文／溫展飛·貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司 余蔚，歐陽(yáng)春·河北沃克曼數(shù)控機(jī)械有限公司

貝加萊系統(tǒng)在高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床中的應(yīng)用

文／溫展飛·貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司 余蔚，歐陽(yáng)春·河北沃克曼數(shù)控機(jī)械有限公司

中國(guó)制造2025規(guī)劃中有一項(xiàng)非常重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，即開(kāi)發(fā)一批精密、高速、高效、柔性數(shù)控機(jī)床，而高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床就是屬于這一類(lèi)型的機(jī)床。前幾年，國(guó)內(nèi)高速伺服直驅(qū)沖床的市場(chǎng)一直被國(guó)外公司占領(lǐng)，中國(guó)偶有企業(yè)投入研發(fā)和應(yīng)用卻都沒(méi)有取得非常好的進(jìn)展，無(wú)論是機(jī)械設(shè)計(jì)，還是數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，都與國(guó)外產(chǎn)品存在比較大的差距。河北沃克曼數(shù)控機(jī)械有限公司在已有的技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新和再設(shè)計(jì)，針對(duì)數(shù)控鈑金加工行業(yè)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)在軟硬件上進(jìn)行重新選擇和設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的超越。

產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)

德國(guó)工業(yè)4.0的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是柔性生產(chǎn)，如果要在設(shè)備制造企業(yè)中實(shí)現(xiàn)柔性化的生產(chǎn)，就需要企業(yè)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)都最大限度地實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。沃克曼高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床在研發(fā)初期就按照這樣的要求，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)均進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，如圖1所示。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：沖頭的模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)沖頭的靈活搭配，同時(shí)又不會(huì)降低機(jī)器的可靠性；送料架的模塊化設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)不同工作臺(tái)面的特殊要求；床身的模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同產(chǎn)品的靈活組合；轉(zhuǎn)盤(pán)的模塊化設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)不同工藝的應(yīng)用要求；整體的模塊化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)的靈活搭配以及聯(lián)機(jī)控制。這些機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)，使沃克曼高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床最終滿(mǎn)足了客戶(hù)定制化的要求。

數(shù)控系統(tǒng)

目前，市場(chǎng)上大部分的數(shù)控系統(tǒng)都是封閉式數(shù)控系統(tǒng)，無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)的要求。來(lái)自歐洲的貝加萊工業(yè)自動(dòng)化數(shù)控系統(tǒng)不僅在硬件上采用了模塊化設(shè)計(jì)思路，而且在軟件上也實(shí)現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)，非常契合數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床柔性生產(chǎn)的設(shè)計(jì)要求。貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司的數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)完全開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)，河北沃克曼公司充分理解了該系統(tǒng)的核心算法和核心控制軟件，為產(chǎn)品的升級(jí)和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。

在架構(gòu)設(shè)計(jì)上，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化的數(shù)控系統(tǒng)采用了軟件與硬件脫離的架構(gòu)模式，如圖2所示，最終實(shí)現(xiàn)了PLC、工業(yè)PC等控制器與數(shù)控系統(tǒng)的分離，并實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)、液壓元件等執(zhí)行機(jī)構(gòu)與數(shù)控系統(tǒng)的分離，可以按配置要求進(jìn)行靈活組合。

貝加萊數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程與機(jī)床邏輯以及數(shù)據(jù)計(jì)算均運(yùn)行在同一個(gè)系統(tǒng)中，如圖3所示，CNC與人機(jī)界面（HMI）及其他的任何任務(wù)（TC）均處于同一任務(wù)等級(jí)和任務(wù)周期中，使得各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換得以實(shí)現(xiàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用來(lái)完成比較復(fù)雜的功能，如，針對(duì)刀具信息的實(shí)時(shí)更改，根據(jù)當(dāng)前機(jī)床所使用刀具的工藝要求，對(duì)沖頭、X軸和Y軸實(shí)現(xiàn)加速和減速的實(shí)時(shí)調(diào)整；根據(jù)X、Y軸行程計(jì)算實(shí)現(xiàn)絲杠的定期維護(hù)；根據(jù)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)刀具使用信息的處理，實(shí)現(xiàn)刀具的定期維護(hù)，使用戶(hù)實(shí)現(xiàn)靈活管理。在組建智慧工廠(chǎng)和智能生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的上傳和命令的執(zhí)行，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了信息基礎(chǔ)。

控制總線(xiàn)

當(dāng)今的主流現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)都是采用以太網(wǎng)作為物理層的，市場(chǎng)上比較流行的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)有POWERLINK、PROFINET、SERCOS III、Ethernet/IP、EtherCAT，這五種總線(xiàn)各有千秋，但依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制的可靠性、實(shí)時(shí)性和高效性要求，POWERLINK有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，POWERLINK的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都比較強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)控制層數(shù)據(jù)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步，保證了整個(gè)控制的準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的精度和速度都有比較好的保證。貝加萊系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)采用POWERLINK的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的傳遞到底層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中。

伺服系統(tǒng)

高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床對(duì)伺服系統(tǒng)的要求非常高，主要體現(xiàn)在高可靠性、高動(dòng)態(tài)性、高穩(wěn)定性、高靈活性等方面。數(shù)控沖床常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是絲杠，由于絲杠的剛度較小、長(zhǎng)度較大，使其撓度也較大，這些特性對(duì)伺服系統(tǒng)的要求均比較高。同時(shí)，在不同位置時(shí)，絲杠的撓度對(duì)于負(fù)載的影響都不一樣，這就要求伺服系統(tǒng)對(duì)負(fù)載有自適應(yīng)功能，能夠根據(jù)不同負(fù)載來(lái)調(diào)整輸出，保證沖床高速度和高精度的要求。

貝加萊的伺服系統(tǒng)采用POWERLINK作為系統(tǒng)總線(xiàn)，能夠快速和高效地響應(yīng)控制器的命令，并且伺服驅(qū)動(dòng)器有比較齊全的算法控制，例如前饋控制、擾動(dòng)補(bǔ)償、自動(dòng)濾波等功能。根據(jù)絲杠的波特曲線(xiàn)，我們采用了Biquad濾波的方法，有效的消除了系統(tǒng)的共振頻率和截止頻率，極大地提高了整個(gè)機(jī)床的速度和精度。另外，貝加萊的伺服系統(tǒng)可對(duì)負(fù)載進(jìn)行建模，這一功能將會(huì)逐步應(yīng)用到高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床上，以大幅提高機(jī)床的速度。

直驅(qū)技術(shù)

高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床采用直驅(qū)技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，這對(duì)直驅(qū)技術(shù)的可靠性提出了特別高的要求，河北沃克曼數(shù)控機(jī)械有限公司經(jīng)過(guò)攻堅(jiān)和驗(yàn)證，提高了直驅(qū)技術(shù)的可靠性，并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

沃克曼高速伺服直驅(qū)數(shù)控沖床采用模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)，并配合貝加萊數(shù)控系統(tǒng)，整體提高了機(jī)床的精度和速度，使客戶(hù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)定制化。