CN110850813B - 一种伺服机压力位置控制方法、装置及伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种伺服机压力位置控制方法、装置及伺服控制器，方法包括根据冲压工艺确定冲压过程中的关键点及关键点处的参数值；根据参数值区分位置控制模式和压力位置控制模式，形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线；在位置控制模式下，通过位置设置曲线控制滑块的运动状态；在压力位置控制模式下，根据实际压力与设定压力的关系，选取滑块运动的控制模式。本发明对关键点参数值进行离线优化，将所有关键点作为一个整体进行处理，解决了现有技术中将每个伺服命令相互隔离，不能进行位置控制模式和压力位置控制模式在运动中切换的问题，使滑块能够在两种控制模式下平滑的切换，不必停止，满足冲压工艺需求，提高生产效率。

Description

一种伺服机压力位置控制方法、装置及伺服控制器

技术领域

本发明涉及压力机技术领域,具体地说是一种伺服机压力位置控制方法、装置及伺服控制器。

背景技术

近年来，伺服压力机已广泛应用于冲压行业。如图1所示，伺服控制器由伺服电机通过曲柄连杆结构带动滑块上下运行，通过滑块对工件施加压力而完成材料成形加工。一般的冲压工艺仅要求对滑块的位置按照目标位置曲线进行精确控制。某些工艺不仅要求精确的位置控制，也要求在冲压阶段对压力进行监控，例如高强度钢和碳素纤维板的热成型加工。

如图2所示，带有压力监控的伺服压力机的一个冲压过程。一个冲压过程通常是滑块从最高位置(x₀点)启动，首先快速下行，然后从某个位置(x₂)开始以较慢的速度对工件进行冲压，到达最低点x₃后保持一段时间，等待工件成形，最后从x₄点开始快速上行回到最高点(x₆点，与x₀点重合)。在快速下行和快速上行阶段，滑块不接触工件，工艺对压力不关心，而是要求位置控制相对准确。在对工件进行慢速压制的x₂至x₄过程中，压力逐步增大。有的冲压工艺要求对压力进行密切监控，防止超过允许值。此时需要对压力进行监控，即在滑块从x₂至x₄运行过程中，压力不能超过从p₂经p₃到p₄形成的曲线。若在此区间内压力触及限定曲线，则滑块减速运行，防止压力继续上升。在这个过程中，伺服控制器需要对位置和压力同时进行控制。

现有通用数控系统时，为了保证位置精度，每次冲压之前，必须用位置控制命令回到零点。而为了在冲压过程中进行压力监控，则必须首先完成控制模式切换，从位置控制模式切换到压力位置控制模式。冲压结束后，再回到位置控制模式。在进行这种控制模式的切换过程中，现有通用数控系统要求伺服电机必须停止，即在上图的x₂和x₄点，伺服电机的转速必须等于零。这种方式虽然带来了通用性，但在伺服控制器中意味着滑块在下降过程中必须短暂停止，这不符合冲压工艺的要求，严重影响生产效率。

发明内容

本发明实施例中提供了一种伺服机压力位置控制方法、装置及伺服控制器，以解决伺服控制器的数控系统从位置控制模式到压力位置控制模式转换过程中，必须要求伺服电机停止，严重影响生产效率的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种伺服机压力位置控制方法，所述方法包括以下步骤：

根据冲压工艺确定冲压过程中的若干关键点，并确定各关键点处的参数值，将所述参数值输入伺服控制器，所述参数值包括压力和位置；

伺服控制器根据关键点的压力，区分位置控制模式和压力位置控制模式，并确定两种模式的切换点及过渡区域；

根据所述参数值，分别形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线；

在位置控制模式下，通过位置设置曲线控制滑块的运动状态，并监视实际压力；在压力位置控制模式下，若实际压力未超过当前时间的设定压力，则按照位置设定曲线控制滑块的运动状态，若实际压力超过当前时间的设定压力，则按照压力设定曲线控制滑块的运动状态。

进一步地，所述切换点包括第一切换点和第二切换点；所述第一切换点为位置控制模式至压力位置控制模式的切换点，所述第一切换点及第一切换点相邻的上一关键点之间形成第一过渡区域；所述第二切换点为压力位置控制模式至位置控制模式的切换点，所述第二切换点及第二切换点相邻的下一关键点之间形成第二过渡区域。

进一步地，所述压力设定曲线按线性差值方法确定，具体为：

从第k个关键点到第k+1个关键点之间的压力由下式确定

进一步地，所述在位置控制模式下，监视实际压力，当所述实际压力超过当前时间压力设定曲线的压力时，发出异常报警信号。

进一步地，所述在压力位置控制模式下，则按照位置设定曲线控制滑块的运动状态的具体控制过程为：

获取当前时间下，位置设定曲线对应的位置，将该位置与电机位置反馈值比较，确定位置控制速度；

速度选择器选通所述位置控制速度，将所述位置控制速度与电机速度反馈值进行比较，通过速度控制器对电机的运行速度进行控制，从而控制滑块运动状态。

进一步地，在压力位置控制模式下，按照压力设定曲线控制滑块的运动状态的具体过程为：

获取当前时间下，压力设定曲线对应的压力值，将该压力值与滑块压力反馈值比较，通过压力控制器计算滑块速度；

结合电机位置反馈值及滑块速度，利用速度变换器，计算电机的压力控制速度；

速度选择器选通所述压力控制速度，将压力控制速度与电机速度反馈值进行比较，通过速度控制器对电机的运行速度进行控制，从而控制滑块运动状态。

本发明第二方面提供了一种伺服机压力位置控制装置，所述装置包括：

用户接口，用于用户对关键点及对应参数值的输入；

控制模式区分模块，根据关键点的压力，区分位置控制模式和压力位置控制模式；

冲压曲线离线优化模块，用于根据参数值，分别形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线；

伺服控制模块，用于监视实际压力，判断实际压力是否当前时间下对应的设定压力，并根据判断结果选择控制冲压滑块运行状态的控制模式；

所述控制装置部署在伺服控制器上。

进一步地，所述伺服控制模块包括：

控制命令获取单元，获取当前时间下，位置设定曲线对应的位置和压力设定曲线对应的压力，形成位置命令和压力命令；

位置控制器，根据所述位置命令和电机位置反馈值，计算位置控制速度，形成位置速度命令，并将该命令发送给速度选择器；

压力控制器，根据所述压力命令和滑块压力反馈至，计算滑块速度；

速度变换器，结合电机位置反馈值，将压力控制器计算的滑块速度，转换为电机速度，形成压力速度命令，并将该命令发送给速度选择器；

速度选择器，根据实际压力与设定压力的比较结果，选择位置速度命令或压力速度命令，并将选择结果发送给速度控制器；

速度控制器，根据速度选择器的选择结果和电极速度反馈指，确定电极运行速度，从而控制滑块运动状态。

本发明第三方面一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时，执行所述的伺服机压力位置控制方法。

本发明第四方面提供了一种伺服控制器，所述伺服控制器包括所述的计算机可读存储介质。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1、通过对用户输入的包含滑块位置和压力信息的关键点参数值进行离线优化，将所有关键点作为一个整体进行处理，解决了现有技术中将每个伺服命令相互隔离，不能进行位置控制模式和压力位置控制模式在运动中切换的问题，本发明使滑块能够在两种控制模式下平滑的切换，不必停止运动，满足冲压工艺需求，提高生产效率。

2、为位置控制模式中的关键点赋予压力参数，在位置控制模式下，对压力进行监视，保证工作过程的安全进行，同时将位置控制模式和压力位置控制模式进行了统一。

3、采用不同于现有伺服控制器的软件系统，利用独立的冲压曲线离线优化模块，在进行电机伺服控制之前完成整个冲压曲线的计算，从而解决了现有通用数控系统中将每个伺服控制命令相互隔离的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是电机带动滑块运动的结构示意图；

图2是现有带压力监控的伺服控制器一个冲压过程中，位置设定与压力设定关于时间的关系曲线图；

图3是本发明所述装置的结构示意图；

图4是本发明所述方法的流程示意图；

图5是本发明压力位置控制模式的控制流程示意图；

图6是基于本发明所述方法，应用于某一实例时，得到的位置设定曲线和压力设定曲线示意图；

图7是基于图6的实例，在控制过程中，位置和压力的实际曲线示意图。

具体实施方式

为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。

如图3所示，本发明的伺服机压力位置控制装置包括用户接口、控制模式区分模块、冲压曲线离线优化模块和伺服控制模块。

用户接口用于用户对关键点及对应参数值的输入；控制模式区分模块根据关键点的压力，区分位置控制模式和压力位置控制模式；冲压曲线离线优化模块用于根据参数值，分别形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线；伺服控制模块，用于监视实际压力，判断实际压力是否当前时间下对应的设定压力，并根据判断结果选择控制冲压滑块运行状态的控制模式；上述控制装置部署在伺服控制器上。

其中伺服控制模块包括控制命令获取单元、位置控制器、压力控制器、速度变换器、速度选择器和速度控制器。

命令获取单元用于获取当前时间下，位置设定曲线对应的位置和压力设定曲线对应的压力，形成位置命令和压力命令；位置控制器根据所述位置命令和电机位置反馈值，计算位置控制速度，形成位置速度命令，并将该命令发送给速度选择器；压力控制器根据所述压力命令和滑块压力反馈至，计算滑块速度；速度变换器结合电机位置反馈值，将压力控制器计算的滑块速度，转换为电机速度，形成压力速度命令，并将该命令发送给速度选择器；速度选择器根据实际压力与设定压力的比较结果，选择位置速度命令或压力速度命令，并将选择结果发送给速度控制器；速度控制器根据速度选择器的选择结果和电极速度反馈指，确定电极运行速度，从而控制滑块运动状态。

如图4所示，本发明伺服机压力位置控制方法包括以下步骤：

S1,根据冲压工艺确定冲压过程中的若干关键点，并确定各关键点处的参数值，将所述参数值输入伺服控制器，所述参数值包括压力和位置；

S2,伺服控制器根据关键点的压力，区分位置控制模式和压力位置控制模式，并确定两种模式的切换点及过渡区域；

S3,根据所述参数值，分别形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线；

S4,在位置控制模式下，通过位置设置曲线控制滑块的运动状态，并监视实际压力；在压力位置控制模式下，若实际压力未超过当前时间的设定压力，则按照位置设定曲线控制滑块的运动状态，若实际压力超过当前时间的设定压力，则按照压力设定曲线控制滑块的运动状态。

步骤S1中，关键点参数值包括：位置x_k，用于关键点的位置设定，k＝0…N，关键点的数量为(N+1)；速度v_k，从当前关键点到下一个关键点之间滑块运行速度；压力p_k，关键点的压力设定。

步骤S2中，切换点包括第一切换点和第二切换点；第一切换点为位置控制模式至压力位置控制模式的切换点，第一切换点及第一切换点相邻的上一关键点之间形成第一过渡区域；第二切换点为压力位置控制模式至位置控制模式的切换点，第二切换点及第二切换点相邻的下一关键点之间形成第二过渡区域。

压力位置控制模式从从第i个关键点开始，到第j个关键点结束(i<j)，即i和j分别为第一切换点和第二切换点，则伺服控制器自动地将第(i-1)和第(j+1)个关键点也纳入压力位置控制模式范围内，用如下数据替代用户输入的关键点参数：

p_i-1＝＝Pmax；

p_j+1＝Pmax；

其中Pmax是压力机最大工作压力。即在第i-1到第i点之间、第j到j+1点之间可以看作两个控制模式分别为第一过渡区域和第二过渡区域。

同时，将位置控制模式中的其它所有关键点的压力设定参数设置为最大，即：

p_m＝Pmax,m＝0…N，m<i-1,m>j+1。

步骤S3中，位置设定曲线按照现有通用曲线插补技术产生。压力设定曲线按线性差值方法确定，具体为：

从第k个关键点到第k+1个关键点之间的压力由下式确定

步骤S4中，伺服控制器按照步骤S3中产生的两条曲线进行自动控制。对于k<i-1和k>j+1的范围进行位置控制。在位置控制模式下，监视实际压力，当实际压力超过当前时间下压力设定曲线的压力时，发出异常报警信号，停止冲压过程。对于k>＝i-1和k<＝j+1的范围进行压力位置自动控制，在压力位置控制模式下，当运行到位置控制模式到压力位置控制模式的过渡区时(即k＝i-1)，若实际压力没有超过压力机最大压力值，则伺服电机按照位置设定曲线继续运行，不必停止，伺服控制器自然而平滑地进入压力位置控制模式。在退出压力位置控制模式时，同样也不必要求电机停止旋转；若实际压力超过当前时间的设定压力，则按照压力设定曲线控制滑块的运动状态。

如图5所示，按照位置设定曲线控制滑块的运动状态的具体控制过程为：

获取当前时间下，位置设定曲线对应的位置，形成位置指令，将该位置与电机位置反馈值比较，进行位置控制，位置控制器输出的命令用来控制电机速度，确定位置控制速度，称为“位置速度命令”；该位置控制速度经速度选择器选通后，与电机速度反馈进行比较，通过速度控制器对电机的速度进行控制，从而使得电机位置紧密跟踪位置命令曲线。由于电机旋转角度与滑块位置之间通过伺服控制器的刚性传动系统具备一一对应关系，因而对电机的位置控制实际上就是对滑块的位置控制，从而实现对控制滑块运动状态的控制。

压力位置控制模式下，按照压力设定曲线控制滑块的运动状态的具体过程为：

获取当前时间下，压力设定曲线对应的压力值，形成压力命令。将该压力值与滑块压力反馈值比较，通过压力控制器计算滑块速度；结合电机位置反馈值及滑块速度，利用速度变换器，计算电机的压力控制速度，形成压力速度指令；速度选择器选通压力控制速度，将压力控制速度与电机速度反馈值进行比较，通过速度控制器对电机的运行速度进行控制，从而控制滑块运动状态。

述控制过程中的位置控制器、压力控制器和速度控制器均为现有控制技术中常用的PI控制器。

速度变换器中，滑块速度与电机速度的变换公式为：

其中，ω是电机速度命令，即图中的“压力速度命令”，v_s是滑块速度，

是滑块位置h对电机角度θ的微分，二者之间通的关系以函数形式表示为：

h＝f(θ),

f通常为非线性函数，由压力机传动系统的机械结构唯一确定。

速度选择器选择使得滑块以较慢的速度接近下死点或以较快的速度远离下死点的速度对电机的速度进行控制。

如图6、7所示，以下结合具体实例，对本发明方法的具体实现过程进行进一步说明。

冲压过程的位置曲线由6个关键点x₀到x₅以及相邻两个点之间的速度v₀到v₅进行规定。x₆与x₀重合，在空间上实际上是一个点，因而不计入关键点。假设工艺要求从时间t₂到t₄进行压力位置控制，在这3个关键点处的压力值由p₂、p₃和p₄定义。上述位置、速度和压力参数由用户输入，时间根据位置和速度进行计算。

基于本发明实施例的方法，对不进行压力位置控制的关键点也赋予压力值，所赋予的压力值为压力机能承受的最大值。得到如图6所示的曲线。

因工艺要求仅在时间t₂到t₄之间进行压力位置控制，所以在其它位置定义的压力曲线仅用来进行压力监视，不进行压力控制。若压力超过上限曲线，则说明发生异常情况，伺服控制其报警停机。这对冲压生产这种工况来说是合理并且必要的。

如图7所示，在t₀到t₁阶段，进行位置控制，滑块实际位置完全按照位置设定曲线运行。在t₁到t₂阶段，处于两个模式的过渡区域，实际上已经按照压力位置控制模式运行。一般而言，此时滑块尚未接触工件，滑块实际压力等于零。在t₂之后的某个时刻，滑块接触工件，压力逐渐增大。随后，在某个时间点实际压力到达压力设定曲线，此时滑块减速运行，位置偏离设定曲线。从t₃时间开始，滑块按照压力设定进行保压。为了限制压力超限，滑块位置没有达到设定曲线。到达时间t₄后，在t₅之前，处于模式切换过渡区域，实际上仍然进行压力位置控制。在这个区间，滑块离开工件，上行回程，压力迅速减小到零，对电机旋转速度没有必须回到零的要求。到达t₅后，滑块以位置控制模式返回上死点。

综上，本发明通过冲压曲线离线优化，在进行电机伺服控制之前对用户输入的包含滑块位置和压力的关键点参数进行综合处理，对位置控制模式和压力位置控制模式交界处的关键点压力参数进行线性扩展，从而对位置和压力分别产生完整的设定曲线，用来进行电机伺服控制，从而使得伺服控制器在从位置控制到压力位置控制模式切换过程中不必迫使伺服电机的转速下降为零，从而满足冲压工艺连续性的要求。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种伺服机压力位置控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

根据冲压工艺确定冲压过程中的若干关键点，并确定各关键点处的参数值，将所述参数值输入伺服控制器，所述参数值包括压力和位置；

伺服控制器根据关键点的压力，区分位置控制模式和压力位置控制模式，并确定两种模式的切换点及过渡区域；

根据所述参数值，分别形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线；

在位置控制模式下，通过位置设定曲线控制滑块的运动状态，并监视实际压力；在压力位置控制模式下，若实际压力未超过当前时间的设定压力，则按照位置设定曲线控制滑块的运动状态，若实际压力超过当前时间的设定压力，则按照压力设定曲线控制滑块的运动状态；

在位置控制模式下，监视实际压力，当所述实际压力超过当前时间压力设定曲线的压力时，发出异常报警信号；

所述压力设定曲线按线性差值方法确定，具体为：

从第k个关键点到第k+1个关键点之间的压力由下式确定

2.根据权利要求1所述的伺服机压力位置控制方法，其特征是，所述切换点包括第一切换点和第二切换点；所述第一切换点为位置控制模式至压力位置控制模式的切换点，所述第一切换点及第一切换点相邻的上一关键点之间形成第一过渡区域；所述第二切换点为压力位置控制模式至位置控制模式的切换点，所述第二切换点及第二切换点相邻的下一关键点之间形成第二过渡区域。

3.根据权利要求1所述的伺服机压力位置控制方法，其特征是，所述在压力位置控制模式下，则按照位置设定曲线控制滑块的运动状态的具体控制过程为：

获取当前时间下，位置设定曲线对应的位置，将该位置与电机位置反馈值比较，确定位置控制速度；

速度选择器选通所述位置控制速度，将所述位置控制速度与电机速度反馈值进行比较，通过速度控制器对电机的运行速度进行控制，从而控制滑块运动状态。

4.根据权利要求1所述的伺服机压力位置控制方法，其特征是，在压力位置控制模式下，按照压力设定曲线控制滑块的运动状态的具体过程为：

获取当前时间下，压力设定曲线对应的压力值，将该压力值与滑块压力反馈值比较，通过压力控制器计算滑块速度；

结合电机位置反馈值及滑块速度，利用速度变换器，计算电机的压力控制速度；

速度选择器选通所述压力控制速度，将压力控制速度与电机速度反馈值进行比较，通过速度控制器对电机的运行速度进行控制，从而控制滑块运动状态。

5.一种伺服机压力位置控制装置，其特征是，所述控制装置包括：

用户接口，用于用户对关键点及对应参数值的输入；

控制模式区分模块，根据关键点的压力，区分位置控制模式和压力位置控制模式；

冲压曲线离线优化模块，用于根据参数值，分别形成以时间为参变量的位置设定曲线和压力设定曲线，所述压力设定曲线按线性差值方法确定，具体为：从第k个关键点到第k+1个关键点之间的压力由下式确定

伺服控制模块，用于监视实际压力，判断实际压力是否当前时间下对应的设定压力，并根据判断结果选择控制冲压滑块运行状态的控制模式；

所述控制装置部署在伺服控制器上；

在位置控制模式下，监视实际压力，当所述实际压力超过当前时间压力设定曲线的压力时，发出异常报警信号。

6.根据权利要求5所述的伺服机压力位置控制装置，其特征是，所述伺服控制模块包括：

控制命令获取单元，获取当前时间下，位置设定曲线对应的位置和压力设定曲线对应的压力，形成位置命令和压力命令；

位置控制器，根据所述位置命令和电机位置反馈值，计算位置控制速度，形成位置速度命令，并将该位置速度命令发送给速度选择器；

压力控制器，根据所述压力命令和滑块压力反馈值，计算滑块速度；

速度变换器，结合电机位置反馈值，将压力控制器计算的滑块速度，转换为电机速度，形成压力速度命令，并将该命令发送给速度选择器；

速度选择器，根据实际压力与设定压力的比较结果，选择位置速度命令或压力速度命令，并将选择结果发送给速度控制器；

速度控制器，根据速度选择器的选择结果和电机速度反馈指，确定电机运行速度，从而控制滑块运动状态。

7.一种计算机可读存储介质，其特征是，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时，执行权利要求1-4任一项所述的伺服机压力位置控制方法。

8.一种伺服控制器，其特征是，所述伺服控制器包括权利要求7所述的计算机可读存储介质。

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