CN110561823A - 一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，利用电子传感器检测滑块实际位置与理论位置之间的偏差，读取上一个控制周期电机原始位置命令a_n和上一控制周期计算的最新控制补偿量c_n；根据当前系统反馈的滑块实际位置h_n更新电机位置命令补偿量：c_n+1＝c_n+a_n‑g(h_n)，h_n为根据上一控制周期发出的补偿后位置命令而产生的滑块位置在当前控制周期内的实测值；控制器发出带补偿的位置命令b_n+1＝a_n+1+c_n+1，其中a_n+1为当前周期电机原始控制位置命令，从而能够消除或大幅度减小滑块实际位置与理论值的偏差。本方法不需要对压力机的机械结构进行改变。可应用于各种往复模式运动的压力机。

Description

一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法

技术领域

本发明涉及伺服压力机控制技术领域，具体地说是一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法。

背景技术

伺服压力机已广泛应用于冲压行业。伺服压力机由伺服电机通过机械机构带动滑块上下运行，通过对工件施加压力而完成材料成形加工。伺服压力机总体结构如附图2所示。伺服电机和滑块通过机械机构刚性连接。理论上，通过控制伺服电机的运行即可精确控制滑块位置。在现有实际系统中，用户通过界面输入所期望的滑块运行位置参数，然后中央控制器根据电机位置和滑块位置的对应关系计算电机的位置命令曲线，并在控制过程中将电机位置命令逐个发送给伺服驱动器进行电机控制，并通过机械机构带动滑块上下运动。

由于机械机构运动零部件之间的间隙和机械系统的弹性变形，滑块的实际位置和理论位置往往不相等，并且滑块施加的压力越大，误差越大。这种情况如附图3所示，附图3“电机位置曲线”由控制系统根据用户输入参数计算得到，“滑块位置曲线”中的虚线“理论曲线”是根据压力机机械结构的刚性关系由电机位置曲线计算出来的滑块位置曲线，也是用户希望滑块运行的轨迹。但是由于间隙、变形、磨损以及温度等外界影响，滑块实际运行曲线(附图3中“实际曲线”)偏离了理论曲线。这个偏差导致压力机加工精度降低。并且随着生产时间的推移，这个偏差会越来越大，必须定期人工校准。这降低了产品合格率，增加了维护工作，降低了生产效率。

专利(专利号：201220701430.2)公开了一种具有滑块运行误差预防及补偿的双点开式压力机。可用于伺服压力机。其采用的方法是，通过为压力机增加机械补偿机构，对滑块位置偏差进行补偿和修正。这需要对压力机的机械结构进行改变，必须重新设计压力机主机，工作量大，成本高。另外针对不同工况，必须需要提前进行反复试验，设定补偿机构的参数。若工况发生变化，则会导致补偿不足或过分情况，失去补偿功能。

发明内容

本发明就是为了解决现有技术存在的上述不足，提供一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，利用电子传感器检测滑块实际位置与理论位置之间的偏差，并利用这个偏差对电机位置控制命令进行补偿，从而能够消除或大幅度减小滑块实际位置与理论值的偏差。本方法不需要对压力机的机械结构进行改变。可应用于各种往复模式运动的压力机，即伺服电机向一个方向旋转时带动滑块下行，向另一个方向旋转时带动滑块上行，包括螺旋压力机、螺旋多连杆压力机、以及曲柄连杆压力机。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，包括以下步骤：

定义电机位置，即电机转子角度为a，滑块行程为s，则二者之间的关系依赖于传动系统且唯一确定：s＝f(a)，反函数为a＝g(s)，补偿量定义为c，补偿之后的命令b＝a+c，滑块位置反馈值定义为h，下述步骤中所用的n为自然数，定义上一控制周期编号为n，当前控制周期编号为n+1；

此处所述的传动系统是由伺服电机至滑块之间的传动转换机构。

步骤一、启动冲压过程,初始化补偿量，c₁＝0；令电机原始控制位置命令为初始位置a₁，补偿之后的控制命令为b₁＝a₁+c₁＝a₁，系统向电机控制器发出命令b₁，令n＝1，等待第一个控制周期结束后，进入步骤二；

步骤二、读取上一个控制周期电机原始位置命令a_n和上一控制周期计算的最新控制补偿量c_n；

步骤三、根据当前系统反馈的滑块实际位置h_n更新电机位置命令补偿量：c_n+1＝c_n+a_n-g(h_n)，h_n为根据上一控制周期发出的补偿后位置命令而产生的滑块位置在当前控制周期内的实测值；

步骤四、控制器发出带补偿的位置命令b_n+1＝a_n+1+c_n+1，其中a_n+1为当前周期电机原始控制位置命令；

步骤五、令n加1，等待当前控制周期结束，若冲压行程未结束，再次执行步骤二至步骤四，直至冲压行程结束。

所述的伺服压力机为曲柄连杆压力机，其对应函数f为：

其中s是滑块位置，a是电机位置即旋转角度，R为曲柄长度，L为连杆长度，r为电机到曲轴之间的减速比。

所述的伺服压力机为螺旋伺服压力机，其对应函数f为：

其中s是滑块位置，a是电机位置即旋转角度，r为电机到螺杆之间的减速比，x为螺杆导程。

所述的伺服压力机为曲柄多连杆伺服压力机。

所述的伺服压力机为螺旋多连杆伺服压力机。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的滑块位置补偿控制方法能够在伺服压力机滑块位置控制过程中根据实际的电机位置和滑块位置实时更新电机伺服控制命令，通过在伺服命令中附加补偿使得滑块向着减小误差的方向移动，从而消除由压力机机械系统导致的滑块位置误差。

2、现有专利技术采用机械方法补偿压力机滑块位置偏差，对不同的工况需要预先对补偿机械进行调整。若工况改变，将导致补偿量不足或过量。本发明方法采用的电机伺服控制方法不需要对压力机本体进行改变，能实现完全消除偏差的效果。

附图说明

图1为本发明控制流程图视图；

图2为现有伺服压力机总体结构视图；

图3为本发明电机控制曲线、滑块理论和实际位置曲线图；

图4为本发明工作原理指示图；

图5为本发明带有滑块位置偏差补偿方法的伺服压力机系统线图；

图6为本发明控制方法控制系统框图。

具体实施方式

为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图5所示，本发明利用电子传感器检测滑块实际位置与理论位置之间的偏差，电子传感器一般采用光栅尺。并利用这个偏差对电机位置控制命令进行补偿，从而能够消除或大幅度减小滑块实际位置与理论值的偏差。本发明不需要对压力机的机械结构进行改变。

本发明可应用于各种压力机，包括螺旋压力机、螺旋多连杆压力机、以及曲柄连杆压力机。本发明要求压力机运行在往复模式，即伺服电机向一个方向旋转时带动滑块下行，向另一个方向旋转时带动滑块上行。本发明的另外一个要求是，用户设置的滑块冲压下限应高于下死点一定距离，此距离大于由于机械间隙和变形所导致的滑块位置偏差。

如附图4所示，本发明工作原理图，采用曲柄多连杆机构的压力机依据附图1所示的控制流程进行说明：右上角的曲线为滑块行程和电机位置(即旋转角度)的关系曲线，这是曲柄连杆压力机(图右下角)的典型传动关系曲线。电机与曲柄之间通过机械减速机构连接。定义滑块在下死点(即最低点)时位置为零，对应电机位置也为零。

电机按照左上角的“电机位置曲线”从位置1开始旋转，经过位置2和3到达最小位置4，然后再回到初始位置5。位置5和位置1在空间上重合。对应地，滑块理论上应该按照上图右下角的“滑块行程曲线”从最高点11开始，经过12和13点到达最低点14，然后回到初始位置15。位置15和11在空间上重合。

实际上，由于机械间隙、变形和其它误差，当伺服控制器控制电机旋转到位置3的时候，滑块并不是到达理论位置13，而是在位置12(一般情况下12高于13)。为了减小这个偏差，计算滑块位置12对应的电机位置2，然后计算当前电机实际输出位置命令和所计算的位置2之间的差值，并用此差值更新电机位置控制命令补偿量，将补偿量附加到控制器内保存的的电机位置原始命令上。补偿后的控制命令将对滑块产生一个额外力量，使其更快地向所期望的位置移动。如果在整个控制过程中连续进行上述补偿操作，将使得滑块实际位置趋近设定位置，实现滑块位置偏差补偿。理想情况下可达到零误差。

实际运行时，电机控制采用数字控制方法，以一定周期(这个周期是根据控制器性能确定的，周期越短越好，本发明控制周期在20ms左右)反复循环执行位置伺服控制算法。在每个控制周期内，算法首先读取上个周期的补偿后输出的实际命令和最新误差情况更新控制命令补偿量，并根据更新后的补偿量对电机原始控制命令进行补偿。依据附图4，单个控制周期具体执行过程如下：

定义电机位置，即电机转子角度为a，滑块行程为s，则二者之间的关系依赖于传动系统且唯一确定：s＝f(a)，反函数为a＝g(s)，补偿量定义为c，补偿之后的命令b＝a+c，滑块位置反馈值定义为h，下述步骤中所用的n为自然数，定义上一控制周期编号为n，当前控制周期编号为n+1。

附图4中电机位置曲线中的各点1，2，3，4，5的电机位置分别定义为a₁，a₂，a₃，a₄，a₅；滑块行程曲线中的各点11到15的滑块行程分别定义为s₁，…，s₅；滑块位置14为冲压下限，即此工艺曲线所要求的滑块运动最低点。

启动冲压过程,初始化补偿量，c₁＝0；令电机原始控制位置命令为初始位置a₁，补偿之后的控制命令为b₁＝a₁+c₁＝a₁，系统向电机控制器发出命令b₁，令n＝1，等待第一个控制周期结束，继续往下执行。

我们假如上一个控制周期的伺服控制器原始命令要求电机旋转到位置a₃，而控制器实际发出带有补偿量c₃的命令，并控制电机旋转到了如下位置：

b₃＝a₃+c₃

若补偿完全，此时滑块应移动到位置s₃，即

s₃＝f(a₃)

但是实际上滑块仅移动到了附图4中的12即行程s₂(即我们定义的实际位置反馈值h₃)；此点对应电机位置a₂。为了补偿滑块位置误差，需要对电机命令的补偿量进行更新。更新后的补偿量为：

c₄＝c₃+a₃-a₂

a₂＝g(s₂)＝g(h₃)

即：c₄＝c₃+a₃-g(h₃)

然后控制器发出带补偿的位置命令b₄＝a₄+c₄，其中a₄为当前周期电机原始控制位置命令；以此类推循环执行直至冲压行程结束，即通过光栅尺检测的滑块达到指定位置。

上述控制方法可以表示为附图6所示的控制系统框图，用电机位置对应的滑块理论位置减去实测滑块位置。模块8进行加法运算，将中央控制器根据用户参数计算的电机位置原始命令加上补偿值，得到补偿后的电机位置命令。

滑块位置偏差在线自动修正还有另一种解决方案：即通过判断滑块位置偏差方向而在电机位置命令中在每个控制周期都累加一个较小的固定补偿值，而不是利用电机-滑块位置关系曲线计算得到此补偿值，则也可逐步减小滑块位置误差，但是这种方法所需时间较长，并且一般不能做到完全补偿。具体步骤如下：

定义电机位置，即电机转子角度为a，滑块行程为s，则二者之间的关系依赖于传动系统且唯一确定：s＝f(a)，反函数为a＝g(s)，补偿量定义为c，补偿之后的命令b＝a+c，滑块位置反馈值定义为h，下述步骤中所用的n为自然数，定义上一控制周期编号为n，当前控制周期编号为n+1；

步骤一、启动冲压过程,初始化补偿量，c₁＝0；令电机原始控制位置命令为初始位置a₁，补偿之后的控制命令为b₁＝a₁+c₁＝a₁，系统向电机控制器发出命令b₁，令n＝1，等待第一个控制周期结束后，进入步骤二；

步骤二、读取上一个控制周期电机原始位置命令a_n和上一控制周期计算的最新控制补偿量c_n；

步骤三、根据当前系统反馈的滑块实际位置h_n与期望位置s_n之差值的符号更新电机位置命令补偿量：

c_n+1＝c_n+Csign(s_n-h_n)

其中常数C为一个较小的偏差补偿值，为正数，函数sign()表示求符号运算，若括号中的变量为正数运算结果为1，若为负数结果为-1，若为零结果为零；

步骤四、控制器发出带补偿的位置命令b_n+1＝a_n+1+c_n+1，其中a_n+1为当前周期电机原始控制位置命令；

步骤五、令n加1，等待当前控制周期结束，若冲压行程未结束，再次执行步骤二至步骤四，直至冲压行程结束。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，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 (5)

1.一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

定义电机位置即电机转子角度为a，滑块行程为s，则二者之间的关系依赖于传动系统且唯一确定：s＝f(a)，反函数为a＝g(s)，补偿量定义为c，补偿之后的命令b＝a+c，滑块位置反馈值定义为h，定义上一控制周期编号为n，当前控制周期编号为n+1，其中所用的n为自然数；

步骤一、启动冲压过程，初始化补偿量，c₁＝0；令电机原始控制位置命令为初始位置a₁，补偿之后的控制命令为b₁＝a₁+c₁＝a₁，系统向电机控制器发出命令b₁，令n＝1，等待第一个控制周期结束后，进入步骤二；

步骤二、读取上一个控制周期电机原始位置命令a_n和上一控制周期计算的最新控制补偿量c_n；

步骤三、根据当前系统反馈的滑块实际位置h_n更新电机位置命令补偿量：c_n+1＝c_n+a_n-g(h_n)，h_n为根据上一控制周期发出的补偿后位置命令而产生的滑块位置在当前控制周期内的实测值；

步骤四、控制器发出带补偿的位置命令b_n+1＝a_n+1+c_n+1，其中a_n+1为当前周期电机原始控制位置命令；

步骤五、令n加1，等待当前控制周期结束，若冲压行程未结束，再次执行步骤二至步骤四，直至冲压行程结束。

2.根据权利要求1所述的一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，其特征是，所述的伺服压力机为曲柄连杆压力机，其对应函数f为：

其中s是滑块位置，a是电机位置即转子角度，R为曲柄长度，L为连杆长度，r为电机到曲轴之间的减速比。

3.根据权利要求1所述的一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，其特征是，所述的伺服压力机为螺旋伺服压力机，其对应函数f为：

其中s是滑块位置，a是电机位置即转子角度，r为电机到螺杆之间的减速比，x为螺杆导程。

4.根据权利要求1所述的一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，其特征是，所述的伺服压力机为曲柄多连杆伺服压力机。

5.根据权利要求1所述的一种伺服压力机滑块位置偏差在线自动修正方法，其特征是，所述的伺服压力机为螺旋多连杆伺服压力机。