《伺服机械压力机并联驱动同步控制系统【设计报告】》

伺服机械压力机并联驱动同步控制系统设计报告目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 11.1伺服机械压力机的概述 11.2伺服机械压力机发展现状及存在问题 2第二章伺服机械压力机同步控制总体方案 32.1方案的提出 32.2方案的实现 3第三章伺服机械压力机控制系统硬件设计 63.1硬件选型 63.1.1PC控制器选型 63.1.2电机及驱动器选型 93.1.3HMI选型 113.1.4I/O模块选型 133.2电气连接 213.2.1I/O分配 213.2.2操作台及其接线 233.2.3控制柜外围接线 25第四章伺服机械压力机控制系统软件设计 284.1程序的框架与流程 284.2HMI界面设计 30第五章伺服机械压力机的同步控制 375.1工作模式 375.2同步控制的方案 375.2.1电子齿轮耦合的同步控制方案 375.2.2速度模式+扭矩模式的同步控制方案 445.2.3两种同步控制方案的比较 545.3轨迹规划 555.3.1恒速模式 555.3.2变速模式 575.3.3压印模式 585.3.4静音模式 605.3.5拉伸模式 615.3.6弯曲模式 635.3.7摆动模式 64总结 67参考文献 68致谢 691引言1.1伺服机械压力机的概述伺服压力机通常指采用伺服电机进行驱动控制的压力机。包括金属锻压用伺服压力机及耐火材料等行业专用伺服压力机。因伺服电机的数控化特点，有时也广泛称其为数控压力机。图1-1所示为曲柄式伺服机械压力机的工作原理简图。图1-1曲柄式伺服机械压力机的工作原理简图伺服机械压力机的主要特点如下：（a）采用可控驱动元件交流伺服电机为动力，能够在不改变机械结构的条件下，通过改变控制程序得到所需的滑块运动，以适应不同金属材料、不同产品冲压工艺的成形工艺要求，即滑块的运动是可调的，是“柔性”的。（b）在传动机构上，伺服机械压力机去除了飞轮、离合器和制动器，通过伺服电机直接提供压制力，实现各种工作模式，因而具有结构简单、控制可靠、能效高等特点。（c）在控制系统上，伺服机械压力机采用计算机为控制器，采用光电编码器检测曲轴转角或光栅尺直接检测滑块行程，并将信息反馈给控制器，属于闭环控制，可实现滑块运动的速度控制、位置控制甚至压制力控制。1.2伺服机械压力机发展现状及存在问题交流伺服压力机是成形装备的最新发展，以计算机控制的交流伺服电动机为动力，通过螺旋、曲柄连杆、肘杆或其他机构将电动机的旋转运动转化为滑块所需的直线运动。其应用领域已经从注塑机发展到折弯机、机械压力机、数控回转头压力机及螺旋压力机等多种成形设备。采用伺服电机驱动的伺服机械压力机，虽然可以解决普通机械压力机存在的滑块运动不可调、能效低和定位精度差等问题，但是，由于去除了惯性大的储能飞轮，曲柄式伺服机械压力机完全依靠伺服电机输出的瞬时扭矩产生压制力，克服冲压加工时的尖峰负载使金属坯料进入塑性变形，从而极大地增加了伺服电机及其驱动器的容量，而大功率的伺服电机是非常昂贵甚至是不可制造的，尤其对于大吨位的伺服机械压力机，从而造成具有强大功能和性能的伺服机械压力机未能得以普及应用。2伺服机械压力机同步控制总体方案本章的主要目的是从伺服机械压力机的驱动元件和工作机构入手，设计出既具有大吨位又成本较低的伺服机械压力机。2.1方案的提出伺服机械压力机的机械传动链包括驱动元件、减速传动机构和冲压工作机构。机械压力机的吨位是指在公称压力行程点滑块所能承受的最大冲压负载。为了达到设计的吨位，同时尽量减小伺服电机的容量，可从以下三个方面着手：（a）增加减速传动机构的传动比。减速传动机构可以按照传动比放大电机输出的扭矩，但是同时降低了电机输出的转速。由于100kW以上伺服电机一般为力矩电机，其额定转速一般只有几百转/分钟，若通过采用多级减速传动机构以获得很大的传动比，则将大幅降低滑块的工作频率，从而降低设备的工作效率。（b）增加冲压工作机构的增力比。增力比是指机构的输出力/扭矩与机构的输入力/扭矩的比值，即单位输入下的输出值。曲柄式伺服机械压力机的冲压工作机构是曲柄滑块机构，其增力特性较差。若采用增力特性好的冲压工作机构，并以增力比为设计目标对其机构尺度进行优化设计，则可在不降低滑块的工作频率的基础上，大幅降低伺服电机输出的扭矩，进而降低其容量和成本。（c）采用多台较小容量伺服电机并联驱动。目前，世界上只有国外少数几家厂商能开发出150kW以上的伺服电机，由于技术垄断，其产品价格是非常昂贵的。但是，国内很多厂商能制造75kW以下的伺服电机，而且价格要便宜得多。因此，若采用采用多台较小容量的国产伺服电机并联驱动，不仅可选用较小容量的伺服电机，总容量相同下的总成本也将大幅降低。2.2方案的实现(a)机械部分根据上述设计思路，设计的双伺服电机直接并联驱动三角肘杆式伺服机械压力机的模型如图2-1所示。图2-1伺服机械压力机模型1-机身；2，8-伺服电机；3,7-联轴器；4-曲轴；5-三角肘杆；6-电机支撑板；7-联轴器；8-伺服电机；9-支撑轴；10-上肘杆；11-下肘杆；12-导轨；13-导轨调整块；14-滑块；图中，伺服电机2和伺服电机8分别通过联轴器3、7直接驱动曲轴4，曲轴4通过三角肘杆5连接上肘杆10和下肘杆11，上肘杆10绕支撑轴9摆动，下肘杆11通过柱销与滑块14连接，滑块14在导轨12上直线移动；曲轴4、三角连杆5、上肘杆10、下肘杆11和滑块14构成了三角肘杆式冲压工作机构。(b)电气部分由于该伺服机械压力机是使用2个小容量的伺服电机驱动，所以伺服电机必须要同步运动才能达到控制的要求。所以，该伺服机械压力机的电气控制系统硬件连接如图2-2所示。图2-2电气控制系统硬件连接示意图图中，我们采用了全套的德国倍福自动化新技术的产品，包括工业级的嵌入式PC-C1020、工业级的触摸屏、双通道伺服驱动器、2个小容量的交流同步伺服电机以及部分IO模块端子等。通过机械部分和电气控制部分的结合，我们根据相关说明，把这两部分结合起来，制造出了一台由两个小容量伺服电机同步驱动的伺服机械压力机模型，如图2-3所示。3伺服机械压力机控制系统硬件设计本章主要介绍伺服机械压力机控制系统的硬件选型以及选型后的硬件电气连接规划。3.1硬件选型结合本机械压力机的控制要求以及伺服机械压力机实际情况，对控制器、伺服电机及驱动器、HMI、I/O模块等硬件进行选型介绍。3.1.1PC控制器选型为了实现两台同步伺服电机同步控制，所选的控制器需要支持电子齿轮功能，通过查找倍福自动化选型手册，本机械压力机采用倍福自动化控制公司的嵌入式PC-CX1020（如图3-1所示），支持电子凸轮和电子齿轮，此外还可以实现一些特殊功能，例如飞锯等。图3-1嵌入式PC-CX1020嵌入式PC-CX1020控制器包括:基本模块（CX1020-0112、CX1020-N000）、系统接口CX1020-N010、电源模块CX1100-0004。基本模块CX1020-0112、CX1020-N000图3-2基本模块CX1020-0112、CX1020-N000嵌入式PC-CX1020控制器基本模块安装了"MicrosoftWindowsCE.NET"操作系统；预装TwinCAT：TwinCATCENCPTP，联合TwinCAT自动化软件将CX1020系统转化为一个功能强大的PLC和运动控制系统，可以在带或者不带可视化功能的情况下进行操作，具有多达4个用户任务。(b)系统接口CX1020-N010图3-3系统接口CX1020-N010CX1020-N010选件可以通过DVI和USB接口与Beckhoff控制面板或带DVI或者VGA输入的标准监视器相连接。诸如打印机、扫描仪、鼠标、键盘、海量存储器，CD-RW等设备可通过USB2.0接口连接。(c)电源模块CX1100-0004图3-4电源模块CX1100-0004CX1100-0004组件除了提供电源以外，还可提供一些其它重要特性：一个集成的NOVRAM，可实现故障情况下过程数据的安全存储；分两行显示（每行16个字符）的LCD显示器用于显示系统和用户信息。通过CX1100-0004电源模块可以把EtherCAT端子连接到CX1020。3.1.2电机及驱动器选型本机械压力机的创新点之一是两个伺服电机同时驱动，降低伺服电机的扭矩需求，从而降低伺服机械压力机的制造成本，因此需要选用满足同步控制需求的伺服电机。通过查找倍福自动化产品选型手册，同步伺服电机AM3033系列符合同步控制需求。AM3033|同步伺服电机在确定了选用AM3033系列同步伺服电机后，还需要确定同步伺服电机的相关参数。因为两台伺服电机需要与曲柄连接，因此选用带切槽和导向键的电机轴；通过以上的几点要求，可以确定电机的具体型号为AM3033-1C00-0000。图3-5AM3033-1C00-0000同步伺服电机本伺服机械压力机采用双电机并联驱动同步控制，所以需要选择一个双通道的驱动器，根据所选电机的扭矩需求，通过查找倍福产品选型手册，最后选出AX5203双通道伺服驱动器符合要求。AX5203驱动器如图3-6所示：图3-6AX5203双通道伺服驱动器3.1.3HMI选型人机界面是用户体验的直接窗口，除了用于显示和监控系统的状态外，还需要输入一些参数。通过查找相关产品手册,最后确定倍福的控制面板CP69xx，带DVI/USB扩展接口的“经济型”控制面板。图3-7CP69xx“经济型”控制面板的正面图3-8CP69xx“经济型”控制面板的背面CP69xx控制面板通过标准的USB和DVI接口连接，同时，还具备工业级24V电源接头。位于面板背部的双口USB插槽可连接键盘、鼠标、USB记忆棒或CD/DVD驱动器。集成的USB1.1集线器传输速度可达12Mbit/s。DVI/USB扩展技术集成在每一个CP69xx和CP79xx系列“经济型”DVI/USB面板中，通过标准电缆可在距离PC50米远处远程操作面板。图像信号直接通过DVI线进行传输，最远可达50m，而USB信号通过CAT5电缆传输到PC上，这样，标准USB传输的5m的限制就可拓展到50m远。3.1.4I/O模块选型伺服机械压力机的电气控制系统出了控制器和伺服电机外，还需要其他的I/O模块端子来处理数字量、模拟量和脉冲量等信号。(a)数字量模块数字量模块主要处理一下数字量的输入和输出，如按钮和指示灯等信号。其中EL1008是数字量输入模块，EL2008是数字量输出模块。EL1008数字量输入模块如下图所示：图3-9EL1008数字量输入模块EL1008,是8通道的数字量总线输入端子模块，24V直流电压，输入滤波时间为3ms，"0"信号电压-3V...5V(EN61131-2,Typ1),"1"信号电压15V...30V(EN61131-2,Typ1),输入电流typ.3mA(EN61131-2,Typ1)。EL2008数字量输出模块如下图所示：图3-10EL2008数字量输出模块EL2008，是8通道数字输出端子，额定负载电压24VDC(-15%/+20%)，最大输出电流（p通道）0.5A(短路保护)，工作电压的电流损耗，典型值15mA，EL2008数字输出端子以电隔离的形式将以电隔离的形式将自动化单元传输过来的二进制控制信号传到处理层的执行器上。（b)模拟量模块模拟量模块主要用于处理模拟电压（±10V）的输入和输出，如用模拟电压的输出来控制变频器的频率，用模拟量电压输入模块检测压力逆变器所受到的压力值等。EL3004模拟量输入模块如下图所示：图3-11EL3004模拟量输入模块EL3004，是4通道模拟量输入端子模块，单端输入。EL3004模拟量输入端子模块用于处理-10到+10V范围内的信号。电压被数字化后的分辨率为12位，并在电隔离的状态下被传送到上一级自动化设备。EL3004总线端子模块的输入通道有4个差分输入，并具有一个公共的内部接地电位端。EL4034模拟量输出模块如下图所示：图3-12EL4034模拟量输出模块EL4034模拟量输出模块,4通道模拟输出端子,在-10和10V之间产生信号。电压分辨率为12位，并且电气绝缘。EtherCAT端子的输出通道都有共同接地电位。EL4034支持分布式时钟，输入数据可以被其他与分布式时钟终端连接的数据进行同步监测。整个系统的精度小于100ns。（c）脉冲量模块脉冲量模块主要用于接收脉冲信号和发送脉冲信号，如使用脉冲量监视位置，角度或者驱动第三方伺服电机等。在伺服机械压力机电气控制系统中，滑块的位置对冲压工艺精度的影响是非常大的，为了实时监视滑块位置，本电气控制系统中使用了EL5151模块与滑块相连接。EL5151模块如下图所示。图3-13EL5151模块EL5151与24V输入增量编码器的直接连接。32位计数器正交译码器和一个32位零脉冲可以读取,设置或使能。EL5151支持分布式时,即输入数据可以同步监测与其他数据也与分布式时钟终端。整个系统的准确性是<100ns。在本伺服机械压力机电气控制系统中，曲柄的角度是一个很重要的数据，它通过连杆机构直接影响滑块的位置，所以在运行过程中要控制好曲柄的角度，这就需要使用绝对式旋转编码器与曲柄直接相连了。EL5001模块如下图所示：图3-14EL5001模块EL5001是一款具有SSI编码器接口的EtherCAT总线端子模块，编码器信号可以直接接入其中（传感器连接：二进制输入D+，D-；二进制输出CL+，CL-）。接口电路模块通过发出脉冲信号来读取编码器数据，并将它们保存到控制器的过程数据中。通过对模块工作模式的操作，可以将传输频率和位宽信息永久的保存到寄存器中。在自动化的伺服机械压力机系统中，常常会结合自动化的机械手来自动换模，而这就需要控制第三方的伺服电机进行定位控制了。EL2521模块是一个可以发送高速脉冲信号的模块，可以用来控制高精度的第三方伺服电机。EL2521模块如下图所示。图3-15EL2521模块EL2521是高速脉冲输出模块，基频1…500kHz,默认为50kHz。信号电压RS422电平24VDC（外部供电），最大输出电流0.5A。可以作为步进电机驱动器或者伺服驱动器的输入脉冲信号。（d）通讯模块嵌入式PC与伺服驱动器之间的数据交换，就需要通过通讯模块EK1110来实现了。EK1110通讯模块如下图所示。图3-16EK1110通讯模块EK1110与EtherCAT端子块的末端相连。该端子模块可以将以太网电缆与RJ45接头相连，因此可将EtherCAT电缆束的电气隔离长度增加最多100m。在EK1110端子模块中，E-bus信号被“飞速”转换为100BASE-TX以太网信号。延迟约1µs，数据传输速率：100Mbaud。3.2电气连接结合上一节所选用的嵌入式PC控制器、伺服电机及驱动器、HMI、I/O模块等硬件进行了电气连接规划。3.2.1I/O分配I/O端口主要用于数字量信号、模拟量信号、脉冲量信号的出来，在本伺服机械压力机电气控制系统中，I/O模块的定义如下表所示。模块标号模块标号EL1008_11运行1EL30041压力逆变器输出V+2停止2压力逆变器输出V-3复位3未定义4急停4未定义5顶出5未定义6缩回6未定义7运行27未定义8调模上行8未定义模块标号模块标号EL1008_21未定义EL40341变频器2端口2未定义2变频器3端口3调模下行3未定义4未定义4未定义5调模开关5未定义6波段开关16未定义7波段开关27未定义8波段开关38未定义模块标号模块标号EL1008_31波段开关4EL51511光栅尺A相2参考点2V+3未定义3V-4未定义4光栅尺Z相5未定义5光栅尺B相6未定义6未定义7未定义7未定义8未定义8光栅尺屏蔽接口模块标号模块标号EL2008_11回零指示灯EL50011编码器D+2调模指示灯2V+3运行/报警3V-4连续指示灯4编码器CL+5单次指示灯5编码器D-6点动指示灯6未定义7未定义7未定义8未定义8编码器CL-模块标号EL2008_21KA22KA33缩回电磁阀4顶出电磁阀5未定义6未定义7未定义8未定义表3-17I/O定义分配一览表3.2.2操作台及其接线在人机界面上对相应工艺进行规划后，还需要通过操作台实现对机械压力机的控制，本机械压力机操作台主要实现一些控制信号的输入，如运转信号、停止信号、复位信号、急停信号、模式选择信号等，以及一些状态信号的显示，如系统报警，回零状态信号等。操作台规划如图3-18所示：图3-18操作台规划图操作台电气原理图如图3-19所示图3-19操作台电气原理图3.2.3控制柜外围接线控制柜外围接线涉及的内容比较多，包括主电路供电及控制电路等方面，这里只提供部分电路接线图。驱动及变频模块如下图3-20所示，控制电路开关电源接线如3-21所示，控制器电源模块的接线如图3-22所示。（a）驱动及变频模块图3-20驱动及变频模块接线示意图如图所示，AX5000系列的伺服驱动器主电源由3相380V供电；控制电源由工业电压+24V供电，并且要把Up和Us都接上+24V，这样驱动器才能正常工作；驱动器与伺服电机的连接，只需要把动力电缆和反馈电缆按对应端口接好就可以了，如X12与X13、X14为一组端口，X22与X23、X24为另一组端口。变频器的接线，首先要将变频器的参数P08设置为5（外控），参数P09设置为4,0–10V（电压信号），这样接线才有实际意义。其中，NO.2和NO.3端子为模拟电压接口（2+、3-），NO.7、NO.8和NO.12端子为变频正反转的接(NO.7为ON时正转，NO.8为ON时反转，NO.12为公共端),R、S、T为变频输出强电接口，一般频率范围在0~50Hz之间，参数也可自行设置。参数的设置详情，读者可自行参考《松下VF0C变频中文使用说明书》，这里不再详述。（b）控制电路开关电源接线图3-21控制电路开关电源接线示意图控制电路的24V电压主要由2个开关电源提供，其中开关电源1中的100与102是一组24V直流电源，通过PC上的电源模块CX1100-0004给基本模块（CX1020-0112、CX1020-N000）、系统接口CX1020-N010独立供电；开关电源2的24V直流电源主要给伺服驱动器的控制电源、IO模块以及通讯模块供电，如果IO扩展过多而造成电流过低，可以在IO中添加一个独立的电源模块，独立给另一部分端子供电，这样就可以保证供电正常，不会影响其工作了。（c）控制器电源模块接线图3-22控制器电源模块接线示意图图中所示为PC控制器、电源模块、IO模块及通讯模块的安装排列示意。图中，电源模块有两个24伏的电源接口，其中100与102接口是给主机模块供电的，101与103是给各个IO端子和通讯模块供电的，这样两部分模块的正常运行就不会受到彼此电源的干扰。4伺服机械压力机控制系统软件设计本章的内容是基于电气控制系统的硬件设计，结合伺服机械压力机的控制要求以及实际情况，详细讲述了控制系统的软件设计。4.1程序的框架与流程如图4-1所示，控制程序主要分四大部分，包括主程序、公共部分、工艺模式、工作模式；图4-1程序框架示意图公共部分包括轴的管理程序和指示模块程序，轴的管理程序主要为轴的使能，停止，复位以及读取轴和驱动器的状态；工艺模式包含有恒速模式、变速模式、压印模式、拉伸模式、静音模式、弯曲模式、摆动模式共7中不同的工艺模式，选择其中一种模式并输入相应的参数即可执行相关的工艺模式；工作模式主要在操作台上选择，包含有点动、回零、调模、连续/单次共5种工作方式。图4-2为典型的工艺流程示意图，一般来说，各种工艺模式就是按照这种流程来控制的。图4-2工艺流程示意图4.2HMI界面设计为了便于工作人员操作和实时监控系统的状态，我们对人机界面进行了合理的规划。如图4-3所示，人机界面的规划主要分2大部分：选择状态栏、监控状态栏。图4-3人机界面规划框架示意图选择状态栏有：首页、曲线选择、参数设置、操作画面、监控画、冲压曲线、系统状态、IO状态、报警历史共9个选项，操作人员可随时切换画面；曲线选择中有恒速模式、变速模式、压印模式、拉伸模式、静音模式、弯曲模式、摆动模式共7种不同的工艺模式。监控状态栏是每一页人机界面上都有的，用于实时监视系统的各个状态，监视的内容有曲柄角度、滑块位置、电机速度、总扭矩、工艺模式、运行次数。以下是选取人机界面的其中一部分，加以解释，以便于操作人员的实际操作和理解。（a）曲线选择界面图4-4曲线选择界面曲线选择界面主要用于让操作人员选择不同的工艺模式，有恒速模式、变速模式、压印模式、拉伸模式、静音模式、弯曲模式、摆动模式共7种不同的工艺模式可供操作人员选择，操作人员只需点击其中一种工艺模式，在连接后的界面内输入所需的位置、速度、停留时间、运行次数等参数，最后点击参数确认就可以启动操作台的运行按钮，让系统安装其设定的参数运行。（b）参数设定界面图4-5参数设定界面参数设定界面主要用于系统的一些参数设置。①速度，这里的速度是指点动速度,只要在速度的选项框内输入某一数值即可，在这里系统一般将其默认值设定为50mm/s，操作人员也可以自行更改。②压力设定值，为了检测滑块对上模的压力，在上模的上面放置了一个压力逆变器，通过这个装置可以检测到滑块对上模施加的压力。在本伺服机械压力机的调试过程中，用到了同步控制中的速度+扭矩模式，该压力设定值就是作为触发扭矩施加的条件，当压力逆变器检测到的压力大于该设定值时，处于扭矩模式下的电机就工作。③比例系数Ki、跟随扭矩按钮，这两个参数是在测试速度+扭矩模式同步控制时需要设置的。④气缸缩回点，当滑块的位置低于该设定值时，上模底下的气缸会自动缩回，防止施加在上模的压力过大而损坏模具。⑤上死点校准、手动上死点校准按钮，这两个参数主要用于设置滑块在上死点位置是的数值。因为连接滑块的增量式光栅尺在运行一段时间后数值会变化，如果不进行位置的设定，那么HMI界面上的显示滑块的位置就不准确。经过多次试验的数据分析，本系统中滑块在上死点的位置为38.33mm。⑥回零校准距离、回零校准距离按钮，在本伺服机械压力机控制系统中，回零的方法是先让电机匀速运转，当接近开关检测到安装在曲柄上的挡块时，会触发一个上升沿信号，电机就开始慢速反转，当检测到下降沿信号时电机停止。但由于安装的挡块不是在滑块的上死点位置对应的曲柄角度，所以电机停止后需要进行位置的调整，让其转动到滑块上死点位置对应的曲柄角度，这样回零就准确了。经过多次试验的数据分析，本系统中回零时电机检测到挡块停止后还需要转动的距离为-17.83mm。对于其他的参数设置的意义，操作人员可根据字面意思进行理解即可。（c）操作画面图4-6操作界面操作画面主要用于动态监视滑块的实时位置和曲柄的实时角度，当系统运行时，滑块位置的监控状态条会随之滑动变化，曲柄角度的仪表盘中的指针也会随之转动。（d）冲压曲线界面图4-7冲压曲线画面冲压曲线画面用于显示滑块当前的位置，当系统运行时，滑块的位置曲线会显示在画面中，当滑块停止在某一位置是，图中会显示某一定值的水平直线。（e）系统状态画面图4-8系统状态画面系统状态画面用于显示部分系统硬件或软件状态，如电机的扭矩、电压或者驱动器的温度等相关参数。图中，电机的温度为0是因为该控制系统中所选的电机没有温度传感器。（f）IO状态画面图4-9IO状态画面IO状态画面用于显示系统中IO实时的状态，如一些按钮的开关状态，指示灯的状态，轴或者部分功能块的一些实时状态。这对于运行中出现错误后查找错误的地方时非常关键的。5伺服机械压力机的同步控制本章主要对伺服机械压力机控制要求分析，从工作模式、轨迹规划、同步控制、安全要求这四个方面详细地分析伺服机械压力机并联驱动同步控制的方案。5.1工作模式压力机常用的工作模式有三种:(a)点动在选择为点动工作状态的情况下，滑块只是在双手按压运转按钮时才会动作，一旦手离开按钮后立即停下。作为调模试模用，调试完模具后，必须切换工作状态，才能进入正式工作状态，防止意外损伤模具。(b)单次在选择为单次工作状态的情况下，双手按压运转按钮，滑块运转一个行程停止在初始位置，停止后才能再进行单次行程的运动控制。(c)连续在选择为连续工作状态的情况下，双手按压运转按钮，滑块执行连续运转。即使手离开启动按钮后，仍旧连续进行连续运转，只有在按压[本周期停止]按钮或者运行到设定次数后，才会在特定的点停下。该工作状态为实现全自动压力机而设计，可以实现多个单次工作状态的连续循环。5.2同步控制的方案在根据本机械压力机的并联驱动同步控制的要求，我们尝试了几种不同的同步控制方案。其中主要的方案为电子齿轮耦合的同步控制方案和速度模式+扭矩模式的同步控制方案。5.2.1电子齿轮耦合的同步控制方案要使两个轴以电子齿轮方式耦合的方法有2种，第一种是通过SystemManager中的耦合页面手动操作耦合，如图5-1所示；第二种是通过PLCControl中的功能块程序实现耦合；在本伺服机械压力机控制系统中，使用第一种方法耦合是不可取的，所以本系统采用了第二种方法实现耦合。图5-1SystemManager中的手动耦合页面如图所示，首先选择耦合的从轴，电机图中1处，然后在右边界面点击2处Coupling界面，在3处选择对应的参数，如主轴、耦合方式以及耦合比例因子，最后点击4处的Couple,让从轴耦合到主轴，如果耦合成功，则5处的数字会变成红色。通过功能块电子齿轮同步控制，要使电子齿轮实现同步控制的方法是让其中一个实轴作为主轴，让另外一个实轴作为从轴，以1:1的速度耦合，因为电子齿轮是速度同步，所以当速度比为1:1时，位置就间接同步了，从而实现两台伺服电机的同步控制。该方案可采用倍福自动化软件TwinCAT中电子齿轮静态耦合功能块MC_GearIn,动态耦合功能块MC_GearInDyn和解耦功能块MC_GearOut来实现同步控制。(a)静态耦合功能块MC_GearIn简介只能在主、从轴都在静止状态下才能进入耦合，不可在运动过程中进入耦合。耦合状态中不可以修改齿轮比。其中RatioNumberator和RatioDenominator都是整数，前为分子，后为分母，在Execute的上升沿，触发耦合。一旦成功耦合，该功能块所有输入变量的任何变化都被忽略，直至解耦后的下一个Execute上升沿。图5-2静态耦合功能块MC_GearIn(b)动态耦合MC_GearInDyn简介动态耦合比静态耦合功能更强大，可以在耦合状态中动态修改齿轮比。但依然不可以在运动中进入耦合。齿轮比GearRatio以实数形式给定，Execute为True期间，可以动态修改。如果Execute由True变成了False，那么轴仍然保持耦合状态，但齿轮比保持False之前的值。直到使用MC_GearOut或者MC_GearOutExt才解除耦合。图5-3动态耦合MC_GearInDyn(c)解耦功能块MC_GearOut简介功能块MC_GearOut用于齿轮解耦，解耦完成后，NC轴保持原速运动，必须另外用MC_Stop或者MC_Halt停下来。图5-4解耦功能块MC_GearOutExecute的上升沿，解除耦合关系，解耦后从电机按照解耦前的速度匀速运动。对于本伺服机械压力机，需要将两个电机固定在机身两侧，两台伺服电机相对于曲轴是固定的，从而带动滑块做上下冲压运动，不需要在耦合状态中动态修改齿轮比，因此电子齿轮采用静态耦合（MC_GearIn）实现两台伺服电机同步控制是最为合理的。(d)电子齿轮耦合同步控制程序的实现要使所有的轴得到控制，第一步就是轴的使能，不过本方案在这里不在讲述轴的管理方面。本方案是在轴已经可以使能、停止以及复位的前提下讨论的。首先，要在全局变量中定义耦合的功能块、数据类型等，如下图所示。图5-5定义数据类型在定义时，除了定义功能块外，还应增加一些辅助变量，便于查看是否达到控制要求。如耦合完成后置位InGear为真，通过查看该变量就可以判定两个电机是否耦合完成，同理，解耦后置位OutGear为真，判断其是否解耦完成。然后，编写耦合的PLC程序，如下图所示。图5-6耦合信号发生条件图5-7耦合与解耦的功能块程序最后，检验两个轴是否耦合成功。如果耦合成功，则定义的InGear信号为真，或者在SystemManager中查看4处是否为红色，如果是，则耦合成功。图5-8SystemManager中查看耦合状态（e）检验两个电机是否同步控制两个电机以1:1的电子齿轮方式耦合，是属于速度同步控制，所以在电子示波器中要监视滑块的位置、曲柄角度和两个电机的速度。假设主电机以100mm/s的速度匀速运动，在电子示波器下的监视曲线就如下图所示。图5-9恒速模式下的监控画面如上图所示，红色曲线代表主电机的速度-时间曲线，黑色曲线代表从电机的速度-时间曲线，蓝色曲线代表滑块位移-时间曲线，绿色曲线代表曲柄角度-时间曲线，其中，主电机与从电机的速度-时间曲线的轨迹基本相符，说明两个电机属于速度同步控制。5.2.2速度模式+扭矩模式的同步控制方案该方案是令两个电机处于不同的工作模式，主电机采用速度模式，以实现对滑块的位置控制；从电机采用扭矩模式控制，以达到两个电机同步出力的效果。(a)电机扭矩模式的选择及配置要电机处于扭矩控制模式，就必须在SystemManager中配置电机。一般步骤如下图5-10所示：图5-10扭矩模式SystemManager配置如图所示，一般的操作步骤如下所述：首先在I/OConfiguration选中驱动器，在右上选项栏中选择电机的Configuration；然后，选中所选电机的ProcessData/OperationMode，在右侧的SetValue中选择1：torquecontrol;最后，在ATorMDT中选择MDT,在下面的选项栏中找到S-0-0080：Torquecommandvalue,点击，将S-0-0080：Torquecommandvalue添加到右边，同时，在左侧的MDT2中自动添加Torquecommandvalue的连接选项，注意，这是只是添加选项而已，并没有连接定义的变量。同理，增加Additivetorquecommandvalue变量。（b）扭矩控制的PLC定义及连接首先，要在PLCControl中定义变量的类型，双击全局变量，在右侧的空白处填写上Torque_Command AT%Q*:INT;AdditivetorquecommandvalueAT%Q*:INT;因为这里是PLC发送指令到SystemManager中的，所以相当于是PLC的输出，定义为PLC输出类型%Q*。图5-11PLC中定义Torque_Command的类型图中1处是用电子示波器监视电机的扭矩曲线用的，而2处是PLC程序控制电机扭矩的数型定义。注意，Torque_Command是从电机处于扭矩模式下的扭矩控制变量，Additivetorquecommandvalue是主电机处于速度模式下的扭矩前馈控制变量。对于Torque_Command和Additivetorquecommandvalue数值类型的确定，可以在SystemManager中查看，方法如下，在IO配置中找到Torque_Commandvalue,在右侧会有该变量的相关信息，从图中可以确定扭矩控制的类型为INT,所以将此整体定义成Torque_Command AT%Q*:INT;图5-12SystemManager中查找Torque_Command的数值类型在PLC及SystemManager中配置好相关变量后就可以将两者之间连接起来了，连接后结果如下图所示；图5-13扭矩连接后的示意图(C)同步控制程序的实现由于两个电机处于不同的工作模式，主电机是速度模式，用于控制滑块的位置，从电机是扭矩模式，辅助主电机施加扭矩，所以要使两个电机处于速度同步控制是不可能实现的，但两个电机都有扭矩值的反馈，所以可以尝试一下让两个电机扭矩同步。在实际的实验中，尝试了几种扭矩模式下从电机的控制方案，得到了几种不同的结果。①从电机恒扭矩控制方案；该控制方法是直接赋值给从电机的扭矩控制变量，假如直接赋值100给Torque_Command_1，那么从电机就以100的扭矩运行。下图为恒扭矩控制方案的程序截图。图5-14恒扭矩控制方案程序如图所示，System和bSpeedSwitch都是BOOL型变量，相当于一个开关；LREAL_TO_INT用于数型转换，因为Torque_Command_1定义是LREAL，用于显示数值和输入数值，而Torque_Command定义是INT，用于控制电机的扭矩，只有数型转换后才能正确编译，运行。同理，其他控制方案的程序亦是这样，后面不再详细讲述。将程序运行后，用电子示波器监视电机运行的扭矩，结果得到下图中的曲线。图5-15恒扭矩控制方案扭矩曲线图中红色线代表压力，蓝色曲线代表主电机的扭矩曲线，黑色线代表扭矩模式下从电机的扭矩曲线。由图中分析可知，恒扭矩控制这种方法是不可取的，因为滑块在上行和下行时主电机的扭矩是变化的，如果从电机的扭矩过大，这会影响主电机的正常运行，甚至会损坏主电机。②从电机跟随扭矩控制方案；该控制方法是让从电机的扭矩跟随主电机的反馈扭矩值乘以系数Ki,这样就可以避免恒扭矩模式下可能会损坏主电机的可能性。假设设定Ki=-0.2，则该方案的程序如下图所示。图5-16跟随扭矩控制方案程序将程序运行后，用电子示波器监视两个电机运行的扭矩，结果得到下图中的电机扭矩曲线。图5-17跟随扭矩控制方案扭矩曲线图中蓝色曲线代表主电机的扭矩曲线，黑色线代表扭矩模式下从电机的扭矩曲线。由图中分析可知，这种方法虽然比恒扭矩方案有优势，但从电机的扭矩值是根据主电机扭矩反馈值而变化的，有一定的滞后，达不到扭矩同步要求。③主电机扭矩前馈减少，从电机跟随扭矩控制方案；该方法是在方案②的前提下实现的，首先让从电机的扭矩跟随主电机的反馈扭矩值乘以系数Ki，然后让主电机的扭矩减少，减少的数值为从电机的跟随扭矩值。图5-18前馈减少、跟随扭矩控制方案程序将程序运行后，用电子示波器监视两个电机运行的扭矩，结果得到下图中的电机扭矩曲线。图5-19前馈减少、跟随扭矩控制方案扭矩曲线图中蓝色曲线代表主电机的扭矩曲线，黑色线代表扭矩模式下从电机的扭矩曲线。这种方案可以把Ki的值稍微设大一点，让两个电机的扭矩曲线尽量接近，但由于数据滞后的原因，也是不能基本同步控制的。④从电机区间恒扭矩控制方案；该方法是在压力逆变器检测到的压力值大于设定的压力值时，从电机就按照给定的数值赋值给扭矩变量，让从电机在压力区间内恒扭矩运行。图5-20区间恒扭矩控制方案程序将程序运行后，用电子示波器监视两个电机运行的扭矩，结果得到下图中的电机扭矩曲线。图5-21区间恒扭矩控制方案扭矩曲线图中红色线代表压力，蓝色曲线代表主电机的扭矩曲线，黑色线代表扭矩模式下从电机的扭矩曲线。区间恒扭矩控制方案相对于恒扭矩控制方案，该方案的优势在于恒扭矩只是在某一特定的区间内增加的，不会拖制主电机的正常运行，但是，在这个区间内该给多大的恒扭矩值却不知道的，因为不同的工艺所需的扭矩是不同的。⑤从电机区间跟随扭矩控制方案；该方案与方案②类似，只不过增加一个压力区间限制条件而已。图5-22区间跟随扭矩控制方案程序将程序运行后，用电子示波器监视两个电机运行的扭矩，结果得到下图中的电机扭矩曲线。图5-23区间跟随扭矩控制方案扭矩曲线图中红色线代表压力，蓝色曲线代表主电机的扭矩曲线，黑色线代表扭矩模式下从电机的扭矩曲线。在某一特定区间内，从电机会跟随主电机的扭矩反馈而变化，在这一区间外则为零。5.2.3两种同步控制方案的比较对于两种不同的同步控制方案，各有各的优势与不足。电子齿轮耦合的方式属于速度同步控制，在相同的时间内两个电机的速度和位置是相同的，但扭矩值就不一定相同。速度+扭矩同步控制方案，一定程度上可以减少其中一个电机的能耗，在某一区间从电机才工作可以更黑的发挥伺服电机的优势，但两个电机的扭矩不一定严格意义上的同步控制。通过两种不同的方案比较，本伺服机械压力机目前采用了电子齿轮耦合的方式作为同步控制的方案。所以下一章节的轨迹规划是基于电子齿轮耦合同步控制方案的基础上实现的。5.3轨迹规划本机械压力机主要实现7种模式：恒速模式、变速模式、压印模式、拉伸模式、静音模式、弯曲模式、摆动模式。7种模式选择的HMI界面如下图所示。图5-247种模式选择界面为了实现不同类型的冲压模式，需要通过规划控制电机转动速度、方向及停止时间，间接控制滑块的运动情况，进而实现不同冲压模式。通过规划曲轴的运动并结合本伺服机械压力机，得到恒速模式、变速模式、压印模式、拉伸模式、静音模式、弯曲模式、摆动模式，这七种模式的电机转速-时间曲线、曲柄角度-时间曲线和滑块位移-时间曲线。5.3.1恒速模式恒速模式的特点是曲轴恒速转动，参数输入界面如下图所示；图5-25恒速模式的参数输入界面通过实际运行测试和通过电子示波器的监控，可得到恒速模式下的电机转速-时间曲线、曲柄角度-时间曲线和滑块位移-时间曲线的监控画面如下图所示；图5-26恒速模式下的监控画面如上图所示，红色曲线代表主电机的速度-时间曲线，黑色曲线代表从电机的速度-时间曲线，蓝色曲线代表滑块位移-时间曲线，绿色曲线代表曲柄角度-时间曲线，其中，主电机与从电机的速度-时间曲线的轨迹基本相符，说明两个电机属于同步控制。5.3.2变速模式变速模式特点是滑块在空行程和回程时快速运动，电机高速运转，凸模进入工件后变速运动，电机减速，减少冲裁的振动和噪音，延长模具寿命。在下图中分别设置了三个位置点以及三个变速点对应的曲轴转速。图5-27变速模式的参数输入界面通过实际运行测试和通过电子示波器的监控，可得到变速模式下的电机转速-时间曲线、曲柄角度-时间曲线和滑块位移-时间曲线的监控画面如下图所示；图5-28变速模式下的监控画面如上图所示，红色曲线代表主电机的速度-时间曲线，黑色曲线代表从电机的速度-时间曲线，蓝色曲线代表滑块位移-时间曲线，绿色曲线代表曲柄角度-时间曲线，其中，主电机与从电机的速度-时间曲线的轨迹基本相符，说明两个电机属于同步控制。5.3.3压印模式压印模式特点是滑块在下死点作少许停留，然后高速回程，提高压制精度。在下图中分别设置了三个位置点，三个变速点对应的曲轴转速以及在下死点停留的时间。图5-29压印模式的参数输入界面通过实际运行测试和通过电子示波器的监控，可得到压印模式下的电机转速-时间曲线、曲柄角度-时间曲线和滑块