CN102107544A - 一种伺服曲柄压力机的压力控制方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服曲柄压力机的压力控制方法，根据伺服曲柄压力机曲柄所处的不同转动角度，以及工艺要求设定的加工压力，给定伺服曲柄压力机不同的最大电机转矩，通过控制电机的转矩来控制曲柄连杆传递的加工运动方向的动力，控制伺服曲柄压力机的加工压力。本发明通过直接控制电机的转矩来实现加工压力的控制，不须要外接专用的压力监测设备，大大简化了系统的硬件配置，降低了设备的成本，操作简单、方便，易于维护，且加工压力控制精度达到±1％。

Description

一种伺服曲柄压力机的压力控制方法

技术领域

本发明涉及压力机床的压力控制，属于金属冲压压力控制技术领域，具体为一种伺服曲柄压力机的压力控制方法。

背景技术

压力加工是利用分别安装在滑块和工作台的模具，在滑块直线往复运动作用的冲压下，使毛坯材料产生塑性变形或分离而无切屑的加工方法。加工压力过大可能导致，加工的产品不合格，加工工件，甚至磨具被直接破坏；当机械发生故障导致滑块不能运动或操作失误时，如无压力控制，可能因为压力过大而破坏机械设备，产生压力加工安全问题。因此，对压力机进行压力控制是十分必要的。现有的伺服压力机的压力控制模式是由压力监测模块吨位仪或专用的压力测量设备来测量加工压力，加工压力以数字或模拟量方式反馈给数控系统，数控系统根据反馈的加工压力调节滑块的运动来实现减小或增加加工压力。这种加工压力控制模式在实际使用中存在以下问题：

(1)吨位仪或专用的压力测量设备价格昂贵，在设备的成本中占的比重较大，企业为了节约成本，在很多应用场合下不启用系统的压力控制模块。

(2)吨位仪的安装条件比较苛刻，安装不当，达不到理想的控制效果。

(3)占用控制系统的使用空间，使得控制系统的结构复杂，现场的连线也复杂。

(4)增加了设备的维护和维修成本。

参考文献1：压力机床的加压力自动控制方法及其装置，专利号：CN92115170.5

发明内容

本发明要解决的问题是：现有技术对压力加工中的压力控制需要专用的压力监测设备，监测设备成本高昂，维护成本高，使压力加工的控制系统结构复杂，控制效果不理想。

本发明的技术方案为：、一种伺服曲柄压力机的压力控制方法，伺服曲柄压力机包括运动控制器、伺服驱动器和电机，根据伺服曲柄压力机曲柄所处的不同转动角度，以及工艺要求设定的加工压力，给定伺服曲柄压力机不同的最大电机转矩，通过控制电机的转矩来控制曲柄连杆传递的加工运动方向的动力，控制伺服曲柄压力机的加工压力；其中，运动控制器动态地计算电机系统惯量和电机轴上的阻力矩：对于电机系统惯量的计算，利用伺服驱动器提供的自动惯量识别模块来对曲柄在不同的旋转位置进行系统惯量识别并保存；电机轴上的阻力矩由运动控制器根据曲柄和滑块的位置进行动态地计算，运动控制器根据加工运动曲线求得的曲柄和滑块的当前位置、运动速度和加速度，计算出当前对曲柄的位置给定和电机的转矩给定，运动控制器通过速度/转矩模式将位置给定和转矩给定以模拟量或总线的方式发送至伺服驱动器，利用伺服驱动器提供的速度/转矩控制模式，实现对电机的转矩控制，进而实现对加工压力的控制。

本发明包括以下步骤：

1)由自动惯量识别模块测定电机系统在曲柄不同角度下的系统惯量：机床空载，设置曲柄转动的步距角，每走一个步距角进行一次惯量测量，并保存此时的电机转动角度和测量的系统惯量；

2)伺服驱动器设置成速度/转矩控制模式；

3)设置伺服曲柄压力机的最大加工压力；

4)机床带载做加工运动，运动控制器在每个控制周期根据最大加工压力和曲柄所处的旋转角度，计算一次加工压力分解到曲柄上的作用转矩；

5)电机产生的有用电机转矩T表示为

$T\left(t\right)=J_e\frac{\mathrm{dw}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Bw}\left(t\right)+T_s\left(t\right)---\left(1\right)$

式中J_e——换算到电机轴上的惯量，即步骤1)测定的电机系统惯量；

B——滑块黏性摩擦系数；

T_s——换算到电机轴上的阻力矩，即步骤4)计算出的作用转矩；

w(t)——电机角速度

——电机角加速度

把步骤4)计算出的作用转矩、电机当前角加速度

带入式(1)计算出电机所需要的转矩T；

6)把步骤5)得到的电机转矩T和运动控制器根据加工运动曲线通过PID控制器计算出运动速度模拟输出发送给伺服驱动器；

7)伺服驱动器根据给定的速度、转矩来控制电机的转动速度和输出转矩。

本发明中，自动惯量识别模块惯量辨识的方法为：将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，伺服系统进行线性加减速运动，得出此段时间内的系统输出转矩和电机平均转速，由系统输出转矩得到伺服系统平均转矩，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述电机系统惯量的值，具体实现步骤为：

1)系统伺服使能，设定加、减速过程时间，加、减速两个时间相等；

2)设定电机加速的最高速度及电机加速过程中的最高速度；

3)设定加减速循环次数；

4)开始进行系统惯量辨识，电机以一次加速时间常数进行线性加速运行，设定的加速时间后到达设定的最高速度；

5)以一次减速时间常数进行线性减速运行，设定时间到达后电机速度减为0转/分；

6)在线性加、减运行过程中，每隔设定时间的单位时间进行一次输出电流的检测，并且把此电流存储到电流寄存器中；

7)判断加减速运动次数，如果循环没有达到设定的次数，则进入流程4)，如果循环次数达到，则进入流程8)；

8)根据电流寄存器的数据得到在设定的循环运行时间内，驱动器输出到电机的总电流；

9)根据驱动器输出总电流与转矩的关系得到系统输出转矩：

系统输出转矩＝输出电流×力矩系数

力矩系数可由查表得出；

10)根据流程9)得到的系统输出转矩和系统运行总时间，得到伺服系统平均转矩；

11)根据设定的加速时间和速度，得到系统运行过程中的平均转速；

12)将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统进行加减速运动的时间，得到整体惯量的值，即为电机系统惯量：

$(J_M+J_L)=\frac{60\·T_m}{4\·2\mathrm{\π}\·N_m}{t}_r$

式中：N_m为电机平均转速，单位：r/min)；J_M为电机的转子惯量，单位：Kg·m²；J_L为负载惯量，单位：Kg·m²；T_m为伺服系统平均转矩，单位：N·m；t_r为系统加减速运行的总时间，单位：s。

本发明克服现有技术中，加工压力控制模式在实际使用中存在的诸多问题，不外接专用的压力监测设备，通过直接控制电机的转矩来实现加工压力的控制。在伺服曲柄压力机中，电机产生的有用转矩用于电机轴惯量的加速，克服电机轴承的摩擦、滑块导轨摩擦及运动副间的摩擦，还有克服加工力和摩擦载荷换算到电机轴上的阻力矩。换算到电机轴上的阻力矩由加工力和摩擦力两部分组成，摩擦力相对于加工力可忽略，因此，可以通过控制电机的转矩实现对加工压力的控制。

本发明通过直接控制电机的转矩来实现加工压力的控制，不须要外接专用的压力监测设备，大大简化了系统的硬件配置，降低了设备的成本，操作简单、方便，易于维护，且加工压力控制精度达到±1％。

附图说明

图1为本发明控制的曲柄连杆伺服压力机的机构简图。

图2为连杆受力示意图。

图3为运动控制器与伺服驱动器接线。

具体实施方式

伺服曲柄压力机包括运动控制器、伺服驱动器和电机，现有的伺服压力机的压力控制模式都是由压力监测模块吨位仪或专用的压力测量设备来测量加工压力，加工压力以数字或模拟量方式反馈给数控系统，数控系统根据反馈的加工压力调节滑块的运动来实现减小或增加加工压力。本发明不外接专用的压力监测设备，通过直接控制电机的转矩来实现加工压力的控制。根据伺服曲柄压力机曲柄所处的不同转动角度，以及工艺要求设定的加工压力，给定伺服曲柄压力机不同的最大电机转矩，通过控制电机的转矩来控制曲柄连杆传递的加工运动方向的动力，控制伺服曲柄压力机的加工压力；其中，运动控制器动态地计算电机系统惯量和电机轴上的阻力矩：对于电机系统惯量的计算，利用伺服驱动器提供的自动惯量识别模块来对曲柄在不同的旋转位置进行系统惯量识别并把记录下来，由人工输入运动控制器保存；电机轴上的阻力矩由运动控制器根据曲柄和滑块的位置进行动态地计算，运动控制器根据加工运动曲线求得曲柄和滑块的当前位置、运动速度和加速度，计算出当前对曲柄的位置给定和电机的转矩给定，运动控制器通过速度/转矩模式将位置给定和转矩给定以模拟量或总线的方式发送至伺服驱动器，利用伺服驱动器提供的速度/转矩控制模式，实现对电机的转矩控制，进而实现对加工压力的控制。

本发明中，自动惯量识别模块惯量辨识的方法为：将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，伺服系统进行线性加减速运动，得出此段时间内的系统输出转矩和电机平均转速，由系统输出转矩得到伺服系统平均转矩，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述电机系统惯量的值，具体实现步骤为：

1)系统伺服使能，设定加、减速过程时间，加、减速两个时间相等；

2)设定电机加速的最高速度及电机加速过程中的最高速度；

3)设定加减速循环次数；

4)开始进行系统惯量辨识，电机以一次加速时间常数进行线性加速运行，设定的加速时间后到达设定的最高速度；

5)以一次减速时间常数进行线性减速运行，设定时间到达后电机速度减为0转/分；

6)在线性加、减运行过程中，每隔设定时间的单位时间进行一次输出电流的检测，并且把此电流存储到电流寄存器中；

7)判断加减速运动次数，如果循环没有达到设定的次数，则进入流程4)，如果循环次数达到，则进入流程8)；

8)根据电流寄存器的数据得到在设定的循环运行时间内，驱动器输出到电机的总电流；

9)根据驱动器输出总电流与转矩的关系得到系统输出转矩：

系统输出转矩＝输出电流×力矩系数

力矩系数可由查表得出；

10)根据流程9)得到的系统输出转矩和系统运行总时间，得到伺服系统平均转矩；

11)根据设定的加速时间和速度，得到系统运行过程中的平均转速；

12)将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统进行加减速运动的时间，得到整体惯量的值，即为电机系统惯量：

$(J_M+J_L)=\frac{60\·T_m}{4\·2\mathrm{\π}\·N_m}{t}_r$

式中：N_m为电机平均转速，单位：r/min)；J_M为电机的转子惯量，单位：Kg·m²；J_L为负载惯量，单位：Kg·m²；T_m为伺服系统平均转矩，单位：N·m；t_r为系统加减速运行的总时间，单位：s。

本发明将上述电机系统惯量的辨识通过软件集成为惯量辨识模块，简单操作即可得到惯量的辨识结果。

本发明的实施步骤为：

1)由自动惯量识别模块测定电机系统在曲柄不同角度下的系统惯量：机床空载，设置曲柄转动的步距角，每走一个步距角进行一次惯量测量，并保存此时的电机转动角度和测量的系统惯量；

2)伺服驱动器设置成速度/转矩控制模式；

3)设置伺服曲柄压力机的最大加工压力；

4)机床带载做加工运动，运动控制器在每个控制周期根据最大加工压力和曲柄所处的旋转角度，计算一次加工压力分解到曲柄上的作用转矩；

5)电机产生的有用电机转矩T表示为

$T\left(t\right)=J_e\frac{\mathrm{dw}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Bw}\left(t\right)+T_s\left(t\right)---\left(1\right)$

式中J_e——换算到电机轴上的惯量，即步骤1)测定的电机系统惯量；

B——滑块黏性摩擦系数；

T_s——换算到电机轴上的阻力矩，即步骤4)计算出的作用转矩；

w(t)——电机角速度

——电机角加速度

把步骤4)计算出的作用转矩、电机当前角加速度

带入式(1)计算出电机所需要的转矩T；

6)把步骤5)得到的电机转矩T和运动控制器根据加工运动曲线通过PID控制器计算出的运动速度模拟输出发送给伺服驱动器；其中，运动控制器通过速度/转矩模式将位置给定和转矩给定以模拟量或总线的方式发送至伺服驱动器，具体位置和速度的关系是通过PID控制器参数调整实现速度模拟输出的；

7)伺服驱动器根据给定的速度、转矩来控制电机的转动速度和输出转矩。

下面举例说明本发明的具体实施。

图1为本发明控制的曲柄连杆伺服压力机的机构简图，电机通过齿轮带动曲柄旋转，曲柄的旋转运动通过连杆转化成滑块的上下直线运动。其中，曲柄半径为R，连杆长度为l，曲柄和上死点轴线的夹角为θ，连杆和上死点轴线的夹角为θ₁。

图2为连杆受力示意图。N₂为曲柄作用于连杆的相对于曲柄旋转中心的法向力，T_F为曲柄作用于连杆的相对于曲柄旋转中心的切向力；F为加工力，N₁为滑块导轨作用于连杆的正向力。

按照图3连接好运动控制器与伺服驱动器速度和转矩信号线，运动控制器将模拟电压速度限制指令和模拟电压转矩限制指令输入伺服驱动器：

1)机床空载，滑块回到上死点，曲柄旋转角度置为0度，伺服驱动器的运行模式设为速度控制模式；

2)设定曲柄的步距角为10度，根据齿轮比1∶5算得电机旋转角度为50度；

3)在伺服驱动器内设定电机加减速过程中最高速度为300转/分，在50度转角内电机由零速度线性加到最大速度300转/分再线性减速到零速度，则加速过程时间为50/360/300×60×1000/2＝14毫秒，减速过程时间也为14毫秒，两个时间相等；

4)在伺服驱动器内设定加减速循环往复运动次数为2次；

5)开始进行电机系统惯量辨识，电机进行14毫秒加速运行，14毫秒后加速到300转/分；

6)然后进行14毫秒减速运行，14毫秒后电机速度减为0转/分；

7)完成前面步骤的操作，伺服驱动器自动计算系统惯量并进行显示，记录下伺服驱动器显示的当前系统惯量和运动控制器当前曲柄旋转角度；

8)电机运行到旋转曲柄当前角度加10度的位置，重复步骤4)至步骤7)，直到曲柄旋转一周360度处；

9)把测得的不同旋转角度对应的系统惯量录入数控系统，并保存；

10)改变伺服驱动器的运行模式为速度/转矩控制；

11)运动控制器设置伺服曲柄压力机的最大加工压力800KN，曲柄旋转半径R＝18mm，连杆长度l＝760mm，黏性摩擦系数B＝0.01；

12)根据曲柄旋转角度θ，以滑块上死点为角度起始的基准线算出连杆和上死点轴线的夹角θ₁：

${\mathrm{\θ}}_1=\arcsin \left(\frac{l}{R}\sin \mathrm{\θ}\right);$

13)根据图1和图2所示的曲柄连杆机构的动力学关系，把F、θ和θ₁代入下式可求得等效到电机侧的阻力距T_s：

$T_s=F\·[(\frac{\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{Cos}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}-\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_1}{\mathrm{Sin}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)})/(\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)-\mathrm{ctg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}{R}-\frac{\mathrm{Sin}{\mathrm{\θ}}_1}{(l\·{\cos \mathrm{\θ}}_1-R\cos \mathrm{\θ})\·\mathrm{Cos}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)}-\frac{\mathrm{Cos}{\mathrm{\θ}}_1}{(l\·\cos {\mathrm{\θ}}_1-R\cos \mathrm{\θ})\·\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_1)})]$

式中，F为运动控制器设定的最大加工压力，其它变量含义同上文；

14)把计算出的阻力矩T_s、运动控制器根据加工运动曲线计算出来的电机角速度w(t)和角加速度黏性摩擦系数B和系统在θ角处的转动惯量带入式(1)即可求出当前输出转矩T；

15)用当前输出转矩T除以最大电机转矩T_max，T_max为伺服驱动器根据电机特性设置好的，再乘以运动控制器最大允许输出电压，也是伺服驱动器最大允许输入电压，为10V，得到运动控制器输入到伺服驱动器的转矩模拟给定(T_m/T_max)×10V；

由此可见，加工压力F反映到电机侧就是阻力距T_s，见步骤13)中的T_s和F的关系式，而电机转矩和阻力距T_s的关系见式(1)，因此本发明可以通过直接控制电机的转矩来实现加工压力的控制，不须要外接专用的压力监测设备，大大简化了系统的硬件配置，降低了设备的成本，操作简单、方便，易于维护，且加工压力控制精度达到±1％。

Claims (3)

1.一种伺服曲柄压力机的压力控制方法，伺服曲柄压力机包括运动控制器、伺服驱动器和电机，其特征是根据伺服曲柄压力机曲柄所处的不同转动角度，以及工艺要求设定的加工压力，给定伺服曲柄压力机不同的最大电机转矩，通过控制电机的转矩来控制曲柄连杆传递的加工运动方向的动力，控制伺服曲柄压力机的加工压力；其中，运动控制器动态地计算电机系统惯量和电机轴上的阻力矩：对于电机系统惯量的计算，利用伺服驱动器提供的自动惯量识别模块来对曲柄在不同的旋转位置进行系统惯量识别并保存；电机轴上的阻力矩由运动控制器根据曲柄和滑块的位置进行动态地计算，运动控制器根据用户输入的加工运动曲线求得的曲柄和滑块的当前位置、运动速度和加速度，计算出当前对曲柄的位置给定和电机的转矩给定，运动控制器通过速度/转矩模式将位置给定和转矩给定以模拟量或总线的方式发送至伺服驱动器，利用伺服驱动器提供的速度/转矩控制模式，实现对电机的转矩控制，进而实现对加工压力的控制。

2.根据权利要求1所述的一种伺服曲柄压力机的压力控制方法，其特征是包括以下步骤：

1)由自动惯量识别模块测定电机系统在曲柄不同角度下的系统惯量：机床空载，设置曲柄转动的步距角，每走一个步距角进行一次惯量测量，并保存此时的电机转动角度和测量的系统惯量；

2)伺服驱动器设置成速度/转矩控制模式；

3)设置伺服曲柄压力机的最大加工压力；

4)机床带载做加工运动，运动控制器在每个控制周期根据最大加工压力和曲柄所处的旋转角度，计算一次加工压力分解到曲柄上的作用转矩；

5)电机产生的有用电机转矩T表示为

$T\left(t\right)=J_e\frac{\mathrm{dw}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Bw}\left(t\right)+T_s\left(t\right)---\left(1\right)$

式中J_e——换算到电机轴上的惯量，即步骤1)测定的电机系统惯量；

B——滑块黏性摩擦系数；

T_s——换算到电机轴上的阻力矩，即步骤4)计算出的作用转矩；

w(t)——电机角速度

——电机角加速度

把步骤4)计算出的作用转矩、电机当前角加速度

带入式(1)计算出电机所需要的转矩T；

6)把步骤5)得到的电机转矩T和运动控制器根据加工运动曲线通过PID控制器计算出的运动速度模拟输出发送给伺服驱动器；

7)伺服驱动器根据给定的速度、转矩来控制电机的转动速度和输出转矩。

3.根据权利要求1或2所述的一种伺服曲柄压力机的压力控制方法，其特征是自动惯量识别模块惯量辨识的方法为：将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，伺服系统进行线性加减速运动，得出此段时间内的系统输出转矩和电机平均转速，由系统输出转矩得到伺服系统平均转矩，再根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统加减速运行的总时间，得到所述电机系统惯量的值，具体实现步骤为：

1)系统伺服使能，设定加、减速过程时间，加、减速两个时间相等；

2)设定电机加速的最高速度及电机加速过程中的最高速度；

3)设定加减速循环次数；

4)开始进行系统惯量辨识，电机以一次加速时间常数进行线性加速运行，设定的加速时间后到达设定的最高速度；

5)以一次减速时间常数进行线性减速运行，设定时间到达后电机速度减为0转/分；

6)在线性加、减运行过程中，每隔设定时间的单位时间进行一次输出电流的检测，并且把此电流存储到电流寄存器中；

7)判断加减速运动次数，如果循环没有达到设定的次数，则进入流程4)，如果循环次数达到，则进入流程8)；

8)根据电流寄存器的数据得到在设定的循环运行时间内，驱动器输出到电机的总电流；

9)根据驱动器输出总电流与转矩的关系得到系统输出转矩：

系统输出转矩＝输出电流×力矩系数

力矩系数可由查表得出；

10)根据流程9)得到的系统输出转矩和系统运行总时间，得到伺服系统平均转矩；

11)根据设定的加速时间和速度，得到系统运行过程中的平均转速；

12)将负载惯量与电机的转子惯量看做一个整体惯量，根据电机平均转速、伺服系统平均转矩和系统进行加减速运动的时间，得到整体惯量的值，即为电机系统惯量：

$(J_M+J_L)=\frac{60\·T_m}{4\·2\mathrm{\π}\·N_m}{t}_r$

式中：N_m为电机平均转速，单位：r/min)；J_M为电机的转子惯量，单位：Kg·m²；J_L为负载惯量，单位：Kg·m²；T_m为伺服系统平均转矩，单位：N·m；t_r为系统加减速运行的总时间，单位：s。

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