CN106547246B - 电动缸压力高精度快速加载控制方法 - Google Patents

电动缸压力高精度快速加载控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动缸压力高精度快速加载控制方法，包括开机自动寻找原点并复位控制方法、快速精确压力加载控制方法、自学习生成控制参数方法、准确返回原点及空载压力置零方法四个部分。快速精确加载压力控制方法包括位置预加载控制方法、压力预加载控制方法、压力粗加载控制方法和压力精加载控制方法。本发明实现了电动缸压力高精度快速加载的控制，具有电动缸原点位置可调且可快速复位、压力加载快速精确且稳定、针对不同应用可通过自学习自动生成最佳控制参数、环境友好等优点，有广阔的应用前景。

Description

电动缸压力高精度快速加载控制方法
技术领域
本发明涉及电动缸控制技术领域，尤其是一种电动缸压力高精度快速加载控制方法。
背景技术
随着自动化水平的不断提高以及对效率和精度的持续追求，压力加载装置在零件加工、装配、检测及使用过程中被越来越多的采用。针对压力较小且控制精度要求不高的场合，目前较经济实惠的是气压系统加载；仅需要大压力的应用，液压系统最为广泛使用。对于日益兴起的精密检测行业，压力的加载要求速度快、压力大且控制精度高，气缸驱动不能满足要求；液压缸驱动虽在复杂的控制系统辅助下可以实现高精度、大压力的加载，但存在加载速度慢、维护成本高、环境不友好等缺陷；电动缸作为新兴的电动执行器，具有免维护、负载大、响应速度快、环境友好等优点，在运动部件的位置控制和速度控制方面应用广泛，但对于采用电动缸实现压力高精度及高响应加载的应用，目前还没有较好的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种输出压力区间大、控制精度高、响应快的电动缸压力高精度快速加载控制方法。
本发明提供了一种电动缸压力高精度快速加载控制方法，通过如附图1所示的电动缸压力加载控制系统进行说明：包括：台架(1)、带机械刹车的电动缸(2)、压力传感器(3)、后极限位传感器(4)、原点传感器(5)、原点接近传感器(6)、前极限位传感器(7)、压块(8)、挡块(9)、可编程逻辑控制器(图中未示出)。电动缸(2)与台架(1)固连；压力传感器(3)通过螺纹与电动缸(2)推杆的前端固连；压块(8)与压力传感器(3)的另一端固连。后极限位传感器(4)、原点传感器(5)、原点接近传感器(6)和前极限位传感器(7)均固定安装于电动缸(2)的缸体外侧，并从电动缸(2)的后部往前部按顺序依次排列。原点接近传感器(6)和原点传感器(5)的感应点的距离为2～5mm。本发明所述的电动缸压力高精度快速加载控制方法包括开机自动寻找原点并复位控制方法、快速精确压力加载控制方法、自学习生成控制参数方法、准确返回原点及空载压力置零方法四个部分。
一、开机自动寻找原点并复位控制方法
开机时，电动缸(2)配套的伺服电机以“脉冲+方向”的形式接收可编程逻辑控制器信号，按位置控制模式运行。可编程逻辑控制器读取原点传感器(5)状态，若原点传感器(5)无信号则开始寻找原点，流程如下：伺服电机驱动电动缸(2)推杆快速后退，并实时读取电动缸(2)缸体上的4个传感器信号；检测到后极限位传感器(4)信号时，切换伺服电机旋转方向，驱动电动缸(2)推杆再快速伸出；检测到前极限位传感器(7)信号时，切换伺服电机旋转方向，驱动电动缸(2)推杆再快速后退；后退过程中检测到原点接近传感器(6)信号时，伺服电机立即减速，电动缸(2)推杆慢速继续后退；当检测到原点传感器(5)信号时，伺服电机停止转动，完成原点的寻找和复位。
二、快速精确压力加载控制方法
压力的快速精确加载从原点开始至加载完成依次分为位置预加载、压力预加载、压力粗加载和压力精加载四个阶段。
位置预加载控制方法：从原点出发，控制伺服电机驱动电动缸(2)推杆快速加速至最大速度，向前运动一定距离后开始减速，直到压块(8)与挡块(9)还有0.5～2mm距离为止。其中，电动缸(2)推杆前进的距离由自学习记录的总脉冲数计算得到。
压力预加载控制方法：位置预加载完成后，电动缸(2)驱动压块(8)以0.3～0.6mm/s的速度继续向前运动，同时通过压力传感器(3)实时监测压力数据，直到压力数据发生突变为止。
压力粗加载控制方法：将通过实验得到装置的压力-脉冲特性参数(如附图2所示)预设进控制系统，取设定压力的80～95％作为目标压力，并计算相应的脉冲数；电动缸(2)驱动压块(8)以0.6～1mm/s的加载速度执行完上述脉冲数。
压力精加载控制方法：电动缸(2)持续驱动压块(8)向前运动，并实时获得当前压力值与设定压力的差，并根据该差值的大小以不同的加速度减速；即，若当前压力值与设定压力的差值大于80kg但小于160kg，以200～300脉冲/秒的速度驱动伺服电机；若当前压力值与设定压力的差值大于40kg但小于80kg时，以100～200脉冲/秒的速度驱动伺服电机；若当前压力值与设定压力的差值小于40kg，则以10～50脉冲/秒的速度驱动伺服电机。当前压力值越接近设定压力值，加载的速度越慢，直至实时压力达到设定值后停止加载并机械刹车。
三、自学习生成控制参数方法
根据不同的应用情况，相关的控制参数需要进行调整。本发明采用松弛运行与外部输入数据相配合的自学习方式，在不同情况下自动生成所需的电动缸控制参数。
松弛运行控制方法：松弛运行与快速精确压力加载执行相同的四个阶段，但其控制策略是精度优先于速度，控制方法上的不同在于：位置预加载阶段的停止点提前；压力预加载阶段推杆以更慢的速度加载；粗加载开始时读取并保存从原点至当前位置可编程逻辑控制器发出的总脉冲数，供正常运行时位置预加载阶段使用。
外部输入数据控制方法：对松弛运行控制阶段保存的总脉冲数，在某些需要人为干预以调整运行状态的情况下，通过外部输入脉冲补偿值以达到控制要求。
四、准确返回原点及空载压力置零方法
准确返回原点控制方法：完成压力加载及后续任务后，电动缸(2)以最大速度向原点方向运动，当读取到原点接近传感器(6)信号时快速减速至慢速运动，并以系统中断方式保持运行，直至接收到原点传感器(5)信号停止，完成原点复位。
空载压力置零方法：由于压力传感器(3)在空载时的输出值不为零，下次加载时会造成载荷的不一致。因此，电动缸每次复位后要对其空载时压力传感器的输出压力值进行处理。具体方法是：电动缸(2)返回原点后读取压力传感器的输出压力值，并将其置零。
本发明所述的电动缸压力高精度快速加载控制方法与现有的气动和液压系统相比，具有原点位置可调且可快速复位、压力加载快速精确且稳定、针对不同应用可通过自学习生成最佳控制参数、环境友好等优点，有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明所述的电动缸压力高精度快速加载控制方法的实施原理图；
图2是本发明所述的电动缸压力高精度快速加载控制方法中粗加载阶段压力-脉冲关系图；
图3是本发明所述的电动缸压力高精度加载控制方法的实施流程图。
图中：1.台架；2.带机械刹车的电动缸；3.压力传感器；4.后极限位传感器；5.原点传感器；6.原点接近传感器；7.前极限位传感器；8.压块；9.挡块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的电动缸压力高精度快速加载控制方法做进一步说明。
本实施例中，电动缸压力加载的实施系统如附图1所示，包括：台架(1)、带机械刹车的电动缸(2)、压力传感器(3)、后极限位传感器(4)、原点传感器(5)、原点接近传感器(6)、前极限位传感器(7)、压块(8)、挡块(9)、可编程逻辑控制器(图中未示出)。电动缸(2)与台架(1)固连；压力传感器(3)通过螺纹与电动缸(2)推杆的前端固连；压块(8)与压力传感器(3)的另一端固连。后极限位传感器(4)、原点传感器(5)、原点接近传感器(6)和前极限位传感器(7)均固定安装于电动缸(2)的缸体外侧，并从电动缸(2)的后部往前部按顺序依次排列。
实施例中，电动缸(2)的行程60mm；伺服电机功率1.5kw；输出压力设定值为1500kg，压力控制精度1.5％；节拍要求5秒；原点接近传感器(6)和原点传感器(5)的感应点相距为3mm。电动缸压力高精度快速加载的控制方法包括：开机自动寻找原点并复位、快速精确压力加载、自学习生成控制参数、准确返回原点及空载压力置零四个部分。控制流程如附图3所示：开机时若电动缸(2)未在原点则进行原点查找并复位。压力加载前根据实际情况选择是否需要系统自学习生成控制参数。压力加载过程包括位置预加载、压力预加载、压力粗加载和压力精加载四个阶段。最后，电动缸返回原点，空载压力置零。具体控制方法如下：
一、开机自动寻找原点并复位控制方法
开机时，电动缸(2)配套的伺服电机以“脉冲+方向”的形式接收可编程逻辑控制器信号，按位置控制模式运行。可编程逻辑控制器读取原点传感器(5)状态，若原点传感器(5)无信号则开始原点寻找，流程如下：伺服电机驱动电动缸(2)的推杆以140mm/s的速度向后运动，并实时读取电动缸(2)上的4个传感器信号；检测到后极限位传感器(4)信号时切换伺服电机旋转方向，驱动电动缸(2)推杆以140mm/s的速度再次向前；检测到前极限位传感器(7)信号时，切换伺服电机旋转方向，驱动电动缸(2)推杆再次向后；后退过程中检测到原点接近传感器(6)信号时，电动缸立即减速至2mm/s，当检测到原点传感器(5)信号时停止，完成原点复位。
二、快速精确加载压力控制方法
压力的快速精确加载从原点开始至加载完成依次分为位置预加载、压力预加载、压力粗加载和压力精加载四个阶段。
位置预加载控制方法：从原点出发，控制伺服电机驱动电动缸(2)推杆以30mm/s2的加速度加速至140mm/s，并向前运动一定距离后以8mm/s2的加速度减速，最终使压块(8)与挡块(9)的距离为1mm。其中，电动缸(2)推杆前进的距离由自学习记录的总脉冲数计算得到。位置预加载耗时约1秒。
压力预加载控制方法：位置预加载完成后，电动缸(2)驱动压块(8)以0.5mm/s的速度向前运动，同时通过压力传感器(3)监测压力数据，直到压力数据发生突变为止。压力预加载耗时约1秒。
压力粗加载控制方法：将通过实验得到的装置的压力-脉冲特性参数(如附图2所示)预设进控制系统，取设定压力的90％作为目标压力，并计算相应脉冲数，电动缸(2)以0.8mm/s的加载速度执行完上述脉冲数。压力粗加载耗时约0.5秒。
压力精加载控制方法：电动缸(2)持续驱动压块(8)向前运动，并实时获得当前压力值与设定压力的差，并根据该差值大小以不同加速度减速。若当前压力值与设定压力的差值大于80kg但小于160kg，以250脉冲/秒的速度驱动伺服电机；若当前压力值与设定压力的差值大于40kg但小于80kg时，以180脉冲/秒的速度驱动伺服电机；若当前压力值与设定压力的差值小于40kg，则以15脉冲/秒的速度驱动伺服电机。当前压力值越接近设定压力值，加载的速度越慢，直至实时压力达到设定值后停止加载并机械刹车。压力精加载耗时约1秒。
三、自学习生成控制参数方法
根据不同的应用情况，相关的控制参数需要进行调整。本发明采用松弛运行与外部输入数据相配合的自学习方式，在不同情况下自动生成所需的电动缸控制参数。
松弛运行控制方法：松弛运行与快速精确加载压力执行相同的四个阶段，但其控制策略是精度优先于速度，控制方法上的不同在于：位置预加载阶段的停止点提前1mm；压力预加载阶段推杆以0.4mm/s速度加载；粗加载开始时读取并保存从原点至当前位可编程逻辑控制器发出的总脉冲数。
外部输入数据控制方法：对松弛运行控制阶段保存的总脉冲数，在某些需要人为干预以调整运行状态的情况下，通过外部输入脉冲补偿值以达到控制要求。
四、准确返回原点及空载压力置零方法
准确返回原点控制方法：完成压力加载及后续任务后，驱动电动缸(2)以最大速度向原点方向运动，当读取到原点接近传感器(6)信号时快速减速至2mm/s慢速运动，并以系统中断方式保持运行，直至接收到原点传感器(5)信号时停止，完成原点复位，耗时约1秒。
空载压力置零方法：由于压力传感器(3)在空载时的输出值不为零，下次加载时会造成载荷的不一致。因此，电动缸每次复位后要对其空载时压力传感器的输出压力值进行处理。具体方法是：电动缸(2)返回原点后读取压力传感器的输出压力值，并将其置零。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。

Claims (1)

1.一种电动缸压力高精度快速加载控制方法，控制系统包括：台架(1)、带机械刹车的电动缸(2)、压力传感器(3)、后极限位传感器(4)、原点传感器(5)、原点接近传感器(6)、前极限位传感器(7)、压块(8)、挡块(9)、可编程逻辑控制器；电动缸(2)与台架(1)固连；压力传感器(3)通过螺纹与电动缸(2)推杆的前端固连；压块(8)与压力传感器(3)的另一端固连；后极限位传感器(4)、原点传感器(5)、原点接近传感器(6)和前极限位传感器(7)均固定安装于电动缸(2)的缸体外侧，并从电动缸(2)的后部往前部按顺序依次排列；原点接近传感器(6)和原点传感器(5)的感应点的距离为2～5mm；控制方法包括开机自动寻找原点并复位控制方法、快速精确压力加载控制方法、自学习生成控制参数方法及准确返回原点及空载压力置零方法四个部分，其特征在于：
(一)开机自动寻找原点并复位控制方法
开机时，电动缸(2)配套的伺服电机以“脉冲+方向”的形式接收可编程逻辑控制器信号，按位置控制模式运行；可编程逻辑控制器读取原点传感器(5)状态，若原点传感器(5)无信号则开始寻找原点，流程如下：伺服电机驱动电动缸(2)推杆快速后退，并实时读取电动缸(2)缸体上的4个传感器信号；检测到后极限位传感器(4)信号时，切换伺服电机旋转方向，驱动电动缸(2)推杆再快速伸出；检测到前极限位传感器(7)信号时，切换伺服电机旋转方向，驱动电动缸(2)推杆再快速后退；后退过程中检测到原点接近传感器(6)信号时，伺服电机立即减速，电动缸(2)推杆慢速继续后退；当检测到原点传感器(5)信号时，伺服电机停止转动，完成原点的寻找和复位；
(二)快速精确压力加载控制方法
压力的快速精确加载从原点开始至加载完成依次分为位置预加载、压力预加载、压力粗加载和压力精加载四个阶段；
位置预加载控制方法：从原点出发，控制伺服电机驱动电动缸(2)推杆快速加速至最大速度，向前运动一定距离后开始减速，直到压块(8)与挡块(9)还有0.5～2mm距离为止；其中，电动缸(2)推杆前进的距离由自学习记录的总脉冲数计算得到；
压力预加载控制方法：位置预加载完成后，电动缸(2)驱动压块(8)以0.3～0.6mm/s的速度继续向前运动，同时通过压力传感器(3)实时监测压力数据，直到压力数据发生突变为止；
压力粗加载控制方法：将通过实验得到装置的压力一脉冲特性参数预设进控制系统，取设定压力的80％-95％作为目标压力，并计算相应的脉冲数；电动缸(2)驱动压块(8)以0.6～1mm/s的加载速度执行完上述脉冲数；
压力精加载控制方法：电动缸(2)持续驱动压块(8)向前运动，并实时获得当前压力值与设定压力的差，并根据该差值的大小以不同的加速度减速；即，若当前压力值与设定压力的差值大于80kg但小于160kg，以200～300脉冲/秒的速度驱动伺服电机；若当前压力值与设定压力的差值大于40kg但小于80kg时，以100～200脉冲/秒的速度驱动伺服电机；若当前压力值与设定压力的差值小于40kg，则以10～50脉冲/秒的速度驱动伺服电机；当前压力值越接近设定压力值，加载的速度越慢，直至实时压力达到设定值后停止加载并机械刹车；
(三)自学习生成控制参数方法
采用松弛运行与外部输入数据相配合的自学习方式，在不同情况下自动生成所需的电动缸控制参数；
松弛运行控制方法：松弛运行与快速精确压力加载执行相同的四个阶段，但其控制策略是精度优先于速度，控制方法上的不同在于：位置预加载阶段的停止点提前；压力预加载阶段推杆以更慢的速度加载；粗加载开始时读取并保存从原点至当前位置可编程逻辑控制器发出的总脉冲数，供正常运行时位置预加载阶段使用；
外部输入数据控制方法：对松弛运行控制阶段保存的总脉冲数，在某些需要人为干预以调整运行状态的情况下，通过外部输入脉冲补偿值以达到控制要求；
(四)准确返回原点及空载压力置零方法
准确返回原点控制方法：完成压力加载及后续任务后，电动缸(2)以最大速度向原点方向运动，当读取到原点接近传感器(6)信号时快速减速至慢速运动，并以系统中断方式保持运行，直至接收到原点传感器(5)信号停止，完成原点复位；
空载压力置零方法：由于压力传感器(3)在空载时的输出值不为零，下次加载时会造成载荷的不一致；因此，电动缸每次复位后要对其空载时压力传感器的输出压力值进行处理；具体方法是：电动缸(2)返回原点后读取压力传感器的输出压力值并将其置零。
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