戈海龍 李文龍 李慶卓 成 巍

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)激光研究所，山東 濟寧 272000)

壓力機是金屬成形行業(yè)中常見設備，位置和壓力是壓力機的兩項重要指標。在裁切或沖孔壓力機中，保證生產(chǎn)效率的同時對下死點位置控制精度要求較高。在汽車覆蓋件等拉伸成形場合，在保證零件拉伸比的同時為避免拉裂起皺，需在不同的拉伸位置施加不同的壓力，對壓力控制精度要求較高[1]。隨著汽車輕量化的提出，熱成形高強鋼零部件在汽車中的占比越來越高，長時間保壓是熱成形工藝的重要步驟，零件受到熱脹冷縮效應影響，厚度稍微變化，壓力機需根據(jù)零件厚度變化保持微小位移隨行以保證壓力穩(wěn)定[2-3]。

目前，兼具位置及保壓功能的壓力機一般為液壓機，它以液壓油作為動力傳輸介質，液壓油壓縮比受溫度變化影響，一定程度上影響壓力機控制精度。熱成形工藝涉及高溫高熱，具有一定安全隱患。伺服壓力機以伺服電機作為動力源，機械傳動，具有精度高、可控性好、節(jié)能及易維護等特點，被越來越多的汽車制造商所應用。FANUC PMI-A是一種應用于工業(yè)機械的數(shù)控系統(tǒng)，具有壓力位置控制功能，在伺服壓力機上通過相關參數(shù)設定及程序控制，即可實現(xiàn)位置及壓力靈活控制，滿足包括熱成形保壓工藝在內的位置及壓力控制需求[4]。

1 壓力位置控制功能原理

FANUC壓力位置控制功能原理如圖1所示，同時給壓力機位置和壓力控制指令，壓力機從初始位置下行，模具未合模時，壓力反饋為零，系統(tǒng)處于位置控制模式。壓力機合模建壓，壓力開始增大，增到一定值時，切換為壓力控制模式，位置指令被忽略，實際壓力到預設值后開始保壓。若保壓階段壓力指令發(fā)生變化，系統(tǒng)調整電機位置以跟蹤新的壓力指令。壓力機回程過程中，位置指令減小，減至一定值時，系統(tǒng)切換為位置控制模式，跟蹤位置指令，至模具脫模，且滑塊最終回至初始位置。

需要說明的是，在初始位置控制過程中，如果給定位置指令很小，系統(tǒng)到達指定位置后，壓力還未到壓力指令值時，系統(tǒng)則會始終處于位置控制模式。同樣在執(zhí)行壓力控制時，如果壓力指令給定很大，壓力機下行至位置指令處，壓力并沒有到達指令值，壓力機不會繼續(xù)下壓，而一直保持在位置指令處。這種控制規(guī)則能夠避免因壓力反饋值干擾或傳感器斷線而使壓機持續(xù)下壓，保證設備安全。

2 在伺服壓力機中的實現(xiàn)

位置壓力控制為FANUC PMI-A的選項功能，需提前追加，功能名稱及訂購代碼為：

(1) Multi-axes high response function(A02B-0334-R396)。

(2) Pressure and position control function(A02B-0334-R400)。

系統(tǒng)追加功能選項后，還需要通過硬件配置、系統(tǒng)參數(shù)、加工程序以及PMC程序來實現(xiàn)設備壓力位置控制功能。

2.1 方案設計

FANUC壓力位置控制功能用于伺服壓力機上的方案如圖2所示， 系統(tǒng)包含位置控制和壓力控制兩個負反饋控制環(huán)路，為實時監(jiān)控壓力機出力及偏載情況，在每個立柱上均布置應變片式壓力傳感器，當設備加壓時，立柱受反作用力發(fā)生縱向拉伸，帶動傳感器發(fā)生形變，經(jīng)變送器處理后等比例輸出0～10 V標準模擬量電壓信號。

位置反饋則使用伺服電機自帶編碼器，檢測精度可以得到保證。系統(tǒng)輸出控制量為電機轉速，同時引入速度閉環(huán)提高控制精度。需同時為系統(tǒng)給定壓力和位置指令，系統(tǒng)根據(jù)節(jié)1所述控制規(guī)則選擇位置或壓力控制環(huán)路。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)參數(shù)主要包括功能開啟、壓力反饋變換及偏置系數(shù)、增益調整等。主要參數(shù)設定值如表1，3 000 kN伺服壓力機通過兩臺伺服電機級聯(lián)，CNC系統(tǒng)中對應X1、X2兩個伺服軸，為扭矩串聯(lián)關系，X1為主軸、X2為從軸。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設定

一些參數(shù)計算方法如下：

(1)參數(shù)8697=最大壓力反饋/壓力最小識別單位=3 000。

(2)參數(shù)2630=(imax-imin)×32 767/25=(19.36-7.07)×32 767/25=16 108 。

(3)參數(shù)2631=imin×32 767/25=(7.07×32 767)/25=9 267。其中imax、imin分別為壓力機最大出力和不出力時FANUC模擬量監(jiān)控模塊的輸入電流。此外，比例、積分用于提升響應速度，同時不發(fā)生壓力超調，適當調整增益參數(shù)可以顯著縮短系統(tǒng)調整時間。

2.3 程序處理

程序處理包括PMC程序處理及G代碼加工程序。

2.3.1 PMC程序

位置壓力控制功能需要以多軸高速響應功能為基礎，PMC主要來處理多軸高速響應模式下的程序啟動及復位，主要程序如圖3所示。

在FANUC CNC多軸高速響應模式下，可以用G228～G231調用O8000～O8031共計32個主程序。本程序中， O8001為壓力機自動運行的主程序，圖3中，當沖壓條件具備時，通過導通G228.1執(zhí)行O8001，另外可以通過光電保護信號(圖3中E0.0、E0.1、E9.0、E9.1)，復位信號(E3.5)暫停程序執(zhí)行，保證異常情況下的設備安全。

2.3.2 沖壓曲線編輯界面

如圖4所示，伺服壓力機在沖壓模式中可以選擇定程或定壓模式，完整的伺服壓力機沖壓曲線一般都有若干個點組成，通過設置每個點的位置以及兩點之間的速度，以實現(xiàn)沖壓曲線的柔性化，滿足不同的沖壓工藝需求。選擇定程模式，壓力機在多軸同步條件下，控制主動軸走命令位置。選擇定壓模式，壓力機則按前述壓力位置控制規(guī)則完成沖壓過程。其中定壓壓力發(fā)訊即進入壓力控制時的壓力最小值，模具噸位保護為壓力機最大加壓上限，壓力超過此值即報警，以保證設備安全。下限保持時間即下死點保壓時間。

2.3.3 NC程序

定壓模式下，相關G代碼加工程序包含位置壓力控制指令的執(zhí)行，以下程序核心部分：壓力指令為500 kN。

%O8001//自動運行主程序

G90

IF[#1200540EQ1]GOTO1//沖壓曲線中間點數(shù)

IF[#1200540EQ2]GOTO2

IF[#1200540EQ3]GOTO3

***

N1M98P9001//1個中間點，調用O9001子程序

GOTO99

N2M98P9002

GOTO99

N3M98P9003

***

%

%O9001//壓力控制子程序

G90

G135.4X1=0P1Q100；//壓力控制功能開啟，其中Q后指定初始壓力，即壓力反饋到100KN時開啟功能；

G135.5X1=0Q500；//壓力位置控制指令，位置指令為0 mm，

G135.6X1=0P#2000；//保壓指令，保壓時間值，單位為毫秒；

G01X1=1000.；//保壓完成，回初始行程位置；

G135.4X1=0P0；//關閉壓力位置控制功能；

M99

3 控制效果分析

為了驗證位置壓力控制功能的實際控制效果，在基于FANUC PMi-A CNC的3 000 kN伺服壓力機試驗平臺上進行驗證。成形過程中，通過FANUC數(shù)據(jù)采集軟件Servo guide V9.0進行運行數(shù)據(jù)采集并分析。試驗用伺服壓力機有效行程為600 mm，滑塊加上模重量約為 5 t，滑塊平衡壓力8 MPa，實驗過程中數(shù)據(jù)采樣周期為 3 ms。

由圖5電機位置曲線可以看出壓力機從初始位置，向下移動至下死點，經(jīng)保壓過程，然后返回行程初始點，即完成一次完整沖壓過程。

由圖6，壓力機合模及建壓之前，給定較小的初始壓力指令100 kN，壓力反饋沒有跟蹤壓力指令。壓力機滑塊下行，壓力反饋達到初始壓力指令后，控制環(huán)路開始由位置環(huán)切換為壓力環(huán)，由章節(jié)2.3.3可知，G135.5給定壓力指令500 kN，反饋壓力開始跟蹤壓力指令，當壓力反饋值到達500 kN時，進入保壓過程，保壓結束，壓力指令變?yōu)?，壓力機按位置環(huán)控制回至初始行程點。

由圖2知系統(tǒng)位置及壓力的控制最終是通過伺服電機速度調整實現(xiàn)，通過圖7中記錄電機速度指令曲線(VCMD)和壓力環(huán)控制量(ALGVCM)、位置控制輸出量(POSVCM)的曲線趨勢，可分析系統(tǒng)位置壓力控制環(huán)路的切換過程：壓力反饋在達到初始壓力支前，VCMD曲線跟蹤POSVCM曲線，系統(tǒng)響應位置控制輸出量，執(zhí)行位置環(huán)控制。壓力反饋增大到初始壓力值后，VCMD曲線跟蹤ALGVCM曲線，即切換為壓力環(huán)控制。保壓過程中，電機通過微動調整以減小由于沖減件變形引起的壓力波動。

4 結語

壓力機壓力和位置是衡量壓力機性能的重要指標，伺服壓力機因具有一系列優(yōu)勢，應用越來越普遍。將FANUC PMI-A CNC 作為伺服壓力機控制器，借助其壓力位置控制選項功能，通過相關系統(tǒng)參數(shù)配置及程序控制，可以使得伺服壓力機實現(xiàn)靈活的位置和壓力控制，這在金屬沖壓成形行業(yè)特別是對于熱成形等具有保壓需求的成形工藝中具有一定實用性。