乔礼惠

（江苏扬力液压装备有限公司，江苏 扬州 225127）

随着汽车工业及家电行业的快速发展，为了降低成本，不仅需要对零部件的成形质量提出更高要求，对零部件的成形效率也提出了更高要求。传统的生产方式是零部件各道加工工序在不同的机床上实现，通过频繁地长距离的移动实现工件的转移，工作效率较低。针对这种情况，为了提高生产效率，大幅压缩生产辅助时间，出现了将几道工序（如成形、冲裁落料、翻边、冲孔等）复合在一台机床上来完成的工艺。多工位油压机是一种对薄板进行冲压及成形的液压设备，具有结构紧凑、自动化程度高、生产效率高、操作安全等优点，在发达国家应用很广泛。此类油压机具有台面宽大、可抗偏载、运行平稳、压制成形精度高、工作压力与成形零件相适应等特点。本文着重介绍我公司为广东客户定制的框架式多工位伺服油压机，其机械结构采用钢板焊接门式整体结构，导向采用四角八面导轨结构，机床工作台有效尺寸为左右2200mm×前后1200mm，上横梁对称布置有两只主油缸，通过对两只主油缸的主动调平控制结合四角八面导轨的导向有效满足抗偏载要求。

1 系统构成

本机床控制系统主要由翠欧MC405 运动控制器、欧姆龙CP1H-XA40DR 系列PLC、南京埃斯顿PRONET 系列伺服泵控制系统、泰丰液压插装阀系统、意大利GEFRAN 公司KS 系列压力传感器和WPAS 系列磁致伸缩尺等组成。控制系统框图如图1所示。欧姆龙PLC 主要为控制逻辑工艺部分，翠欧运动控制器主要做位置运动、压力控制以及同步控制，接收左右侧位移传感器信号以及压力信号进行伺服泵转速、压力控制，其中位移和压力实现闭环控制。翠欧运动控制器与欧姆龙PLC 之间通过MODBUS RTU 通讯方式进行数据交换，运动控制器与触摸屏间通过TCP 网线进行通讯，此外欧姆龙PLC 与触摸屏间通过RS485 通讯方式进行通讯。

图1 机床控制系统框图

1.1 翠欧MC405 运动控制器

MC405 是一款高规格的运动控制器，具有LED背光显示屏，可轻松获取控制器的状态。另外底座采用单体金属外壳，增强了系统的接地性能，提高了系统在工业环境中的抗干扰能力。同时采用高性能的ARM11 VFP 处理器，有4 路电压输出和5 个灵活的轴接口。运动控制器外型如图2 所示。MC405 的编码器差分输入最大频率6MHz，脉冲差分输出最大频率2MHz，轴接口可以通过软件配置为反馈装置或者脉冲输出，而任意带一个电压输出的反馈轴都可以用于构成闭环控制。基于功能强大的Motion Perfect V4应用开发软件，用户程序可用具有多任务特点的TrioBASIC 语言编写，使复杂的运动控制变得简单化，同时也可采用支持全功能的PLC 编程系统的工业标准IEC611-3 语言编程。控制器具有实轴和虚拟轴两种不同的轴配置，两种轴配置模式都支持16 个软件轴，任何没有被分配到内置硬件的轴（即实轴）都可用作虚拟轴使用，每个轴都可通过编程实现各种运动，如进行直线、圆弧、螺旋线和空间圆弧插补、电子凸轮、主从运动及电子齿轮等运动。

图2 MC405 控制器外型图

1.2 SSI 接口直线位移传感器

运动控制器的轴接口支持增量型传感器输入，或者是3 种常用绝对值传感器SSI、多摩川、Endat 中的一种。在本控制系统中，采用绝对值型SSI 接口的直线位移传感器进行滑块两侧位置的检测。位移传感器信号处理程序段如图3 所示。绝对值传感器的接口主要分为两种类型：并行接口和SSI（同步串行接口）。在并行式接口的绝对式传感器中，数据是被作为字节通过大量的数据线一次传输的，其优势在于传输速度非常快，但需要大量的数据线，同时如果不使用差分信号，将使所传输的数据因电子噪声而受损。而对于SSI 接口绝对式传感器，其位置是每位数一次次地从传感器中读出的，它拥有两对传输线，一对进行数据传输，另一对用于同步时钟信号。从传输线的数量来说，SSI 接口绝对式传感器的效率高，同时由于使用差分信号，使得数据不会因电子噪声而受损，其缺点在于数据的读出需要较长时间。再有即使位移传感器同运动控制器之间的电缆长度较长时，信号传输的可靠性仍能够由抗噪声的RS485/422差分驱动器和接收器保证，最大限度地抑制噪声干扰。

图3 位移传感器信号处理程序段

2 数据交换

翠欧MC405 运动控制器本体的I/O 点数有限，如全部采用I/O 进行状态交换需增加扩展模块。考虑成本因素，选择运动控制器结合欧姆龙PLC 的控制方式，同时并没有采用所有交换数据走通讯传输的方式，因为数据量一多会导致通讯速率降低，甚至系统响应延迟，所以对交换数据中部分响应要求较高的数据采用I/O 点及时交换，而一般的状态数据则通过通讯传输方式进行交换。运动控制器与PLC 通讯数据交换如表1 所示。

3 调平同步控制

由于油压机台面较宽，在实现多工位压制时，存在滑块受力点作用力不匀称现象，譬如滑块左侧已接触到工件开始起压而滑块右侧还处于悬空状态，此时会导致左右方向的偏载，如不加以解决，将对产品的成形精度造成很大影响，甚至会出现批量性有瑕疵的产品。

为了避免这一现象的发生，我们研究通过对滑块的两只油缸采取独立分开控制方式，通过闭环控制系统分别控制两只活塞缸的位置和压力，从而确保滑块在单边受力的情况下能够保证滑块运行的平行度在设定的范围内。而通常实现这一控制的方法常常是将其中一只油缸设置为主动缸，把另一只油缸作为随动缸，随动缸的位置和压力是根据主动缸的位置和压力以及存在的偏差信号来调整的。在调试之初我们也采用了此种方案，但由于采用的是伺服泵控，存在泵流量大、脉动多、易超调等问题，经初调试验后便放弃了此种控制方法，转而采用带液压运动算法的虚拟轴控制模式。该模式具有力和位移双闭环控制，实际轴与虚拟轴进行位置耦合，主动轴同虚拟轴则是速度耦合的关系，控制器只需对主动轴控制即可，应用了运动轨迹生成控制方法，特别是在这种要求两轴紧密同步及精确的轨迹跟踪控制中采用了前馈控制，通常PID 增益是通过与反馈的误差相乘得到控制信号，而前馈增益的不同是在于它是通过预测来获得的，使用前馈预测的输出信号与期望的输出信号的误差要小得多，因此闭环控制系统的PID 环节只需校正此小误差，这种控制比完全采用PID 校正要好得多。

4 液压控制系统

液压控制系统主要由伺服泵组、插装阀系统及活塞油缸组成。伺服泵作为系统的动力源，为执行元件提供一定流量、压力的压力油；插装阀系统主要用于控制液压系统中油液的方向、压力和流量，从而控制整个液压系统的全部功能；油缸作为执行元件，其将液压能转变成直线往复运动的机械运动。伺服泵的运转受伺服驱动器控制，而伺服驱动器通过接收来至运动控制器的模拟量信号，经驱动器内部处理后驱动油泵工作并通过调节电机转速来控制流量和建立压力。液压系统原理图如图4 所示。此台机床的液压控制系统采用独立的两套控制系统并行控制，每套控制系统有单独的泵组、插装阀系统和油缸，通过对伺服泵流量、压力的双闭环控制实现同步运行，并具有抗偏载保护和调整功能，满足客户±0.15mm的调平精度要求。

图4 液压系统原理图

5 结束语

公司研制的此台主动调平伺服油压机在常规整体框架结构件基础上，对电气控制系统和液压控制系统同时进行了提升创新。电控系统通过采用翠欧MS405 运动控制器结合欧姆龙PLC 通过数据通信的方式对液压控制系统进行控制，控制算法中采用虚拟轴、前馈增益等方式，满足客户提出的±0.15mm调平精度，同时机床的整体运行效率也有了较大提升；液压控制系统则采用独立控制方式，即每只油缸由单独的伺服泵组及插装阀系统进行控制。经在客户现场调试并已正常带模生产，整机运行比较平稳，特别是在单侧受力的情况下也能实现同步平稳下行，整套控制系统中采用了高频响的伺服泵组以及检测精度高、抗干扰能力强的SSI 接口位移传感器，保证了整机具有良好的动态品质和高可靠性。