【正文】 交流伺服壓力機(jī) 黃超： 基于 LabviewJ2563 型伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 調(diào)速皮帶滾珠絲杠伺服電機(jī)滑塊 伺服電機(jī)滾珠絲杠連桿調(diào)速皮帶滑塊 伺服電機(jī)調(diào)速皮帶連桿滑塊主齒輪、偏心軸驅(qū)動(dòng)齒輪、軸 (a) H1F 型產(chǎn)品 (b) H1F 系列結(jié)構(gòu)示意圖 圖 13 小松 H1F 系列交流伺服壓力機(jī) 擾等對系統(tǒng)帶來的不利影響。 華中理工大學(xué)金屬塑性加工專業(yè)科研人員長期從事鍛壓機(jī)械自動(dòng)化的研究，近十年來，已研制成功快速壓力機(jī)等 CNC 系統(tǒng)。浙江鍛壓機(jī)械有限公司也成功研制 JZ21K110 型 1100kN 開式數(shù)控快速返程壓力機(jī)，該機(jī)是以普通的開式曲柄壓力機(jī)為基型，在傳動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)多連桿機(jī)構(gòu)，在控制系統(tǒng)中增加數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成 [52]。濟(jì)南機(jī)床二廠 2020 年研發(fā)出內(nèi)地首臺 10000kN 伺服壓力機(jī)、首臺雙龍們移動(dòng)式機(jī)械五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控鏜銑床等系列高精尖產(chǎn)品。 但國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控壓力機(jī)的特點(diǎn)是：功能較完善的數(shù)控壓力機(jī)全部為仿制國外的產(chǎn)品，數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 如全套硬件及軟件、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和高精度大導(dǎo)程滾珠絲杠及直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，都是從日本或西德進(jìn)口；而功能簡單的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控壓力機(jī)則是操作不方便、加工精度低，適用面窄，達(dá)不到高的性價(jià)比，尚需進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。由于島內(nèi)五金、電子行業(yè)發(fā)展需求，鍛壓機(jī)床行業(yè)發(fā)展迅速，以價(jià)廉物美在國際市場上贏得了良好聲譽(yù)，每年有 80%的鍛壓設(shè)備出口，并造就了一批優(yōu)秀的鍛壓設(shè)備制造企業(yè)。其中協(xié)易 (SEYI)公司已成為亞洲第一大沖壓機(jī)床供應(yīng)商，市場占有率超過 30%。該伺服壓力機(jī)除了利用一般馬達(dá)驅(qū)動(dòng)曲軸機(jī)構(gòu)外，伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)利用回轉(zhuǎn)摩擦套筒帶動(dòng)的齒輪以達(dá)到無段變速與正反轉(zhuǎn)的作用，實(shí)現(xiàn)滑塊做擺動(dòng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展要求壓力機(jī)不僅能夠高速度、高精度、大負(fù)載的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且應(yīng)具有更大的柔性，能迅速、方便的改變輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律。伺服控制的液壓機(jī)雖然在作用力、速度和位移等工藝參數(shù)的控制方面達(dá)到了較高的精度，但存在工作頻率相 對較低、油污染、高能耗、低可靠性等缺點(diǎn)。 在上世紀(jì) 90 年代，世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家興起了伺服壓力機(jī)的研究。 Tokuz 建立了交 流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)模型 。這些交流伺服壓力機(jī)類型有 : 機(jī)械連桿伺服壓力機(jī)、曲柄多連桿伺服壓力機(jī)、直動(dòng)式伺服壓力機(jī)、液壓式精 密伺服壓力機(jī)和液壓式伺服壓力機(jī)等等 , 壓力機(jī)規(guī)格從 40kN 到 25000kN。 目前 , 國內(nèi)對于伺服壓力機(jī)的研究也日趨廣泛和深入。天津大學(xué)孟彩芳教授也研究了交流伺服混合輸入式機(jī)械壓力機(jī)。鍛壓工作完成后滑塊回程上行 ,離合器自動(dòng)脫開，同時(shí)曲柄軸上的自動(dòng)器接通，使滑塊停止在上止點(diǎn)附近。最簡單的機(jī)械壓力機(jī)采用單點(diǎn)式，即只有一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 機(jī)械壓力機(jī) 的載荷是沖擊性的，即在一個(gè)工作周期內(nèi)鍛壓工作的時(shí)間很短。按平均功率選用的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，積蓄動(dòng)能。鍛壓工作完成后，飛輪再次加速積蓄動(dòng)能，以備下次使用。機(jī)械壓力機(jī)的操作分為連續(xù)、單次行程和寸動(dòng)（微動(dòng)），大多數(shù)是通過控制離合器和制動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)的。 生產(chǎn)中，有可能發(fā)生超過壓力機(jī)公稱工作力的現(xiàn)象。為了保證操作者人身安全，壓力機(jī)上面裝有光電式或雙手操作式人身保護(hù)裝置。 按機(jī)身結(jié)構(gòu)型式分：有開式和閉式兩類。開式壓力機(jī)多為立式。但開式機(jī)身剛性較差，影響制件 精度和模具壽命，僅適用于 40～ 4000千牛的中小型壓力機(jī)。冷擠壓、熱模鍛和雙動(dòng)拉深等重型壓力機(jī)都使用閉式機(jī)身。 ① 雙動(dòng)拉深壓力機(jī) :它有內(nèi)、外兩個(gè)滑塊 ,用于杯形件的拉深成形。拉深完成后內(nèi)滑塊先回程，外滑塊后松開。 ② 多工位自動(dòng)壓力機(jī)：在一臺壓力機(jī)上設(shè)有多個(gè)工位，裝置多道成形模具，坯料依次自動(dòng)向下一工位移動(dòng)。 ③ 回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)：在滑塊與工作臺之間設(shè)有可裝置數(shù)十組模具的回轉(zhuǎn)頭，可按需要選用模具。每次行程完畢，回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)位置，完成一道工序。回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)可配上數(shù) 控系統(tǒng)，根據(jù)編好的指令選用模具和板材成形部位，自動(dòng)完成復(fù)雜的沖壓工作。機(jī)身剛度大，導(dǎo)向面長 ,承受偏載能力強(qiáng)。雙滑塊式結(jié)構(gòu)較簡單，重量輕；楔式結(jié)構(gòu)支承面積大，但傳動(dòng)效率低。機(jī)械中有上下頂出裝置，能實(shí)現(xiàn)多模膛鍛造 ,鍛件精度較高，適于大批量生產(chǎn)。 ⑤ 冷擠壓機(jī)：用于冷、溫態(tài)擠壓金屬零件，如槍彈殼、牙膏管等。 交流伺服壓力機(jī)的特點(diǎn) 與機(jī)械壓力機(jī)相比較。工件在距下死點(diǎn)以上幾毫米的工作沖程中成形 ,工作沖程的最大速度為成形速度。普通機(jī)械壓力機(jī)一般采用各種不同的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得工藝所需的滑塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律 ,以滿足不同的工藝要求。然而傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)雖然可以通過選擇適當(dāng)?shù)膱?zhí) 行機(jī)構(gòu)及其構(gòu)件的尺寸 ,得到一些滿足沖壓工藝要求的典型運(yùn)動(dòng)規(guī)律 ,但一種結(jié)構(gòu)方案無法滿足多種典型運(yùn)動(dòng)規(guī)律的要求。而伺服壓力機(jī)能極方便地改變滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線 ,獲得不同的工件變形速度 ,保證沖壓件的質(zhì)量，從而使制造柔性化。 與液壓伺服驅(qū)動(dòng)相比，交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有能消除油液泄漏，使運(yùn)動(dòng)控制更加柔性，每分鐘行程次數(shù)進(jìn)一步提高等許多優(yōu)點(diǎn)。 K om atsu 公司采用交流伺服電機(jī) — 滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)方式的折彎機(jī)，克服了液壓系統(tǒng)速度切換時(shí)的短暫停頓現(xiàn)象，滑塊運(yùn)動(dòng)更加敏捷，如圖所示。 綜合目前各類伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的工作特性，其主要優(yōu)勢有： （ 1）高柔性 .滑塊運(yùn)動(dòng)曲線不 再僅僅是余弦曲線，可根據(jù)不同生產(chǎn)工藝和模具要求（如沖裁、拉深、板料擠壓和級進(jìn)模等）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，通過程序編制實(shí)現(xiàn)滑塊 “ 自由運(yùn)動(dòng) ” ，大大提高了壓力機(jī)智能化程度和適用范圍?；瑝K行程可根據(jù)生產(chǎn)工藝需要調(diào)整。 （ 3）高精度。如：由偏心載荷引起的在下死點(diǎn)中心處的位置波動(dòng)及滑塊各點(diǎn)處的平行度波動(dòng)可控制在 177。 （ 4）低噪音。除此之外，通過設(shè)定滑塊的低噪音運(yùn)動(dòng)曲線同樣有助于降低沖裁噪音。由于簡化了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可維護(hù)性強(qiáng)，潤滑量減少。 黃超： 基于 LabviewJ2563 型伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 第二章 Labview 軟件 Labview 軟件的介紹 VI (Virtual Instrument)—— 虛擬儀器是指加在計(jì)算機(jī)上的一些軟件和 /或硬件，它們具有和實(shí)際獨(dú)立儀器類似的外觀和性能，如：示波器、邏輯分析儀、控制開關(guān)等，其功能由用戶設(shè)計(jì)和定義 ，具有虛擬面板，其測試功能由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。 虛擬儀器本質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板及其顯示模塊，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用 I/O 接口設(shè)備配合各種傳感器完成測試對象信號的采集、測量與調(diào)理，控制對象的控制，從而實(shí)現(xiàn)各種測試與控制功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng) [102]。 圖 21虛擬儀器的組成原理框圖 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)—— 實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺是美國 NI 公司 (National Instrument Company)推出的一種基于 G 語言 (Graphics Language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。 LabVIEW 的技術(shù)主要有如下特 點(diǎn)： (1) 具有豐富的圖形元素控件，支持回調(diào)功能； (2) 具有設(shè)置斷點(diǎn) (Set Breakpoint) 和探針 (Probe Data) 等程序調(diào)試功能； (3) 提供多種總線通信控制函數(shù)，如 RS23 GPIB、 VXI 等； (4) 提供網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議 (TCP) 接口庫； (5) 內(nèi)含有多種基于 WindowsNT/9x 風(fēng)格的軟件技術(shù)，如 ActiveX Automation 技術(shù)、DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)交換）、 Multithread（多線程）技術(shù)等； (6) 嵌入了非常豐富的工程應(yīng)用函數(shù)，具有很強(qiáng) 的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析功能。 Labview 軟件的控制界 虛擬儀器的起源可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天 7 等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公 認(rèn)的權(quán)威。使用 LabVIEW 軟件，用戶可以借助于它提供的軟件環(huán)境，該環(huán)境由于其數(shù)據(jù)流編程特性、 LabVIEW RealTime 工具對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，以及自上而下的為多核而設(shè)計(jì)的軟件層次，是進(jìn)行并行編程的首選。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。這種也算作數(shù)據(jù)采集卡的一種，只是它對環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)，可以應(yīng)對各種惡劣的工業(yè)環(huán)境。采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集同時(shí)進(jìn)行計(jì)算機(jī)和 SR 控制器之間的實(shí)時(shí)通訊。 圖 31 機(jī)械壓力機(jī) 控制系統(tǒng)流程框圖 9 從 圖 31 中 可以看出，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)是一致的，整體結(jié)構(gòu)上可以分為并行的 二 大模塊： 滑塊位置部分、滑塊速度部分 。下面將對這 二 大模塊進(jìn)行詳細(xì)敘述。但是，研華公司提供了研華采集卡的LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序 —— 擴(kuò)展名為 vi。下面將本文所用到的對研華 PCL818L 多功能數(shù)據(jù)采集卡相關(guān)操作的 vi 程序及其功能列于表 31 中。 設(shè)定設(shè)備的模擬量輸入通道及采樣增益。 AOVoltageOut.vi 將設(shè)定的電壓值輸出到指定的設(shè)備的指定模擬量輸出通道。 關(guān)閉已開啟的設(shè)備，以釋放采集卡占用的系統(tǒng)資源，以便下次再次開啟。 黃超： 基于 LabviewJ2563 型伺服機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 32 機(jī)械壓力機(jī)控制系統(tǒng)工作 界面 信號預(yù)處理 部分進(jìn)行良信號的轉(zhuǎn)換、奇異點(diǎn)的剔除、濾波、消除趨勢項(xiàng)以及零均值化處理；信號的領(lǐng)域分析環(huán)節(jié)對振動(dòng)下料機(jī)工作過程中的頻率特性進(jìn)行分析，識別下料機(jī)的共振、自激振動(dòng)等特性，從而估計(jì)工作過程中的最大功率所在頻率，監(jiān)測振動(dòng)下料機(jī)是否按預(yù) 設(shè)頻率控制曲線正常工作。 數(shù)據(jù)采集卡的作用 視頻中的采集卡作用主要是采集視頻數(shù)據(jù)源，并且能起到轉(zhuǎn)換格式和傳輸?shù)淖饔?，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采集卡的功能和用途越來越廣，在數(shù)據(jù)采集卡中，主要的作用也是采集視頻數(shù)據(jù)等，下面我們就針對數(shù)據(jù)采集卡是什么進(jìn)行詳細(xì)介紹。不同的數(shù)據(jù)采集卡作用和傳輸速度也是有所不同的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)靈活的、用 戶自定義的測量系統(tǒng)。 隨著行業(yè)的不斷前進(jìn)，科學(xué)技術(shù)的日新月異，數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用范圍也越來越廣， 采集卡廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、教育課件錄制、大屏拼接、多媒體錄播錄像、會議錄制、虛擬演播室、虛擬現(xiàn)實(shí)、安檢 X 光機(jī)、雷達(dá)圖像信號、 VDR 紀(jì)錄儀、醫(yī)療 X 光機(jī)、CT 機(jī)、胃腸機(jī)、陰道鏡、工業(yè)檢測、智能交通、醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表、機(jī)器視覺等領(lǐng)域。對有的執(zhí)行機(jī)械，位置伺服系統(tǒng)采用半閉環(huán)結(jié)構(gòu)雖然容易整定，但很難補(bǔ)償其機(jī)械傳動(dòng)部分引起的位置誤差，使位置控制精度不能達(dá)到要求的指標(biāo)；采用全閉環(huán)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)又很難整定，系統(tǒng)閉環(huán)后因環(huán)內(nèi)多種非線性因素誘發(fā)的振蕩很難消除，使系統(tǒng)的控制復(fù)雜程度大大增加，它們之間的配合、增益調(diào)整等都必須仔細(xì)整定。 速 度 控 制速 度 估 計(jì)執(zhí) 行電 機(jī)編 碼 器控 制 對 象位 移 傳 感 器誤 差 補(bǔ) 償給 定 位 置+++位 置 控 制 圖 41混合閉環(huán)位置伺服系統(tǒng) 系統(tǒng)中同時(shí)存在半閉環(huán)和全閉環(huán)。由于半閉環(huán)中電氣自動(dòng)控制部分和執(zhí)行機(jī)械相對獨(dú)立，可以采用位置前饋控制器實(shí)現(xiàn)位置參數(shù)向速度參數(shù)控制的轉(zhuǎn)換，這樣可以使系統(tǒng)快速響應(yīng)；而全閉環(huán)只用于穩(wěn)態(tài)誤差補(bǔ)償，位置增益可選得較低以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，跟蹤系統(tǒng)誤差小。 位置和速度控制器設(shè)計(jì) 位置伺服跟蹤控制中，給定的期望位置不是一個(gè)固定位置，而是時(shí) 間的函數(shù)，是一系列隨時(shí)間改變的指令位置，并且，這一系列期望位置通常是時(shí)間的線性函數(shù)，實(shí)際位置在一定的誤差范圍內(nèi)不斷地逼近隨時(shí)間變化的期望位置的過程，其響應(yīng)過程包含了加速逼近和勻速跟蹤的運(yùn)動(dòng)過程。因?yàn)槲恢盟欧刂茖D(zhuǎn)子速度的范圍要求更寬，對響應(yīng)曲線的精度要求更高， PID 速度控制器無法滿足位置伺服控制的要求。主要側(cè)重于速度控制器的設(shè)計(jì)，在 滑模比例切換控制的基礎(chǔ)上，加上滑移量的前饋控制，補(bǔ)償給定速度和負(fù)載的變化，增強(qiáng)速度控制器的魯棒性。 現(xiàn)