干货 伺服运动技术及其在冷弯成型设备中的应用

本文拟就伺服系统在货架冷弯机组中的具体应用及系统调试特点，与PLC控制系统的软硬件配置接口及控制方案的实现等进行探讨分析。





前    言


上世纪六十年代以来，各国相继设计和发展了自动化程度很高的物流存储系统--货架，且普遍采用多层钢货架结构，其承重结构组件也多采用冷弯薄壁多孔型钢；由于组合式货架钢结构体系设计与装配上的要求，需要在特定冷弯型钢的立面、侧面冲压出一系列的具有一定分布规律和精度要求的孔或不规则的连续装配孔洞，以便用螺栓或其他的机械扣接等方式装配成结构件，构成特有的冷弯薄壁多孔、截面复杂的货架钢结构体系特征；使用先进的在线预冲孔货架冷弯成型技术及设备生产的货架组件可有效降低材料消耗，确保冷弯成型截面的冷弯性能、孔位精度和表面质量，提高货架钢结构装配时的工作效率，极大地提高货架钢结构的稳定性和可靠性，伺服系统为在线预冲孔货架冷弯成型技术及设备的重要组成部分。



►货架冷弯机组系统功能介绍

1 系统配置：

货架冷弯机组系统由开卷机、校平机、切头焊接机组、伺服送料机组、在线冲孔压力机、冷弯机组、定尺飞剪、出料架等基本结构组成，(如图1所示)。也形成了货架冷弯组件特有的冷弯成型工艺特点。根据从生产现场采集到的数据分析，实际孔位控制精度σ基本稳定在±0.15mm以内，且孔位误差符合正态分布规律，电气控制精度确保在一个旋转编码脉冲上漂移，从根本上也保证了总长度上的累积误差最小，基本稳定在6σ以内。由此也对货架组件的冷弯制造工艺提出了更高的要求，并形成了货架组件特定的冷弯生产关键技术和设备。



图1：系统基本设备结构图

2 发展方向：

伺服系统一般有两个发展方向。一个是满足一般工业应用要求，在对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品—伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。

伺服技术在冷弯成型设备中的应用涉及到这两类发展方向，上位机的选择涉及CNC系统或可编程控制器（PLC），并通过伺服系统配置的标准串行通信接口（如RS-232C、RS-422接口、专用多芯线缆接口等）和专用的局域网接口进行系统控制和数据传输与处理，系统实现如下功能：运用伺服电机、伺服控制器构成的在线伺服装置实现在线冲孔精确定位控制组块、运用变频电机、变频器等构成的系统主体传动系统实现产品在线长度液压切断定位控制，货架冷弯成型设备的系统运行参数通过人机对话的方式来设置，伺服系统参数的在线调试设定及其自整定功能、系统故障自诊断与分析功能等需要结合机组的生产工艺性及其现场采集的数据及其处理结果并结合选用的上位控制机系统和软件配置进行设定和调试。

3 控制算法：

冷弯成型设备采用从主传动电机轴端的位置旋转编码器采集位置和速度信号，在冷弯型材某个平面接触旋转编码器采样信号，构成系统主传动交流变频电机的运动控制内、外部闭环速度位置调节系统，内部速度控制闭环采用速度实时检测控制算法。这样不仅使电机的低速性能得到进一步提高，速度波动和转矩波动降到最低，还确保了冷弯成型过程的运行稳定和速度控制，外部位置控制闭环采用PID运动控制算法，确保冷弯成型过程的位置定位控制精度和位置定位效率。

比如，某公司的货架冷弯成型机组的主传动电机功率达到37KW，基本控制定位精度在±0.5mm左右，最高控制精度在±0.1mm左右，实际位置控制时间小于500ms；在线伺服冲孔装置通过接口与外部被动运动端测量的旋转编码器构成高精度的全闭环位置定位调节系统，能使机械加工误差、齿轮间隙、结构受力弹性变形等误差所造成的影响降低到最小。

目前应用在货架冷弯成型设备中的伺服控制器都采用了多种新算法。目前比较常用的算法主要有PID/IPD（比例微分积分）控制切换、前馈控制、速度实时监控、共振抑制控制、可变增益控制、振动抑制控制、模型规范适应控制、反复控制、预测控制、模型跟踪控制、在线自动修正控制、模糊控制、神经网络控制等；通过采用这些功能算法，可以使伺服控制器的响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平，实现了真正意义上的全数字控制。

►货架冷弯成型机组的系统

1 基本组成：

该系统由五部分组成，即计算机（PC）或PLC构成的上位控制系统、伺服驱动控制卡、交流伺服调速系统（交流伺服控制器、伺服电机、相应的控制电缆等）、传感检测反馈系统及相应辅助执行系统。



图2：系统组成及工作原理

2 工作原理：

上位主控系统与伺服驱动控制卡相连，可以通过数据线发送位置或速度调节指令，设定PID调节参数（程序设计过程中将其作开放性设计，便于在线作适应性调整），并进行数模（D/A）转换，通过相应的控制板卡输出±10V的模拟信号并经过交流伺服控制器转换后驱动伺服电动机，在电机轴端装有增量式旋转编码器或在被传动的受控物体上设置测量辊和增量式旋转编码器转换装置，并通过旋转编码器提供反馈信号（A、B、IN脉冲）来完成伺服系统的位置半闭环或封闭环位置反馈控制系统。位置反馈环中的传感元件-增量式光电编码器将运动构件实时的位移（或转角）变化量以A、B相差分脉冲形式长线传输到现场控制站（PC机或PLC）中进行编码器脉冲计数，以获得数字化位置、速度等信息，主控上位机计算出给定位置与实际位置（即反馈到的位置）的偏差并根据偏差范围采取相应的PID控制策略，将数字控制作用经数模转换变成模拟控制电压，并输出给伺服放大器，最终调节电机的运动（正、反转和定位停止等），完成期望值的重复多次定位，在控制原理上实现小误差高精度的快速位置定位；辅助执行系统完成相应的压力机工作循环实现冲压工序等。

►控制系统设计的几个主要问题

1 输入信号的控制精度

增量式编码器的每转脉冲数及测量辊的圆周长，如：φ90测量辊配每转输出1000个脉冲的光电编码器与每转输出2000个脉冲的光电编码器之间的差异、φ50测量辊与φ90测量辊的控制精度差异；最终反映出来的就是每个输出脉冲所对应的长度值，即圆周长与每转输出脉冲数的比值，尽量选择比值小的产品。

2 输出信号的控制精度：

由于测量信号滞后和控制传送滞后、位置环PID控制算法上的不同，参数整定所确定的Kp、Ki、Kd及采样周期T等，在数字PID调节控制系统中，在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调，甚至振荡，这对于伺服电机的运行来说是不利的。

系统的机械精度控制在一定误差范围内，电气控制精度（编码器脉冲）就可得到提高，鲁棒性强，可以在很多场合达到较高精度位置控制的要求，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。

为了保护伺服控制器和电机等设备，考虑到系统中含有很多对静电敏感的元器件（如：晶闸管），其承受过电压和过电流的能力差等因素，要严格按有关标准设计、安装，例如充分考虑伺服控制器和电机的安全容量，采用内、外保护接地，外部保护接零，弱电信号线、动力线、速度反馈线屏蔽，屏蔽线与未屏蔽线分开等防止措施。

►机组运动位置控制及调试

货架冷弯机组的整线运行速度和生产率要求都很高，如在线交流伺服的最高转速达到60M/min，整线运行速度达到20M/min，该系统必须具备高定位精度和高运动速度的特性，由于交流伺服系统必须有良好的运动控制特性，普通的变频调速无法达到要求，因此采用了伺服控制器加交流伺服电机的方案。

货架冷弯生产线在正常生产前，需要在手动工作模式下进行穿引带调试工作，通过操作手柄、控制面板上的动作按钮操作调试设备，并检查和人为设置报警故障模式，如料尾无料停机保护、伺服送料不到位故障、各单项顺序动作的实现和快速反应程度等；确认上述调试过程无误后将机组工作模式转化为自动工作模式下进行整线联机调试，通过冷弯制件的尺寸精度检查和分析，排除冷弯模具、工装设备制造调试精度等的影响，确认设备的操作性、维修方便性、定尺控制精度等，其中的调试关键和难点在：伺服定长送料装置的运行稳定性和精度保持性、定长剪切断装置的控制精度和运行方式的选择。



由于交流伺服系统存在参数时变、负载扰动以及伺服电机自身和被控对象的严重非线性、强耦合性等不确定因素，必须在线修订模糊控制的数学模型和控制敏感参数，相应的PID控制参数，以实现系统无超调和振荡现象。我们在工作现场就发生过伺服控制系统工作丢步、工作不协调、伺服不明飞车等偶然故障，并通过更换相应电缆和排除干扰源的方法来解决。

比如，货架冷弯机组在线预冲孔装置的伺服系统带负载运行时存在系统与负载动态匹配的问题，货架冷弯机组在设计时会考虑使用多板厚同规格的系列产品、或通过不同的冷弯工艺在一条生产线上生产不同规格尺寸的货架产品，故交流位置伺服系统的负载的大小和性质会发生多种变化，甚至相同规格卷料的更换也会造成负载的不稳定与变化，这种变化将使系统的性能特别是动态性能变坏，使运动出现振荡、超调甚至于不能稳定运行，必须在调试现场得到系统所带负载的动态性能指标和伺服系统在线带负载时的动态性能指标，在调试过程中对系统进行动态性能分析与测定，并凭经验由人工进行现场在线调试工作，调试现场也需要配合相当的人力进行相关数据的收集整理、数据分析处理等，也易造成相当高的调试废料，在调试过程中还存在相当的未知影响因素等；这都要求工程技术人员有较强的专业知识和丰富的现场经验来处理。

►机组运动位置控制及调试

货架冷弯机组在应用伺服技术的过程中也存在不足之处。主要表现在有的系统在设计方面还存在有相当不合理的地方。比如设计者没有很好地利用伺服技术的优点，而是极端肤浅地实现系统的精度伺服控制，不考虑机组间的合理配置，如在线伺服预冲孔装置中伺服运动节拍与压力机运动节拍之间的不协调等。



系统设计中针对伺服系统的反馈设计重视不够，系统故障诊断设计重视不够，系统选用品牌杂乱造成的备件、维修保养困难重视不够等，包括用户对系统调试参数保存与修改经验上的不足等、对伺服驱动系统的认识不足，系统在线调试参数设置的不尽合理，相关外围设备参数变化对系统参数的重调试等，如：编码器测量辊的磨损与更换；均极大地影响了伺服系统在货架冷弯生产线上的应用效果。