TwinCAT在伺服压机线控制系统中的应用

伺服压机线已成为当前国内外冲压领域高效生产设备之一，它不仅可以提高冲压车间的生产效率而且还可降低能源消耗，伺服主电机驱动系统内的储能电机在工作过程中通过电动和发电状态的频繁切换可以降低对电网冲击，同时还可以保证压力机在突然断电时滑块可以安全回到上死点，提高了整线的安全性。较高的整线自动化集成直接减少了冲压车间员工的人数，降低了工厂间接投资成本，是未来工业4.0发展的硬件基础。

目前主流伺服压机线伺服控制中核心的电气系统是由Bechkoff公司开发基于PC机的TwinCAT实时运动控制系统组成，强大的运动控制功能不仅可以实现高速的节拍要求，同时还兼顾开放的多功能界面，使用户可以开发出多元化的应用界面。本文以一汽轿车公司伺服压机线为例，介绍了TwinCAT实时运动控制系统在伺服压力机中的应用。
TwinCAT实时控制系统介绍

TwinCAT特点

TwinCAT是基于PC机的实时控制系统，特点如下：⑴不改变Windows环境；⑵顺序控制（软PLC）；⑶运动控制（软移动控制）。

TwinCAT系统构成

TwinCAT系统构成参见图1，特性如下：⑴先进的PLC编程系统，符合IEC61131-3编程语言标准；⑵多语言开发、库管理器和在线调试功能；⑶PLC调试器（软PLC），可实现在线监控、流程监控、采样跟踪等功能。



图1 TwinCAT系统构成
伺服压力机控制系统

伺服压机控制系统组成



图2 伺服控制系统结构图

单台伺服压力机控制系统如图2所示，压力机控制系统主要由PLC逻辑控制单元、安全控制系统、Beckhoff-PC运动控制系统组成。

⑴PLC逻辑控制单元，是整线压力机的逻辑控制核心，信号的输入、输出控制关系都由PLC来实现。PLC通过Profinet、Profibus和ProfiSafe网络与外围硬件通讯。

⑵安全控制系统，用来集成和控制伺服压力机所有与安全相关的因素如：急停、光栅、安全门等。传统压力机的安全控制器选用PILZ的PSS3000系列作为主控制单元，随着西门子具有安全功能的PLC应用越来越广，伺服压力机采用具有安全功能的319F系列PLC也越来越多。

⑶运动控制系统，由TwinCAT实时运动控制系统作为运动控制核心，TwinCAT实时控制和动态调节压力机系统从而实现滑块角度、伺服压力机、传输机构之间的联动控制。

⑷主电机驱动系统，选用西门子SINAMICS S120驱动器，控制单元为CU320。

伺服压力机控制框图

伺服压力机控制框图如图3所示，操作者通过人机交互界面HMI输入冲程，S7逻辑控制单元经过处理和运算后传给运动控制器，运动控制器将速度和位移等参数作为给定传给S120，S120控制伺服电机实现压力机运动。压力机控制系统通过对伺服电机力矩、速度、位移三重闭环控制实现压力机的动态调节。
TwinCAT在伺服控制系统中的结构与应用

TwinCAT NC运动系统将伺服压力机分为4个主伺服轴，2个凸轮表。伺服轴包括：SPM轴（主轴）；MPM轴（机械轴）；Z轴（滑块运动轴）；Moto轴（电机轴），Moto轴可根据伺服电机数量多少来进行二次拓展。

TwinCAT伺服控制结构

⑴TwinCAT伺服轴。

伺服轴的所有特性参数均在TwinCAT系统管理库中设置，如：速度、加速度、冲量（Jerk）等。



图3 伺服压力机控制框图

nsoll-速度给定 Isoll-电流给定 nIst-速度反馈

SPM轴（主轴）：用于协调压力机及整线之间的相对运动，保证整线各个运动机构以最大节拍运动且相对独立运行不发生干涉。主轴是虚拟轴，TwinCAT系统管理器中配置为模拟量编码器，以固定速度运行。

MPM轴（机械轴）：压力机运动轴。实轴，通过模拟量编码器采集信号，运动过程中速度实时变化，位置数据通过Porfibus总线与TwinCAT交换。

Z轴（滑块运动轴）：滑块上下往复运动轴，编码器安装在滑块传动齿轮轴伸端，通过旋转角度和直线距离之间的换算关系将编码器旋转角度转换为滑块的直线距离。位置数据通过Porfibus总线与TwinCAT通讯。

Moto轴（电机轴）：电机轴的位置通过电机编码器采集。主电机驱动控制单元CU320通过Drive-Cliq与伺服电机编码器信号采集板SMC20实时通讯；CU320通过Profibus总线与TwinCAT实现数据交换。

⑵凸轮表。

伺服轴的运动位置通过凸轮表实现耦合，凸轮表分为SPM和MPM 2个凸轮表，参见图4。SPM凸轮表角度差为2°，角度范围为：0°～360°（图5）。MPM凸轮表角度差为0.5°，角度范围为：0°～360°（图6）。

NC伺服轴在每个角度的位置设定值参考凸轮表给定之后，伺服轴的运动速度按照凸轮表中角度变化换算成角速度后作为伺服驱动系统的给定值。

⑶伺服轴单动、联动控制。

TwinCAT通过PLC管理库进行运动控制逻辑编程，PLC使用TwinCAT系统自带的功能块和编辑的功能块来实现复杂的运动控制，主要由主动轴-从动轴级联、电子凸轮模块来实现运动控制。



图4 凸轮表



图5 SPM凸轮表



图6 MPM凸轮表

压力机单动运动控制：在启动之前，各个伺服轴通过PLC直接读取各个轴的实际位置和获取当前冲程数，压力机SPM轴通过整线冲程设定值计算出耦合角度（GearPostion）。在耦合角度之前SPM轴、MPM轴以各自凸轮表轨迹运行，运行到耦合角度时，SPM轴作为主动轴，MPM轴作为从动轴通过凸轮标准功能模块来实现耦合，通过样条插值（线性插值）实现运算，压力机进入伺服轴的主从控制模式。

整线伺服联动运动控制：整线状态下主动轴为整线SPM轴，从动轴为传输臂；整线通过整线SPM轴作为主轴来控制从动轴传输臂，传输臂控制伺服压力机使能，各个传输臂之间角度动态变化。首台伺服压力机传输臂的角度作为整线运行角度的参考值，其余传输臂与其形成动态相位差。

TwinCAT在伺服系统中的应用

⑴高柔性的工艺适应能力。

传统机械压力机滑块运动曲线是由机械传动结构所决定的，机械结构设计后滑块运动曲线随之固定，而伺服压力机的滑块运动曲线通过TwinCAT进行数控编程，滑块曲线可以实现六连杆、八连杆、偏心轮等多种运动曲线，大大提高了压力机的工艺能力和加工性能。

⑵生产效率提高。

由于滑块运动曲线可编程使得滑块速度可调，相同生产节拍下滑块可以提高非工作行程的速度，降低工作行程的速度。

⑶整线节能更多。

传统机械压力机由电机驱动飞轮运转，通过离合制动器的结合，将电机和飞轮的能量传递至中间传动齿轮，齿轮带动滑块上下运动实现模具的打开、闭合。当滑块停止在上死点时飞轮空转产生很大能耗，而伺服压力机则是由TwinCAT控制系统带动伺服电机通过中间传动齿轮直接驱动滑块，减少能耗。

⑷安全性更高。

TwinCAT通过周期性的制动检测来实现压力机的安全保护，每隔8h压力机必须进行伺服电机的制动检测，检测通过后压力机方可继续运行，逾期检测压力机全线停止。
结论

TwinCAT系统通过NC运动控制功能，将压力机分为多个伺服轴，通过对各个轴的角度进行精确控制从而实现滑块曲线的柔性化编程。TwinCAT实时运动控制系统实现了伺服压力机的高节拍运行及高控制精度。而且强大的PC平台兼容性保证了TwinCAT系统可以基于PC硬件基础实现伺服压力机的高速度、高柔性、高动态响应的实际生产需求。

作者简介



王伟，设备工程师，主要从事冲压领域设备规划、选型引进、伺服冲压线自动化参数设计、设备维修、保养工作。

——节选自《锻造与冲压》2018年第6期

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