引 发 更 大 的 扰 动 而虚拟 轴是在多轴运动 的 设 备 中 通 过 虚 拟 一 根 主 轴 ，来模 拟机械主轴的机 械 特 性，所以虚 拟轴同 步控制可 降低机械主轴引 起 的 扰 动 虚 拟 轴 的 同 步 控 制 模 型 如 图 （）所 示 牵 引 装 置 ； 转 盘 ； 折 弯 头 ； 偏 心 轮 ； 剪 切 装 置 图 三维弯丝机各伺服轴结构示意图 第 期吴 晓 君 ，等 ：基于虚轴法的三维数控弯丝机控制系统设计 图 中 ， 机 通 过 以 太 网 和 通讯 ，可 向 发 送 操 作 指 令和接收反馈信号 利 用 内 部 的 逻 辑 电 路 对 接 收 到 的 操 作 指 令 进 行 相 应 计 算 后 产 生 控 制 脉 冲 ，通 过 总 线 发 送 给 的 主 控 制 器 把接收到的脉 冲 送 入 脉 冲 列 形 态 ，经 过 内 部的 各 控 制 环 路 后 产 生 转 矩 电 流 ，通 过 高速 接 口 传 输 给 个单轴电机模块 ，由此来驱动控制 ， 这 个 轴 的 伺 服 电 机 该 个 轴 的 伺 服 电 机 均 内 置 编 码 器 ，可 把 各 自 的 速 度 信 息 闭 环 反 馈 给驱 动 器 ，实 现 半 闭 环 控 制为 了 能 够 对 轴 和 轴 进 行 角 位 移 的 精 确 同 步 控 制 ，本 设计中采用光栅 尺 和 光 电 编 码 器 对 轴 和 轴带 动的执行元件进 行 位 移 量 的 直 接 测 量 ，把 位 移 量 通 过的 和 编码器反馈接口传输 给，让 计 算 位 移 偏 差 由 于 上 集 成 了 端 口 ，因 此 不 需 另 外 扩 展 ，图中的控制开关和 传 感开 关主 要 包 括 急 停 开 关 、启 动 按 钮 、限 位 开 关 、原 点 开 关 等 ，控 制 输 出 和 输 出 显 示 包 括 电 磁 阀 控 制 、指 示 灯显 示 等 （）虚拟轴同步控制模型 （） 凸 轮 同 步图 虚拟轴同步控制 本文设 计的 弯丝机 控制系 统 同步控制正是采用 上 述 虚 拟 轴 同 步 控 制 模 型 ，利 用 的 凸 轮 同 步 功 能 ，如 图 （）所 示 ，虚 拟 一 根 主 轴 让 其 匀 速 运 动 ， 轴 电 机 、 轴 电 机 为 运 动 轴 ，预 先 设 置 好 轴 电 机 和 轴 电 机 的 凸 轮 曲 线 ，以 虚 拟 主 轴 匀速 运 动 的 位 置 值 作 为 参 考 基 准 ，按 照 各 自 的 凸 轮 曲线 同 步 运 行 软 件 设 计本 文 以 运 动 控 制 器 的 调 试 软 件和 西 门 子 组 态 软 件 为 软 件 开 发 平 台 ，采 用 模 块 化 结 构 设 计 了 弯 丝 机 软 件 控 制 系 统 ，控 制 系统软件主要 完 成 各 轴电机的运动控制（回 零 ，角 速 度 、角 位 移 、角 加 速 度 的 控 制 等）、辅 助 动 作 的 逻 辑 控 制（开 关 量 控 制）、信 号 的 采 集 处 理 、状 态 监 视 及 故 障诊 断 软 件 系 统 功 能 模 块 如 图 所 示数控弯丝机硬件设计 综 合 考 虑 ，本 文 选 用 作 为 控 制系 统 的 运 动 控 制 平 台 集 逻 辑 控 制 、 工 艺 控 制 、运 动 控 制 于 一 体 ，自 身 集 成 了 口 ，能 够 提 供 虚 拟 轴 对 多 轴 进 行 同 步 控 制 由 于 弯 丝 机 控 制 系 统 的 主 要 目 的 是 对 ， 这 轴 电 机实 现 精 确 的 角 速 度 和 角 位 移 控 制 ，由 此 本 文 设 计 了三 维 数 控 弯 丝 机 控 制 系 统 硬 件 部 分 ，如 图 所 示图 软件控制系统功能模块图 数 控 加 工 模 块 包 括 运 动 控 制 和 逻 辑 控 制 两 部分 ，运 动 控 制 指 的是对各轴电机的角速度 、角 位 移 、角 加 速 度 等 的 控 制 ，逻 辑 控 制 指 的 是 对 逻 辑 开 关 量图 弯丝机硬件原理图 工 程 设计学报第 卷的 控 制 ，这 两 部 分 承 担 加 工 的 主 要 任 务 ，程 序 在调 试 软 件 上 编 写 参 数 设 定 模 块 是 在 组 态 软 件 中 编 写 ，控 制 方 式 设 定 指 的 是 指 定 的 控 制 方 式 ，由 于 个 轴 的 电 机 把 各 自的 角 速 度 值 反 馈 给 驱 动 器 ，驱 动 器 中 选 定 速 度 控 制方 式 ，所 以 应 采 用 位 置 控 制 方 式 加 工 参 数 设 定 是 把 设 定 好 的 参 数 作 为 加工变量传送给 ， 和 不 能 直 接 通 讯，因 此 需 把 加 工 变 量 以 文 件 形 式 先 传 送 给 ， 再 传 送 给 ， 把 这 些 加 工 变量 加 入 数 控 加 工 模 块 的 数 控 加 工 程 序 里 ，控 制 各 轴电 机 达 到 加 工 变 量 的 要 求 状 态 显 示 模 块 能 够 对 系 统 的 所 有 状 态 进 行 实 时 监 控 ，包 括 传 感 器 的 状 态 、工作 状 态故 障 诊 断 是 通 过 端 口 来 实 现 的 ，通 过 监 控 连 接 到 端口上的限位开关 、急 停 开 关 等 的 通 断 来 实 现 （） 轴电机角位移设定曲线 多轴同步控制验证 为 验 证 在 弯 丝 机 控 制 系 统 中 同步 控 制 轴 电 机 和 轴电机角位移的有 效 性和精 确 性 ，进 行 以 下 实 验 （实 验 中 轴 电 机 和 轴 电 机 均选 用 西 门 子 系 列 的 同 步 电 机 ）：在 的 调 试 软 件 里创建一根虚拟主轴 ，让 其 以 匀 速 运 行 ；以 轴 电 机 和 轴 电 机 为 运 动轴 ，设 置 好 它 们 各 自 的 运 行 曲 线 ，当虚拟主轴以匀速 运 行 到 后 ， 轴 电 机 和 轴 电 机 开 始按照 各自 设定的运行 曲线跟 随 虚拟主轴的位置值 运 行 ；通 过 软 件 的 功 能 模 块 抓 取 轴 电 机 和 轴 电 机 的 实 际 运 行 曲 线 来 分 析 虚 拟 轴 同 步 控 制 多 运 动 轴 的 有 效 性 和 精 确 性 轴 电 机 以 及 轴 电 机 的 角 位 移 设 定 曲 线 如 图 所 示 在 里设 置 相 关 参数和运行程 序 后 ，通 过 功 能 模 块 来 追 踪 主 轴 、 轴 和 轴 实 际 的 运 行 曲 线 ，如 图 所 示 在 图 中 ，线 为 虚 拟 主 轴 的 实 际 运 行 曲 线 ，其 以 匀 速 运 行 曲 线 为 轴 的 实 际 运 行 曲 线 ，曲 线 为 轴 的 实 际 运 行 曲 线 线 的 上 升 沿 表 示 轴 电 机 和 轴 电 机 开 始 同步 上 虚 拟 主 轴 ，之 后 以各自设定的曲线跟 随 主轴运 行 ，从 图 中 可 看 出 轴 电 机 和 轴 电 机 开 始 同 步 的 位 置 是 虚 拟 主 轴 的 位 置 处 ，与 理 想 结 果 仅 偏 差 由 于 弯 丝 机 在 同 步 加 工 时 要 对 轴 和 轴 进 行 位 置 同 步 控 制 ，而 轴 和 轴 的 位 置 同 步 误 差 表明 了 弯 丝 机 对 其 进 行 同 步 控 制 的 好 坏 ，因 此 根 据 图（） 轴电机角位移设定曲线 图 实 验 曲 线 图 实 际 运 行 曲 线 曲 线 ，分 析 计 算 得 到 轴 和 轴 的 位 置 同 步 误 差 以及 相 关 参 数 ，如 表 所 示 根 据数控 弯曲类行业标准 ，数 控 系 统 各 轴 的 位 置 误 差 要 能 保 证 在（ ） 以 内 ，而 市 面 上 在 售 的 先 进 弯 丝 机 （例 如 型 ）的 各 轴 位 置 误 差 能 够 保 持 在（ ） 左 右 由 图 与 表 可 知 ，实 验 中 轴 电 机 和 轴 电 机 的 实 际 运 行 曲 线 与 设 定 的 运 行 曲 线 完 全 吻 合 ，虚 拟 主 轴 不会受到实际 器 件 带 来的误差和外部环境的 干 扰 ， 中 轴 电 机 和 轴电机同步运行 中 的 实 际 运 行第 期吴 晓 君 ，等 ：基于虚轴法的三维数控弯丝机控制系统设计 表 虚拟轴同步控制误差表 吴 晓 君 ，韩 刚 ，郑 丹 凤 ，等 旋转机头式弯丝设备 ：中 国 ， ， ， ，： ， 采 样 时 间位 置 误 差， 轴 位 置 同 步误 差轴 名 称叶 志 坚 基 于 的五轴数控弯丝机系统的研发 厦 门 ：厦门大学机电工程系 ，： ： ， ，：沈 一 凛 数控弯丝机线材成形 软 件 设 计 厦 门 ：厦 门大学机电工程系 ，： ： ， ，：肖 亮 亮 ，李 晓 明 ，毛 晓 静 基于虚轴法控 制的多轴同步运 动 系 统 分 析电 气 自 动 化 ，（）： ， ， ，（）：陈 先 锋 伺 服 控 制 技 术 自 学 手 册 北 京 ：人 民 邮 电 出 版 社 ，： ： ，：包 杰 ，李 亮 ，何 宁 基 于 的 开放式数控系统微铣削伺 服 控 制 的 研 究 机械科学与技术 ，（）： ， ，（）：王 昆 ，朱 荻 ，张 朝 阳 微 细电解线切割加工控制系统 机械科学与技术 ，（）： ， ， ，（）：何 华 深 入 浅 出 西 门 子 北 京 ：北 京 航 空航天大学出版社 ，： ： ，：车 红 昆 ，倪 敬 ，项 占 琴 钢