1．引言

上世紀(jì)六十年代以來，各國相繼設(shè)計(jì)和發(fā)展了自動(dòng)化程度很高的物流存儲系統(tǒng)--貨架，且普遍采用多層鋼貨架結(jié)構(gòu)，其承重結(jié)構(gòu)組件也多采用冷彎薄壁多孔型鋼；由于組合式貨架鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)與裝配上的要求，需要在特定冷彎型鋼的立面、側(cè)面沖壓出一系列的具有一定分布規(guī)律和精度要求的孔或不規(guī)則的連續(xù)裝配孔洞，以便用螺栓或其他的機(jī)械扣接等方式裝配成結(jié)構(gòu)件，構(gòu)成特有的冷彎薄壁多孔、截面復(fù)雜的貨架鋼結(jié)構(gòu)體系特征；使用先進(jìn)的在線預(yù)沖孔貨架冷彎成型技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)的貨架組件可有效降低材料消耗，確保冷彎成型截面的冷彎性能、孔位精度和表面質(zhì)量，提高貨架鋼結(jié)構(gòu)裝配時(shí)的工作效率，極大地提高貨架鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，伺服系統(tǒng)為在線預(yù)沖孔貨架冷彎成型技術(shù)及設(shè)備的重要組成部分。本文擬就伺服系統(tǒng)在貨架冷彎機(jī)組中的具體應(yīng)用及系統(tǒng)調(diào)試特點(diǎn)，與PLC控制系統(tǒng)的軟硬件配置接口及控制方案的實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行探討分析，與同行共勉。

2．概述

2.1貨架冷彎機(jī)組系統(tǒng)功能簡介

2.1.1系統(tǒng)配置：貨架冷彎機(jī)組系統(tǒng)由開卷機(jī)、校平機(jī)、切頭焊接機(jī)組、伺服送料機(jī)組、在線沖孔壓力機(jī)、冷彎機(jī)組、定尺飛剪、出料架等基本結(jié)構(gòu)組成，(如圖1所示)。也形成了貨架冷彎組件特有的冷彎成型工藝特點(diǎn)。根據(jù)從生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)分析，實(shí)際孔位控制精度σ基本穩(wěn)定在±0.15mm以內(nèi)，且孔位誤差符合正態(tài)分布規(guī)律，電氣控制精度確保在一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼脈沖上漂移，從根本上也保證了總長度上的累積誤差最小，基本穩(wěn)定在6σ以內(nèi)。由此也對貨架組件的冷彎制造工藝提出了更高的要求，并形成了貨架組件特定的冷彎生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。

2.1.2伺服系統(tǒng)一般有兩個(gè)發(fā)展方向。一個(gè)是滿足一般工業(yè)應(yīng)用要求，在對性能指標(biāo)要求不高的應(yīng)用場合，追求低成本、少維護(hù)、使用簡單等特點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如變頻電機(jī)、變頻器等。另一個(gè)就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導(dǎo)產(chǎn)品—伺服電機(jī)、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動(dòng)控制，以滿足用戶較高的應(yīng)用要求。

2.1.3伺服技術(shù)在冷彎成型設(shè)備中的應(yīng)用涉及到這兩類發(fā)展方向，上位機(jī)的選擇涉及CNC系統(tǒng)或可編程控制器（PLC），并通過伺服系統(tǒng)配置的標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口（如RS-232C、RS-422接口、專用多芯線纜接口等）和專用的局域網(wǎng)接口進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)傳輸與處理，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：運(yùn)用伺服電機(jī)、伺服控制器構(gòu)成的在線伺服裝置實(shí)現(xiàn)在線沖孔精確定位控制組塊、運(yùn)用變頻電機(jī)、變頻器等構(gòu)成的系統(tǒng)主體傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在線長度液壓切斷定位控制，貨架冷彎成型設(shè)備的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)通過人機(jī)對話的方式來設(shè)置，伺服系統(tǒng)參數(shù)的在線調(diào)試設(shè)定及其自整定功能、系統(tǒng)故障自診斷與分析功能等需要結(jié)合機(jī)組的生產(chǎn)工藝性及其現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)及其處理結(jié)果并結(jié)合選用的上位控制機(jī)系統(tǒng)和軟件配置進(jìn)行設(shè)定和調(diào)試，如我公司選用的SIMATIC S7-300PLC作為系統(tǒng)控制上位機(jī)就滿足了上述要求。

2.1.4冷彎成型設(shè)備采用從主傳動(dòng)電機(jī)軸端的位置旋轉(zhuǎn)編碼器采集位置和速度信號，在冷彎型材某個(gè)平面接觸旋轉(zhuǎn)編碼器采樣信號，構(gòu)成系統(tǒng)主傳動(dòng)交流變頻電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)、外部閉環(huán)速度位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)，內(nèi)部速度控制閉環(huán)采用速度實(shí)時(shí)檢測控制算法，使電機(jī)的低速性能得到進(jìn)一步提高，速度波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降到最低，確保冷彎成型過程的運(yùn)行穩(wěn)定和速度控制，外部位置控制閉環(huán)采用PID運(yùn)動(dòng)控制算法，確保冷彎成型過程的位置定位控制精度和位置定位效率，如我公司的貨架冷彎成型機(jī)組的主傳動(dòng)電機(jī)功率達(dá)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，實(shí)際位置控制時(shí)間小于500ms；在線伺服沖孔裝置通過接口與外部被動(dòng)運(yùn)動(dòng)端測量的旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置定位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使機(jī)械加工誤差、齒輪間隙、結(jié)構(gòu)受力彈性變形等誤差所造成的影響降低到最小，如我公司的貨架冷彎成型機(jī)組在線預(yù)沖孔裝置傳動(dòng)交流伺服電機(jī)功率達(dá)到5KW，基本控制定位精度在±0.015mm左右，實(shí)際位置控制時(shí)間小于250ms；最高控制精度在一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器反饋脈沖左右漂移；然后考慮到輸送料表面的平整度等其它非電氣控制因素,實(shí)際控制精度基本可以達(dá)到 ±0.15mm，確保了貨架多孔冷彎薄壁組件的控制精度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.1.5目前應(yīng)用在貨架冷彎成型設(shè)備中的伺服控制器都采用了多種新算法。目前比較常用的算法主要有PID/IPD（比例微分積分）控制切換、前饋控制、速度實(shí)時(shí)監(jiān)控、共振抑制控制、可變增益控制、振動(dòng)抑制控制、模型規(guī)范適應(yīng)控制、反復(fù)控制、預(yù)測控制、模型跟蹤控制、在線自動(dòng)修正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等；通過采用這些功能算法，可以使伺服控制器的響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可操作性都達(dá)到了很高的水平，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的全數(shù)字控制。我公司進(jìn)口貨架生產(chǎn)線就主要采用PID/IPD（比例微分積分）控制切換算法實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的主要控制模式。其主要控制原理如圖2。

3．貨架冷彎成型機(jī)組的系統(tǒng)基本組成及工作原理

3.1 交流位置伺服PID控制系統(tǒng)的基本組成如圖2 所示。

3.2 該系統(tǒng)由五部分組成，即計(jì)算機(jī)（PC）或PLC構(gòu)成的上位控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)（交流伺服控制器、伺服電機(jī)、相應(yīng)的控制電纜等）、傳感檢測反饋系統(tǒng)及相應(yīng)輔助執(zhí)行系統(tǒng)。上位主控系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)控制卡相連，可以通過數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度調(diào)節(jié)指令，設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)（程序設(shè)計(jì)過程中將其作開放性設(shè)計(jì)，便于在線作適應(yīng)性調(diào)整），并進(jìn)行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，通過相應(yīng)的控制板卡輸出±10V的模擬信號并經(jīng)過交流伺服控制器轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，在電機(jī)軸端裝有增量式旋轉(zhuǎn)編碼器或在被傳動(dòng)的受控物體上設(shè)置測量輥和增量式旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)換裝置，并通過旋轉(zhuǎn)編碼器提供反饋信號（A、B、IN脈沖）來完成伺服系統(tǒng)的位置半閉環(huán)或封閉環(huán)位置反饋控制系統(tǒng)。位置反饋環(huán)中的傳感元件-增量式光電編碼器將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件實(shí)時(shí)的位移（或轉(zhuǎn)角）變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制站（PC機(jī)或PLC）中進(jìn)行編碼器脈沖計(jì)數(shù)，以獲得數(shù)字化位置、速度等信息，主控上位機(jī)計(jì)算出給定位置與實(shí)際位置（即反饋到的位置）的偏差并根據(jù)偏差范圍采取相應(yīng)的PID控制策略，將數(shù)字控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)（正、反轉(zhuǎn)和定位停止等），完成期望值的重復(fù)多次定位，在控制原理上實(shí)現(xiàn)小誤差高精度的快速位置定位；輔助執(zhí)行系統(tǒng)完成相應(yīng)的壓力機(jī)工作循環(huán)實(shí)現(xiàn)沖壓工序等。

4．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要問題

4.1輸人信號的控制精度：增量式編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及測量輥的圓周長，如：φ90測量輥配每轉(zhuǎn)輸出1000個(gè)脈沖的光電編碼器與每轉(zhuǎn)輸出2000個(gè)脈沖的光電編碼器之間的差異、φ50測量輥與φ90測量輥的控制精度差異；最終反映出來的就是每個(gè)輸出脈沖所對應(yīng)的長度值，即圓周長與每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)的比值，盡量選擇比值小的產(chǎn)品。

4.2 輸出信號的控制精度：由于測量信號滯后和控制傳送滯后、位置環(huán)PID控制算法上的不同，參數(shù)整定所確定的Kp、Ki、Kd及采樣周期T等，在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時(shí)，會產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對于伺服電機(jī)的運(yùn)行來說是不利的。

4.3 系統(tǒng)的機(jī)械精度控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，魯棒性強(qiáng)，可以在很多場合達(dá)到較高精度位置控制的要求，永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)在技術(shù)上已趨于完全成熟，具備了十分優(yōu)良的低速性能，并可實(shí)現(xiàn)弱磁高速控制，拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，其在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來越廣泛，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流。

4.4 為了保護(hù)伺服控制器和電機(jī)等設(shè)備，考慮到系統(tǒng)中含有很多對靜電敏感的元器件（如：晶閘管），其承受過電壓和過電流的能力差等因素，要嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、安裝，例如充分考慮伺服控制器和電機(jī)的安全容量，采用內(nèi)、外保護(hù)接地，外部保護(hù)接零，弱電信號線、動(dòng)力線、速度反饋線屏蔽，屏蔽線與未屏蔽線分開等防止措施。

5．機(jī)組運(yùn)動(dòng)位置控制及調(diào)試

5.1 貨架冷彎機(jī)組的整線運(yùn)行速度和生產(chǎn)率要求都很高，如在線交流伺服的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到60M/min，整線運(yùn)行速度達(dá)到20M/min，該系統(tǒng)必須具備高定位精度和高運(yùn)動(dòng)速度的特性，由于交流伺服系統(tǒng)必須有良好的運(yùn)動(dòng)控制特性，普通的變頻調(diào)速無法達(dá)到要求，因此采用了伺服控制器加交流伺服電機(jī)的方案。在比較了多家產(chǎn)品后，選擇了YASKAWA公司伺服系統(tǒng)SDGB-03ADG、伺服電機(jī)SGMG-3DA、OMRON公司位置檢測脈沖編碼器完成，并由SIMATIC S7-300PLC帶DP接口的檢測脈沖編碼器測量并反饋伺服送料控制位，從而有效地構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的電氣控制精度、設(shè)備間的動(dòng)作協(xié)調(diào)和連鎖保護(hù)并節(jié)省了大量的電纜和安裝調(diào)試檢查時(shí)間。

5.2 貨架冷彎生產(chǎn)線在正常生產(chǎn)前，需要在手動(dòng)工作模式下進(jìn)行穿引帶調(diào)試工作，通過操作手柄、控制面板上的動(dòng)作按鈕操作調(diào)試設(shè)備，并檢查和人為設(shè)置報(bào)警故障模式，如料尾無料停機(jī)保護(hù)、伺服送料不到位故障、各單項(xiàng)順序動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)和快速反應(yīng)程度等；確認(rèn)上述調(diào)試過程無誤后將機(jī)組工作模式轉(zhuǎn)化為自動(dòng)工作模式下進(jìn)行整線聯(lián)機(jī)調(diào)試，通過冷彎制件的尺寸精度檢查和分析，排除冷彎模具、工裝設(shè)備制造調(diào)試精度等的影響，確認(rèn)設(shè)備的操作性、維修方便性、定尺控制精度等，其中的調(diào)試關(guān)鍵和難點(diǎn)在：伺服定長送料裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和精度保持性、定長剪切斷裝置的控制精度和運(yùn)行方式的選擇。由于交流伺服系統(tǒng)存在參數(shù)時(shí)變、負(fù)載擾動(dòng)以及伺服電機(jī)自身和被控對象的嚴(yán)重非線性、強(qiáng)耦合性等不確定因素，必須在線修訂模糊控制的數(shù)學(xué)模型和控制敏感參數(shù)，相應(yīng)的PID控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無超調(diào)和振蕩現(xiàn)象。我們在工作現(xiàn)場就發(fā)生過伺服控制系統(tǒng)工作丟步、工作不協(xié)調(diào)、伺服不明飛車等偶然故障，并通過更換相應(yīng)電纜和排除干擾源的方法來解決；如：貨架冷彎機(jī)組在線預(yù)沖孔裝置的伺服系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)存在系統(tǒng)與負(fù)載動(dòng)態(tài)匹配的問題，貨架冷彎機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)會考慮使用多板厚同規(guī)格的系列產(chǎn)品、或通過不同的冷彎工藝在一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)不同規(guī)格尺寸的貨架產(chǎn)品，故交流位置伺服系統(tǒng)的負(fù)載的大小和性質(zhì)會發(fā)生多種變化，甚至相同規(guī)格卷料的更換也會造成負(fù)載的不穩(wěn)定與變化，這種變化將使系統(tǒng)的性能特別是動(dòng)態(tài)性能變壞，使運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)振蕩、超調(diào)甚至于不能穩(wěn)定運(yùn)行，必須在調(diào)試現(xiàn)場得到系統(tǒng)所帶負(fù)載的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和伺服系統(tǒng)在線帶負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，在調(diào)試過程中對系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析與測定，并憑經(jīng)驗(yàn)由人工進(jìn)行現(xiàn)場在線調(diào)試工作，調(diào)試現(xiàn)場也需要配合相當(dāng)?shù)娜肆M(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集整理、數(shù)據(jù)分析處理等，也易造成相當(dāng)高的調(diào)試廢料，在調(diào)試過程中還存在相當(dāng)?shù)奈粗绊懸蛩氐?；這都要求工程技術(shù)人員有較強(qiáng)的專業(yè)知識和豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)來處理。

6．存在的問題和不足

6.1貨架冷彎機(jī)組在應(yīng)用伺服技術(shù)的過程中也存在不足之處。主要表現(xiàn)在有的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面還存在有相當(dāng)不合理的地方。比如設(shè)計(jì)者沒有很好地利用伺服技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而是極端膚淺地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精度伺服控制，不考慮機(jī)組間的合理配置，如在線伺服預(yù)沖孔裝置中伺服運(yùn)動(dòng)節(jié)拍與壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)節(jié)拍之間的不協(xié)調(diào)等。

6.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中針對伺服系統(tǒng)的反饋設(shè)計(jì)重視不夠，系統(tǒng)故障診斷設(shè)計(jì)重視不夠，系統(tǒng)選用品牌雜亂造成的備件、維修保養(yǎng)困難重視不夠等，包括用戶對系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)保存與修改經(jīng)驗(yàn)上的不足等、對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的認(rèn)識不足，系統(tǒng)在線調(diào)試參數(shù)設(shè)置的不盡合理，相關(guān)外圍設(shè)備參數(shù)變化對系統(tǒng)參數(shù)的重調(diào)試等，如：編碼器測量輥的磨損與更換；均極大地影響了伺服系統(tǒng)在貨架冷彎生產(chǎn)線上的應(yīng)用效果。