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伺服運動技術及其在冷彎成型設備中的應用
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貨架冷彎機組系統功能介紹

1系統配置:

貨架冷彎機組系統由開卷機、校平機、切頭焊接機組、伺服送料機組、在線沖孔壓力機、冷彎機組、定尺飛剪、出料架等基本結構組成,(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。根據從生產現場采集到的數據分析,實際孔位控制精度σ基本穩定在±0.15mm以內,且孔位誤差符合正態分布規律,電氣控制精度確保在一個旋轉編碼脈沖上漂移,從根本上也保障了總長度上的累積誤差很小,基本穩定在6σ以內。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關鍵技術和設備。 

2發展方向:

伺服系統一般有兩個發展方向。一個是滿足一般工業應用要求,在對性能指標要求不高的應用場合,追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅動產品,如變頻電機、變頻器等。另一個即是代表著伺服系統發展水平的主導產品—伺服電機、伺服控制器,追求高性能、高速度、數字化、智能型、網絡化的驅動控制,以滿足用戶較高的應用要求。

伺服技術在冷彎成型設備中的應用涉及到這兩類發展方向,上位機的選擇涉及CNC系統或可編程控制器(PLC),并通過伺服系統配置的標準串行通信接口(如RS-232C、RS-422接口、專用多芯線纜接口等)和專用的局域網接口進行系統控制和數據傳輸與處理,系統實現如下功能:運用伺服電機、伺服控制器構成的在線伺服裝置實現在線沖孔準確定位控制組塊、運用變頻電機、變頻器等構成的系統主體傳動系統實現產品在線長度液壓切斷定位控制,貨架冷彎成型設備的系統運行參數通過人機對話的方式來設置,伺服系統參數的在線調試設定及其自整定功能、系統故障自診斷與分析功能等需要結合機組的生產工藝性及其現場采集的數據及其處理結果并結合選用的上位控制機系統和軟件配置進行設定和調試。

3控制算法:

冷彎成型設備采用從主傳動電機軸端的位置旋轉編碼器采集位置和速度信號,在冷彎型材某個平面接觸旋轉編碼器采樣信號,構成系統主傳動交流變頻電機的運動控制內、外部閉環速度位置調節系統,內部速度控制閉環采用速度實時檢測控制算法。這樣不僅使電機的低速性能得到進一步提高,速度波動和轉矩波動降到很低,還確保了冷彎成型過程的運行穩定和速度控制,外部位置控制閉環采用PID運動控制算法,確保冷彎成型過程的位置定位控制精度和位置定位效率。

目前應用在貨架冷彎成型設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、速度實時監控、共振抑制控制、可變增益控制、振動抑制控制、模型規范適應控制、反復控制、預測控制、模型跟蹤控制、在線自動修正控制、模糊控制、神經網絡控制等;通過采用這些功能算法,可以使伺服控制器的響應速度、穩定性、準確性和可操作性都達到了很高的水平,實現了真正意義上的全數字控制。

貨架冷彎成型機組的系統

1基本組成:

該系統由五部分組成,即計算機(PC)或PLC構成的上位控制系統、伺服驅動控制卡、交流伺服調速系統(交流伺服控制器、伺服電機、相應的控制電纜等)、傳感檢測反饋系統及相應輔助執行系統。

2工作原理:

上位主控系統與伺服驅動控制卡相連,可以通過數據線發送位置或速度調節指令,設定PID調節參數(程序設計過程中將其作開放性設計,便于在線作適應性調整),并進行數模(D/A)轉換,通過相應的控制板卡輸出±10V的模擬信號并經過交流伺服控制器轉換后驅動伺服電動機,在電機軸端裝有增量式旋轉編碼器或在被傳動的受控物體上設置測量輥和增量式旋轉編碼器轉換裝置,并通過旋轉編碼器提供反饋信號(A、B、IN脈沖)來完成伺服系統的位置半閉環或封閉環位置反饋控制系統。位置反饋環中的傳感元件-增量式光電編碼器將運動構件實時的位移(或轉角)變化量以A、B相差分脈沖形式長線傳輸到現場控制站(PC機或PLC)中進行編碼器脈沖計數,以獲得數字化位置、速度等信息,主控上位機計算出給定位置與實際位置(即反饋到的位置)的偏差并根據偏差范圍采取相應的PID控制策略,將數字控制作用經數模轉換變成模擬控制電壓,并輸出給伺服放大器,終調節電機的運動(正、反轉和定位停止等),完成期望值的重復多次定位,在控制原理上實現小誤差高精度的快速位置定位;輔助執行系統完成相應的壓力機工作循環實現沖壓工序等。

控制系統設計的幾個主要問題

1輸入信號的控制精度

增量式編碼器的每轉脈沖數及測量輥的圓周長,如:φ90測量輥配每轉輸出1000個脈沖的光電編碼器與每轉輸出2000個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;終反映出來的即是每個輸出脈沖所對應的長度值,即圓周長與每轉輸出脈沖數的比值,盡量選擇比值小的產品。

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PID控制算法上的不同,參數整定所確定的Kp、Ki、Kd及采樣周期T等,在數字PID調節控制系統中,在過程的開始、結束或大幅增加設定值時,會產生積分積累,引起系統較大的超調,甚至振蕩,這對于伺服電機的運行來說是不利的。

系統的機械精度控制在一定誤差范圍內,電氣控制精度(編碼器脈沖)即可得到提高,魯棒性強,可以在很多場合達到較高精度位置控制的要求,永磁同步電動機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟,具備了十分優良的低速性能,并可實現弱磁高速控制,拓寬了系統的調速范圍,適應了高性能伺服驅動的要求。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低,其在工業生產自動化領域中的應用將越來越廣泛,目前已成為交流伺服系統的主流。

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