CN104750925A - 一种关于伺服冲床主轴非匀速运动曲线的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种关于伺服冲床主轴非匀速运动曲线的分析方法，属于控制与制造技术领域。其依次包括：滑块运动曲线的几何特性设计步骤；滑块运动曲线的分段步骤；划分区间线段相邻处的过渡修正步骤；主轴非匀速运动曲线分析步骤；工艺曲线及曲线片段数据的存储步骤。本发明基于关键点的运动参数，对各个分段区间构造符合精度控制要求的基本曲线段，各区间及分线段之间采用符合工艺要求的过渡曲线来连接，通过调整关键控制点两侧的过渡区间就可以实现针对不同参数要求的曲线规划，提高了主轴非匀速运动曲线分析的可操作性，降低了曲线段之间的电机控制系统的信号处理量。
Description
技术领域
本发明属于控制与制造技术领域，具体涉及一种关于伺服冲床主轴非匀速运动曲线的分析方法。
背景技术
伺服冲床改变了传统冲床曲轴运动模式单一，工艺适应性差的特点，可以根据不同的加工工艺自由设定滑块运动曲线，有助于提高生产率，提高产品成形质量，实现柔性加工。伺服冲床的主轴在这里是指，伺服电机直接或者通过减速机构间接驱动的心轴，具体形式可以是曲轴，丝杠，偏心齿轮轴。冲床曲轴的运动与控制直接影响着滑块的运动轨迹，是决定工件成形质量和加工效率的重要因素。
目前，针对伺服冲床加工工艺曲线的规划基本上采用建立高次曲线模型及拟合给定曲线的方法去实现，其基本思路是针对工艺要求拟定曲线几何参数，在关键控制点间通过调整高等曲线的拟合效果，实现对目标曲线几何连续性的要求。诸如基于样条等高等曲线的加工工艺曲线规划方法，虽然规划结果可以满足所要求的曲线几何特性限制，但可行性不高，对于伺服控制系统的实时处理和加减速性能均要求较高，可控性能不高。
伺服冲床曲轴非匀速运动曲线分析关键在于对加工过程中工作区间以及滑块经过关键位置控制点的曲线拟合优化问题。伺服冲床对于伺服电机加减速能力的要求并不高，简单、有效、可行，而又符合加工工艺曲线相关特性，并能综合考虑伺服电机动态特性的轨迹规划方法是伺服冲床工艺曲线规划研究的方向。
传统工艺曲线轨迹规划的弊端在于，片面追求滑块位移曲线的连续性导致伺服电机根本达不到轨迹规划曲线所对应的电机转速变化曲线的变化效果，或者相关算法的实现，增加了电机的无用负荷，以及整个控制系统的信息处理量。伺服冲床有着不同的传动机构，由于滑块位移与相关机构运动参数的对应关系的改变，对于滑块曲线的规划并不是一成不变的，因此曲轴非匀速运动曲线的分析方法应该具有广泛的适应性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种关于伺服冲床曲轴非匀速运动曲线的分析方法。解决现有技术片面追求滑块位移曲线的连续性导致伺服电机根本达不到轨迹规划曲线所对应的电机转速变化曲线的变化的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
1、滑块运动曲线的几何特性制定
1-1、分析用户提供数据
图2为伺服冲床中曲柄滑块式结构的工作简图。伺服冲床作业时，曲轴1以设定转速旋转，并通过连杆2带动滑块3做上下循环运动从而完成冲压作业。滑块3与上模具4固定，下模具6与工作台7固定，坯料5介于上模具4与下模具6之间；
依据待冲压件的材料、工艺、及成形要求，设定伺服冲床工作周期长度，确立滑块工作区间，计算伺服冲床周期区间内关键位置控制点的位置参数和时间参数；
1-2、选取冲压模式
根据该冲压件所用材料特性选取冲压模式，进而确立工作区间内滑块运动的规律；
1-3、设置限制条件
设置伺服冲床滑块3在一个运动周期内的各关键位置控制点之间的几何限制条件；
2、滑块运动曲线的分段
对滑块3的一个运动周期进行分区，依据工艺要求设置各分区相应的运动曲线；运动曲线是指伺服冲床工作常规曲线，包括保压直线段、匀速直线段、等加减速曲线、正弦加速曲线等；
2-1、滑块运动一个周期的初划分见图3：滑块空载下行区Q1；滑块工作区Q2；滑块回程区Q3；
2-2、滑块工作区Q2细划分：根据冲压工艺及运动精度的要求对滑块工作区Q2划分成若干个片段，每个片段根据所需采用相应的运动曲线；
3、划分后各分区及片段相邻处的过渡修正
针对各个分区及片段的运动参数要求，在相邻分区或片段连接点两侧的曲线上选取合适的修正点；具体如下：
3-1、依据连接点两侧的运动曲线段的几何特性要求，确定一对修正点的几何参数；
3-2、在每一对修正点之间插补过渡曲线；
3-3、计算步骤3-2中过渡区线的误差，验证是否满足滑块运动的精度要求。若不满足则重复步骤3-1与步骤3-2，若满足则进行下一步；
4、曲轴非匀速运动曲线分析
针对经过步骤1、2、3规划后的滑块运动曲线，结合冲床运动状态空间方程θ(t)＝F(S(t))，即曲轴1瞬时角位移与滑块3位移之间的关系，获取曲轴运动的数据组合；
5、曲线片段数据的存储
记录步骤4中获取的曲轴运动数据组合，对适应不同工艺要求的曲线片段数据进行记录存储，便于在其他规划中直接提取应用。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点：
1)、本发明基于伺服冲床常规运动曲线段的几何特征，通过修正点过渡构造符合精度要求的滑块运动曲线，降低了连接曲线片段之间的电机控制系统的信号处理量。
2)、针对不同工艺要求，对常规曲线进行分段规划，在满足工艺曲线几何特性要求的条件下，生成符合精度要求的滑块运动曲线。在不同伺服冲床运动状态空间方程下，提供一种有效的伺服冲床曲轴非匀速运动曲线的分析方法，为加工工艺曲线的规划及电机控制方案的拟定建立了可靠的保证。
3)、提高了伺服冲床加工工艺曲线规划的工艺适应性，用户也可以根据实际生产情况，对伺服电机的速度控制方案做出相应的调整。
附图说明
图1为本发明伺服冲床曲轴非匀速运动曲线分析方法流程图；
图2为曲柄滑块式伺服冲床工作结构示意图；
图3为滑块运动位移曲线简图；
图4为某加工工艺(1)滑块常规运动曲线和行程周期分段图；
图5为某加工工艺(1)滑块运动分段规划图；
图6为某加工工艺(1)滑块运动连接处过渡修正图；
图7为某加工工艺(1)优化后的滑块运动曲线图；
图8为某加工工艺(2)滑块常规运动曲线和行程周期分段图；
图9为某加工工艺(2)滑块运动分段规划图；
图10为某加工工艺(2)滑块运动连接处过渡修正图；
图11为某加工工艺(2)优化后的滑块运动曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，图1所示为本发明伺服冲床曲轴非匀速运动曲线分析方法流程图。
在伺服冲床曲轴非匀速运动曲线分析方法流程中，滑块在运动过程中的部分区间及关键位置控制点的参数范围可以通过用户给定参数直接或间接推导而得，但滑块运动曲线完整的几何参数并不会完全由这些关键点参数直接确定，即滑块运动曲线的一部分参数是不确定的，因此通过对滑块运动周期内各个曲线段及关键位置控制点的规划，就可以满足不同工艺条件的要求。
本发明伺服冲床曲轴非匀速运动曲线分析方法，用于实现伺服冲床不同冲压模式和不同冲压工艺下的滑块运动曲线规划，针对不同的规划目标在满足轨迹几何学特性要求的前提下，寻得不同冲压工艺要求条件下适应电机特性的最优解，提高工艺曲线的工艺适应性。本发明的核心任务就是通过对滑块运动曲线的分段规划及连接处的过渡修正，提高伺服冲床曲轴非匀速运动曲线分析的可操作性。
实施案例(1)：静音冲裁
静音冲裁是在板材的断裂分离阶段，采取滑块停留一段时间的措施，控制板材弹性能的释放速度，达到降低噪音的目的。如图4所示为该工艺下滑块常规运动曲线和行程周期分段图。
1、滑块运动曲线的几何特性设计
1.1、分析用户提供数据
用户数据：板材加工厚度为15毫米；要求实际加工时间为1.0～1.3秒；伺服冲床滑块行程为40毫米。针对用户提供数据可以设定冲裁次数为20次/分钟，一个完整工作周期长度为3秒。
1.2、选取冲压模式
设定工作模式为冲裁加工模式即：快速下降—慢速冲裁—快速回程。
1.3、设置限制条件
对所有关键位置控制点之间的运动曲线的几何参数设置限制条件，如图4所示。关键位置控制点A、B、C、D在一个滑块运动周期内的相对位置坐标参数和相对时间坐标参数，分别为A(0，40)、B(Xb，17)、C(Xc，0)、D(3，40)、且有Xc－Xb＝1.2，这里是根据加工时间要求来预设初值为1.2，同时由于慢速冲裁开始点应高于加工厚度，即B点纵坐标预设为17。点B点C横坐标待定。
2、滑块运动曲线的分段
对滑块的一个运动周期进行分区，依据工艺要求设置各分区相应的运动曲线。
2.1、滑块运动一个周期初划分：如图4中折线所示，整个行程周期分为三个区间即滑块空载下行区AB、滑块工作区BC、滑块回程区CD。
2.2、滑块空载下行区AB设定为基本正弦加速曲线、滑块工作区BC需要进一步划分、滑块回程区CD设定为基本正弦加速曲线，如图5所示。根据正弦曲线的规律，可以进一步推得B点横坐标为Xb＝0.62、C点横坐标为Xc＝1.82。
2.3、滑块工作区细划分：根据冲压工艺的要求即慢速切入，停留，快速冲透，现设定停留时间至少为0.2秒，且需要在切入板料7mm～9mm时进行保压，则有Xn－Xm>0.2，那么关键位置控制点M、N的坐标可规划为M(1.3，7)、N(1.6，7)。对工作区BC划分成3个小区间为慢速切入段BM、保持停留段MN、快速冲裁段NC，每个小区间根据工艺要求采用的基本曲线段具有不同特征：BM段平缓、MN为直线段、NC段较陡，从滑块运动常规曲线中选取与BM、MN、NC特征较为相符的线段分别代替该线段，如图5所示。
3、划分后各分区及片段相邻处的过渡修正
针对各个分区及片段的运动参数要求，在相邻分区或片段连接点两侧的曲线上选取合适的修正点。如图5中圆圈所示为相邻分区或片段的连接点。
3.1、图5中B点处为曲线与曲线连接，M点处为曲线与直线连接，N点处为直线与曲线连接，C点处两侧满足连续性条件不需要再做修正。分别对B点、M点、N点两侧选取成对的修正点(b1b2)、(m1m2)、(n1n2)，利用Bezier曲线在每一对修正点之间插补过渡曲线。
3.2、根据图6所示，计算过渡曲线上的坐标误差ΔX、ΔY，与冲压工艺中对关键位置控制点的误差要求作比较，如果满足坐标误差控制要求，则确定选取该过渡曲线，不满足要求则舍弃并重新选取修正点来变换过渡曲线再一次进行修正操作。如：根据要求实际加工时间为1.0～1.3秒，则B点处误差应满足ΔXb<0.1，保证慢速切入板料应满足ΔYb<2mm；而M点与N点误差应满足ΔXm+ΔXn<0.1，ΔYm+ΔYn<2mm。
3.3、修正后的滑块运动位移曲线如图7所示。
4、曲轴非匀速运动曲线分析
针对修正后的滑块运动曲线，结合冲床运动状态空间方程θ(t)＝F(S(t))，即曲轴瞬时角位移与滑块位移之间的关系，获取曲轴运动的数据组合；
5、工艺曲线及曲线片段数据的存储
记录步骤4中获取的曲轴运动数据组合，对适应不同工艺要求的曲线片段数据进行记录存储，便于在其他规划中直接提取应用。
实施案例(2)：保压成形
保压成形是一种板材锻造式的加工方式，采取滑块在下死点短暂停留的措施，使工件充分成形，有利于防止回弹。如图8所示为该工艺下滑块常规运动曲线和行程周期分段图。
1、滑块运动曲线的几何特性设计
1.1、分析用户提供数据
用户数据：板材加工厚度为4毫米；要求实际加工时间为0.9～1.1秒；保压时间0.4秒；伺服冲床滑块行程为30毫米。针对用户提供数据可以设定冲压次数为20次/分钟，一个完整工作周期长度为3秒。
1.2、选取冲压模式
设定工作模式为：快速下降—慢速冲压—保压—快速回程。
1.3、设置限制条件
对所有关键位置控制点之间的运动曲线的几何参数设置限制条件，如图8所示。关键位置控制点a、b、c、d、e在一个滑块运动周期内的相对位置坐标参数和相对时间坐标参数，分别为a(0，30)、b(Xb，5)、c(Xc，0)、d(Xd，0)、e(3，30)、且通过规划有Xc－Xb＝1.0、Xd－Xc＝0.5、点b点c点d横坐标待定。
2、滑块运动曲线的分段
对滑块的一个运动周期进行分区，依据工艺要求设置各分区相应的运动曲线。
2.1、如图8中折线所示，整个行程周期分为四个区间即滑块空载下行区a-b段、滑块工作区b-c段、保压区c-d段、滑块回程区d-e段。
2.2、滑块空载下行区a-b段设定为基本正弦加速曲线、滑块工作区b-c段为匀速运动斜线、滑块保压区c-d段为水平直线、滑块回程区d-e段设定为基本正弦加速曲线，如图9所示。根据正弦曲线的规律，可以进一步将b点坐标规划为(0.75，5)、c点坐标为(1.75，0)、c点坐标为(2.25，0)。
3、划分后各分区及片段相邻处的过渡修正
针对各个分区及片段的运动参数要求，在相邻分区或片段连接点两侧的曲线上选取合适的修正点，如图10中关键点b两侧的点b1与b2。如图9中圆圈所示为相邻分区或片段的连接点。
3.1、图10中b点处为曲线与直线连接，c点处为直线与直线连接，d点处为直线与曲线连接，d点处两侧满足连续性条件不需要再做修正。分别对b点、c点两侧选取成对的修正点(b1b2)、(c1c2)、利用Bezier曲线在每一对修正点之间插补过渡曲线。
3.2、如图10所示，计算过渡曲线上的坐标误差ΔX、ΔY，与冲压工艺中对关键位置控制点的误差要求作比较，如果满足坐标误差控制要求，则确定选取该过渡曲线，不满足要求则舍弃并重新选取修正点来变换过渡曲线再一次进行修正操作。
3.3、修正后的滑块运动位移曲线如图11所示。
4、曲轴非匀速运动曲线分析
针对修正后的滑块运动曲线，结合冲床运动状态空间方程θ(t)＝F(S(t))，即曲轴瞬时角位移与滑块位移之间的关系，获取曲轴运动的数据组合；
5、工艺曲线及曲线片段数据的存储
记录步骤4中获取的曲轴运动数据组合，对适应不同工艺要求的曲线片段数据进行记录存储，便于在其他规划中直接提取应用。
本发明中，在满足伺服冲床滑块运动曲线几何特性及关键控制点参数的前提下，通过对符合冲压工艺及电机控制要求的常规运动曲线进行连接和过渡修正，保证了常规运动曲线所对应的伺服电机转速控制，提高伺服冲床滑块运动曲线的工艺适应性。以上所述仅是本发明的优选实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种关于伺服冲床主轴非匀速运动曲线的分析方法，其特征在于包括如下步骤：
1、滑块运动曲线的几何特性制定
1-1、分析用户提供数据
伺服冲床作业时，曲轴(1)以设定转速旋转，并通过连杆(2)带动滑块(3)做上下循环运动从而完成冲压作业；滑块(3)与上模具(4)固定，下模具(6)与工作台(7)固定，坯料(5)介于上模具(4)与下模具(6)之间；
依据待冲压件的材料、工艺、及成形要求，设定伺服冲床工作周期长度，确立滑块工作区间，计算伺服冲床周期区间内关键位置控制点的位置参数和时间参数；
1-2、选取冲压模式
根据该冲压件所用材料特性选取冲压模式，进而确立工作区间内滑块运动的规律；
1-3、设置限制条件
设置伺服冲床滑块(3)在一个运动周期内的各关键位置控制点之间的几何限制条件；
2、滑块运动曲线的分段
对滑块(3)的一个运动周期进行分区，依据工艺要求设置各分区相应的运动曲线；运动曲线是指伺服冲床工作常规曲线，包括保压直线段、匀速直线段、等加减速曲线、正弦加速曲线；
2-1、滑块(3)运动一个周期的初划分：滑块空载下行区Q1；滑块工作区Q2；滑块回程区Q3；
2-2、滑块工作区Q2细划分：根据冲压工艺及运动精度的要求对滑块工作区Q2划分成若干个片段，每个片段根据所需采用相应的运动曲线；
3、划分后各分区及片段相邻处的过渡修正
针对各个分区及片段的运动参数要求，在相邻分区或片段连接点两侧的曲线上选取合适的修正点；具体如下：
3-1、依据连接点两侧的运动曲线段的几何特性要求，确定一对修正点的几何参数；
3-2、在每一对修正点之间插补过渡曲线；
3-3、计算步骤3-2中过渡区线的误差，验证是否满足滑块运动的精度要求。若不满足则重复步骤3-1与步骤3-2，若满足则进行下一步；
4、主轴非匀速运动曲线分析
针对经过步骤1、2、3规划后的滑块运动曲线，结合冲床运动状态空间方程θ(t)＝F(S(t))，即曲轴(1)瞬时角位移与滑块(3)位移之间的关系，获取曲轴运动的数据组合。
2.根据权利要求1所述分析方法，其特征在于：所述分析方法还包括曲线片段数据的存储步骤。
3.根据权利要求2所述分析方法，其特征在于：所述曲线片段数据的存储步骤具体如为，记录步骤4中获取的曲轴运动数据组合，对适应不同工艺要求的曲线片段数据进行记录存储。
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