龐興瑋

（廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司）

摘要：對(duì)機(jī)械壓力進(jìn)行檢測(cè)和控制主要是為了提升機(jī)械運(yùn)行效率，保持機(jī)械的高效化運(yùn)作。機(jī)械在實(shí)際的運(yùn)行過程中，通常采用人工控制方式，人工控制下，機(jī)械運(yùn)作壓力難免會(huì)出現(xiàn)誤差，這就會(huì)產(chǎn)品的生產(chǎn)造成影響。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械壓力的檢測(cè)和智能化控制，可以有效減低人工控制的誤差，保障機(jī)械運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：機(jī)械運(yùn)作；壓力檢測(cè)；智能化控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)與制造逐漸多樣化發(fā)展，只有實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械壓力的檢測(cè)和智能化控制才能夠滿足生產(chǎn)要求。在本文當(dāng)中，筆者將對(duì)機(jī)械原理檢測(cè)和智能化控制的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，提出檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，促進(jìn)機(jī)械壓力智能化控制的實(shí)現(xiàn)。

一、 壓力檢測(cè)系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括滑塊位移監(jiān)測(cè)、驅(qū)動(dòng)軸和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)、模具變形力監(jiān)測(cè)、氣動(dòng)摩擦離合器和位移壓力監(jiān)測(cè)。本次設(shè)計(jì)將監(jiān)控系統(tǒng)分為四個(gè)模塊，即數(shù)據(jù)采集處理模塊、操作規(guī)范實(shí)現(xiàn)模塊、控制算法模塊和執(zhí)行模塊。在四個(gè)模塊的基礎(chǔ)上，建立了機(jī)械壓力機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用微機(jī)控制操作系統(tǒng)為平臺(tái)，實(shí)施數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)采集與處理，反饋控制算法模塊為核心，在操作標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行模塊的框架下，執(zhí)行模塊的輸出和機(jī)械壓力機(jī)的控制以及工況監(jiān)測(cè)。信號(hào)檢測(cè)和控制系統(tǒng)都是在PCL- 818L的數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，采集卡提供了五種常用的測(cè)量和控制功能，分別是12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。還提供了16個(gè)單端模擬輸入通道、8個(gè)差分模擬輸入通道，接入開關(guān)選擇。采樣時(shí)，最高采樣頻率的DMA模式可以達(dá)到40赫茲。每個(gè)采樣通道可以設(shè)置自己的增益值，并且相互之間不產(chǎn)生影響，增益值可以由程序設(shè)置。當(dāng)多通道采樣程序按頻率掃描的順序依次進(jìn)行相鄰信道采樣時(shí)，每個(gè)通道的輸入值依次存儲(chǔ)在SRAM寄存器中。

（二）主從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)

機(jī)械式壓力機(jī)主傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，基于它的傳動(dòng)系統(tǒng)可以在一個(gè)點(diǎn)上計(jì)算能量，其變化規(guī)律也反映了傳動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換和傳遞規(guī)律。本文采用雙光電耦合傳感器主從軸角速度。用齒板的圓周速度測(cè)量矩形齒形，與齒寬和齒距相等。光耦合器在測(cè)速板邊緣安裝。測(cè)量時(shí)，軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速盤與轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速的矩形齒依次掃描光耦傳感器，每刷一個(gè)齒，傳感器輸出就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期，并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄。只要記錄傳感器輸出信號(hào)每秒的循環(huán)次數(shù)，就可以計(jì)算出每秒磁盤轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。實(shí)際計(jì)算根據(jù)采樣頻率和采樣點(diǎn)確定每個(gè)循環(huán)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速n計(jì)算公式為：n=60f/cz（ r/min）

f為采樣頻率，z為速度盤的總齒數(shù)，c為每個(gè)采樣點(diǎn)上的齒數(shù)。機(jī)械壓力機(jī)離合器在組合過程中，驅(qū)動(dòng)軸（COG）的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。離合器剛開始進(jìn)行結(jié)合時(shí)，從動(dòng)軸上的飛輪的轉(zhuǎn)速開始急劇下降。當(dāng)飛輪和從動(dòng)軸達(dá)到完全結(jié)合以后，它們的角速度最小，完成結(jié)合之后兩者的角速度緩慢上升到飛輪組合前。圖中的直線是電比例閥的計(jì)算機(jī)電信號(hào)。

二、 機(jī)械壓力智能控制系統(tǒng)

（一）硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)伺服螺旋精壓機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求，上控制單元使用GT200-SV運(yùn)動(dòng)控制器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)的特殊設(shè)計(jì)，自動(dòng)混合輸入切換機(jī)構(gòu)和減速器，電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運(yùn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度檢測(cè)元件可以使用旋轉(zhuǎn)編碼器，使用光柵尺作為元件對(duì)滑塊位置進(jìn)行檢測(cè)，構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（二）軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)伺服壓力機(jī)的工作特點(diǎn)，對(duì)控制系統(tǒng)的性能要求對(duì)設(shè)計(jì)工作過程的控制系統(tǒng)的軟件如下：系統(tǒng)自動(dòng)初始化，首先檢查用戶登錄到系統(tǒng)中，正常情況下進(jìn)行下一步運(yùn)行，反之有任何異常會(huì)自動(dòng)停止一切操作、顯示異常信息，當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，可進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置，設(shè)置算法將工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化成控制器運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制器接收運(yùn)動(dòng)參數(shù)，內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令，下位機(jī)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行控制器發(fā)出的命令：在同一時(shí)間，和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、反饋機(jī)制達(dá)成聯(lián)通，反饋給運(yùn)動(dòng)控制裝置實(shí)時(shí)的機(jī)械壓力運(yùn)行情況，包括伺服驅(qū)動(dòng)和用戶界面的運(yùn)行情況，根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋的技術(shù)要求，調(diào)整和更新交流伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)處理技術(shù)來滿足系統(tǒng)的要求，循環(huán)以上步驟，直到最后發(fā)送的指令處理結(jié)束。

（三）功能設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)螺旋壓力機(jī)，主要是為了解決成型設(shè)備的機(jī)械效率、生產(chǎn)效率、加工精度、智能性與靈活性水平不高的缺陷，以形成數(shù)字化、信息化、智能化的設(shè)備提供技術(shù)支持，優(yōu)化成形工藝。數(shù)字化、信息化提高了成型設(shè)備的靈活度和智能化水平。根據(jù)成型設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，控制系統(tǒng)需要進(jìn)行以下功能的設(shè)計(jì)：（1）為了更好的提高設(shè)備的智能化和柔性化；（2）工作周期的存儲(chǔ)和默認(rèn)；（3）增加、調(diào)用和建立工作循環(huán)數(shù)據(jù)庫(kù)。（4）實(shí)時(shí)監(jiān)督展示工況和關(guān)鍵參數(shù)；（5）根據(jù)工藝要求的不同優(yōu)化成形工藝曲線：（6）友好的人機(jī)交流技術(shù)；（7）滿足安全性要求。

（四）系統(tǒng)方案

伺服螺桿電機(jī)由兩臺(tái)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)確定中間環(huán)節(jié)，改造后機(jī)構(gòu)的兩臺(tái)交流伺服電機(jī)決定運(yùn)動(dòng)規(guī)律，經(jīng)過交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，可以控制伺服螺旋壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)。因此，控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過控制兩個(gè)交流伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來達(dá)到基本的控制目標(biāo)。位置控制系統(tǒng)可以控制運(yùn)動(dòng)，也就是說，有或沒有位置反饋和位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)組件都可以控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要有三種類型的控制方式，分別是開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及半閉環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)主要由PC機(jī)、執(zhí)行器等組成，沒有位置檢測(cè)和反饋裝置。在執(zhí)行器中，步進(jìn)電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種控制方法最重要的特點(diǎn)是易于控制，操作簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低廉。由控制系統(tǒng)信號(hào)表示的單向、位移指令，可以不必考慮穩(wěn)定性問題，其缺陷是定位精度不高，這是因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)誤差沒有反饋。

半閉環(huán)控制系統(tǒng)，將位置檢測(cè)傳感器安裝在伺服電機(jī)軸上，以便對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)實(shí)間接測(cè)量電機(jī)的角位移確定其位置。因?yàn)槲恢梅答伩刂埔_，所以系統(tǒng)不包含在回路控制系統(tǒng)中更穩(wěn)定的控制大部分的機(jī)械旋轉(zhuǎn)。在提高位置精度的方法中可以使用補(bǔ)償法，主要是因?yàn)榉答伈⒉荒軌蚣m正機(jī)械傳動(dòng)誤差。

閉環(huán)控制系統(tǒng)由五部分組成：主機(jī)控制單元，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，檢查機(jī)構(gòu)和對(duì)象的比較。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)會(huì)直接影響控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置需要一個(gè)給定的位置伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位置傳感器可以檢測(cè)到的實(shí)際值，同時(shí)將其反饋到輸入端口，根據(jù)反饋，將實(shí)際值與位置指令進(jìn)行比較，查看二者之間的差異，通過擴(kuò)大其差數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)的有效控制，使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。

通過對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)三種控制方案的全面比較，根據(jù)伺服螺旋壓力機(jī)的特點(diǎn)建議采用閉環(huán)控制系統(tǒng)為佳，由于伺服螺旋壓力機(jī)的性能要求，可以減少機(jī)械傳動(dòng)誤差，提高加工精度。

結(jié)束語：

在傳統(tǒng)管理方式下，機(jī)械運(yùn)作過程中會(huì)有大量的能量損失，使得機(jī)械無法得到預(yù)定的運(yùn)行效果，造成這一問題的一個(gè)重要因素就是因?yàn)槿斯た刂葡?，無法對(duì)機(jī)械壓力實(shí)施有效的檢測(cè)，機(jī)械壓力控制就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，使之無法滿足生產(chǎn)要求。實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械壓力的檢測(cè)和智能控制可以有效提升機(jī)械效率，減少機(jī)械運(yùn)動(dòng)誤差，全面滿足生產(chǎn)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李琳娜； 蔣彬.機(jī)械壓力機(jī)智能控制系統(tǒng)分析[J].安順學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（15）：174-175.

[2]張偉.基于嵌入式控制的雙點(diǎn)伺服曲柄壓力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué).，2014-03-01.

[3]張瑛.伺服螺旋精壓機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)及成形工藝庫(kù)實(shí)現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2016-06-01.