SE456458B

SE456458B - control loop

Info

Publication number: SE456458B
Application number: SE8303939A
Authority: SE
Inventors: M Salomonsson
Original assignee: Nobel Elektronik Ab
Priority date: 1983-07-12
Filing date: 1983-07-12
Publication date: 1988-10-03
Also published as: SE8303939L; DE3425221A1; SE8303939D0; DE3425221C2

Description

456 458 Styrningen utföres numera oftast med hjälp av en eller flera mikro- processorer där varje processor styr var sin elhydrauliska servo- krets med servoventil och tillhörande manöverdon (hydraulcylinder). Även om en hydraulpress av det slag som beskrivits ovan är mycket flexibel jämfört med en mekanisk press har emellertid problem upp- stått med styrning av en sådan press då materialegenskaper, press- krafter och pressförlopp varierar inom stora områden. Speciellt i sådana fall där minsta möjliga presscykeltid eftersträvas har tidigare kända reglersystem visat sig otillräckliga. 456 458 The control is now usually performed with the help of one or more microprocessors, where each processor controls its own electro-hydraulic servo circuit with servo valve and associated actuator (hydraulic cylinder). Although a hydraulic press of the type described above is very flexible compared to a mechanical press, problems have arisen with the control of such a press as material properties, pressing forces and pressing processes vary over large areas. Especially in cases where the minimum possible press cycle time is sought, previously known control systems have proved insufficient.

Föreliggande uppfinning avser därför en ny reglerkrets vilken ger avsevärda förbättringar jämfört med konventionella reglerkretsar för styrning av exempelvis en pulverpress. Reglerkretsen är avsedd att kunna användas i en mångfald applikationer där kraven pá nog- grannhet, snabbhet och flexibilitet är stora, i första hand pà pressar och andra typer av materialbearbetningsmaskiner.The present invention therefore relates to a new control circuit which provides considerable improvements compared with conventional control circuits for controlling, for example, a powder press. The control circuit is intended to be used in a variety of applications where the requirements for accuracy, speed and flexibility are high, primarily on presses and other types of material processing machines.

Reglerkretsen kännetecknas därvid i första hand av att pådragsor- ganet utgöres av en flödesreglerande servoventil, att den elektro- hydrauliska servoloopen för kraftreglering innefattar en kraftgiva- re för bestämning av den kraft som verkar på verktyget och är anordnad att inkopplas först då verktyget hos maskinen befinner sig på ett fastställt avstånd från sin slutposition, företrädesvis i slutfasen av ett bearbetningsförlopp.The control circuit is characterized in the first place by the actuating means consisting of a flow-regulating servo valve, that the electro-hydraulic servo loop for power control comprises a power sensor for determining the force acting on the tool and is arranged to be connected only when the tool is in the machine. at a fixed distance from its end position, preferably in the final phase of a machining process.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogade ritningar varvid figur 1 visar en principskiss över en hydraulisk pulverpress inklu- sive förflyttningsdiagram för pressens form och stans, figur 2 visar en reglerkrets med grundservoloop för lägesstyrning av formen hos pulverpressen, och figur 3 visar en reglerkrets enligt uppfinningen för kombinerad kraft- och lägesstyrning av stansen hos pulverpressen. 456 458 En hydraulisk pulverpress vars principiella uppbyggnad visas i figur la består av ett stativ 1, en form 2 (formverktyg eller dyna), en stans 3 och tillhörande manöverdon i form av hydraulcylindrar 4, 5 för positionering av form och stans. Dessutom ingår utrustningar för materialtranspcrt såsom doserare för påfyllning av pulver och en plockningsanordning för utplockning av färdigpressade detaljer.In the following, the invention will be described in more detail in connection with the accompanying drawings, in which Figure 1 shows a principle sketch of a hydraulic powder press including movement diagrams for the shape and punch of the press, Figure 2 shows a control circuit with basic servo loop for position control of the shape of the powder press, and Figure 3 shows a control circuit according to the invention for combined force and position control of the punch of the powder press. 456 458 A hydraulic powder press whose basic structure is shown in figure 1a consists of a stand 1, a mold 2 (mold tool or pad), a punch 3 and associated actuators in the form of hydraulic cylinders 4, 5 for positioning the mold and punch. In addition, equipment for material transport is included, such as dispensers for filling powder and a picking device for picking out pre-pressed parts.

Under en presscykel förs formen 2 först till ett noggrant bestämt läge för påfyllning av pulver. Efter pàfyllningen förs stansen 3 snabbt ner till ett presstartläge, varefter pressning sker till ett noggrant bestämt slutläge, alternativt till en noggrant bestämd slutkraft. Under pressgángen skall stans- och formförflyttningarna ske med varierbara och samordnade hastigheter. I slutläget kan en viss hàlltid med bibehållen presskraft dessutom erfordras, var- efter presskraften reduceras till en hàllkraft efter en varierbar tidsfunktion (se förflyttningsdiagrammet i figur lb).During a pressing cycle, the mold 2 is first moved to a precisely determined position for filling powder. After filling, the punch 3 is quickly lowered to a press start position, after which pressing takes place to a precisely determined end position, alternatively to a precisely determined final force. During the pressing process, the punching and shaping movements must take place at variable and coordinated speeds. In the final position, a certain holding time with retained pressing force may also be required, after which the pressing force is reduced to a holding force after a variable time function (see the movement diagram in Figure 1b).

Efter det sålunda beskrivna pressförloppet förs formen 2 ned så att den färdigpressade detaljen frilägges och kan plockas ut ur pressen. Efter utplockningen går stansen 3 snabbt upp till sitt övre läge och formen Z till påfyllnadsläget varefter en ny press- cykel startar.After the pressing process thus described, the mold 2 is lowered so that the finished pressed part is exposed and can be picked out of the press. After picking out, the punch 3 quickly goes up to its upper position and the shape Z to the filling position, after which a new press cycle starts.

Pressförloppet styrs av ett reglersystem vilket innefattar en reg- lerkrets för pressformen och en reglerkrets för stansen. I figur 2 visas en i och före sig förut känd elhydraulisk reglerkrets för reglering av läget hos pressformen 2. För att åstadkomma en snabb och noggrann lägesreglering av formen utgöres den verkställande en- heten i kretsen av en hydraulcylinder 4 vilken med hjälp av en kolvstàng 6 styr läget hos pressformen 2. Reglerkretsen innefattar vidare ett pàdragsorgau i form av en flödesrewlerande servoventil 7 som omvandlar den elektriska styrsignalen i till en hydraulisk ut- storhet i form av ett oljeflöde g till hydraulcylindern 4.The press process is controlled by a control system, which includes a control circuit for the mold and a control circuit for the punch. Figure 2 shows a prior art electric hydraulic control circuit for regulating the position of the mold 2. To achieve a fast and accurate position control of the mold, the executive unit in the circuit is constituted by a hydraulic cylinder 4 which by means of a piston rod 6 controls the position of the mold 2. The control circuit further comprises a tightening means in the form of a flow revealing servo valve 7 which converts the electrical control signal i into a hydraulic quantity in the form of an oil flow g to the hydraulic cylinder 4.

I det aktuella fallet genereras reglerkretsens börvärdesfunktion x(t) i en mikroprocessorbaserad dator 8. Eftersom hög noggrannhet 456 458V: krävs (i detta fall 0,05 O/oo) mäts ärvärdet y(t) digitalt med en linjär inkremental lägesgivare 9. Den i summationspunkten 10 digi- talt bildade skillnadssignalen, e=z-y, omvandlas till analog form i en D/A-omvandlare 11 och styr via en PI-regulator 12 (propor- tionalintegral reglering) strömmen i till servoventilen 7.In the present case, the setpoint function x (t) of the control circuit is generated in a microprocessor-based computer 8. Since high accuracy 456 458V: is required (in this case 0.05 O / oo), the actual value y (t) is measured digitally with a linear incremental position sensor 9. The in the summing point 10, the digitally formed difference signal, e = zy, is converted into analog form in a D / A converter 11 and controls the current i to the servo valve 7 via a PI controller 12 (proportional integral control).

Sá länge krafterna på kolvstángen 6 varierar måttligt är oljeflödet q till hydraulcylindern och därmed kolvstángshastigheten proportio- nell mot strömmen i frekvensområdet 0 - ca 100 Hz vilket möjliggör en stor bandbredd hos reglerloopen och därmed stor noggrannhet och snabbhet. De enskilda komponenterna i reglerkretsen i figur 2 är för övrigt väl kända inom reglertekniken och beskrivs därför ej närmare.As long as the forces on the piston rod 6 vary moderately, the oil flow q to the hydraulic cylinder and thus the piston rod speed is proportional to the current in the frequency range 0 - about 100 Hz, which enables a large bandwidth of the control loop and thus great accuracy and speed. The individual components in the control circuit in Figure 2 are otherwise well known in the control technology and are therefore not described in more detail.

Reglersystemet innefattar också en reglerkrets för styrning av stansen 3. I upp- och nedstyrningsfaserna samt i begynnelsefasen av pressförloppet lägesregleras stansen 3 och krafterna pà kolv- stången varierar måttligt. I dessa faser kan då en likadan regler- krets som för formen 2 användas, jämför figur 2. I slutfasen av pressförloppet växer emellertid kolvkraften dramatiskt och sambandet mellan kolvläge och ventilström i ändrar helt karaktär.The control system also includes a control circuit for controlling the punch 3. In the up and down control phases and in the initial phase of the pressing process, the punch 3 is positioned and the forces on the piston rod vary moderately. In these phases, a control circuit similar to that of form 2 can then be used, cf. Figure 2. In the final phase of the pressing process, however, the piston force grows dramatically and the relationship between piston position and valve flow completely changes character.

Enligt uppfinningen kompletteras då den beskrivna grundservoloopen med en ytterligare reglerkrets för att uppnå erforderlig noggrann- het i lägesregleringen för stansen 3 och för att åstadkomma erfor- derlig kraftreglering, se figur 3.According to the invention, the described basic servo loop is then supplemented with an additional control circuit in order to achieve the required accuracy in the position control for the punch 3 and to achieve the required power control, see figure 3.

I likhet med grundservoloopen enligt figur 3 innefattar regler- kretsen för stansen 3 en D/A-omvandlare 11' som omvandlar skill- nadssignalen e mellan börvärdet x(t) och ärvärdet y(t) till ana- log form. Den analoga signalen el styr via P och I regulatorer l2', l2" strömmen i till servoventilen 7'. Servoventilen 7' omvandlar den elektriska styrsignalen i till en hydraulisk utstor- het i form av ett oljeflöde q till stansens hydraulcylinder 5 vars kolvstáng 6' styr läget hos stansen 3. Börvärdet x(t) genereras i en mikroprocessorbaserad dator 8' och ärvärdet y(t) mäts digitalt med en linjär inkremental lägesgivare 9'. 456 458 Som framgår av figur 3 innefattar reglerkretsen dessutom en servo- loop med en kraftgivare 13 för bestämning av den kraft som verkar på stansen 3 och en PD-regulator 14 (proportional- och derivator- funktion) för signalbehandling av skillnadssignalen mellan kraftens bör och är-värde.Similar to the basic servo loop according to Figure 3, the control circuit for the punch 3 comprises a D / A converter 11 'which converts the difference signal e between the setpoint value x (t) and the actual value y (t) into an analog form. The analog signal el controls via P and I controllers 12 ', 12 "the current i to the servo valve 7'. The servo valve 7 'converts the electric control signal i into a hydraulic output in the form of an oil flow q to the punch hydraulic cylinder 5 whose piston rod 6' controls the position of the punch 3. The setpoint x (t) is generated in a microprocessor-based computer 8 'and the actual value y (t) is measured digitally with a linear incremental position sensor 9'. 456 458 As can be seen from Figure 3, the control circuit further comprises a servo loop with a power sensor 13 for determining the force acting on the punch 3 and a PD controller 14 (proportional and derivative function) for signal processing of the difference signal between the setpoint and the actual value of the force.

För att optimera lägesregleringen i slutfasen av ett pressförlopp med hänsyn till materialegenskaper och presskrafter innefattar reg- lerkretsen dessutom en extra D/A-omvandlare 15 för omvandling av skillnadssignalen e i läge, funktionsomkopplare S1, S2, S3 och S4 vilka ingriper i olika skeden under pressförloppet samt ingångar för kraftbörvärden FP, FM och tidfunktion T . En integrator 16 samt två multiplikatorer 17, 18 vars funktion näïmare skall beskrivas nedan ingår också i kretsen. Även dessa komponenter är i och för sig förut kända och beskrivs därför ej närmare. Multiplikatorerna 17, 18 kan exempelvis utgöras av multiplicerande potentiometrar (omkopplingsbara motstàndsnät) eller elektroniska spänningsmulti- plikatorer. Funktionsomkopplarna S1~S4 kan vara mekaniska panelom- kopplare, datorstyrda elektroniska switcher eller reläer. Integra- torn 16 kan vara en RC-kopplad operationsförstärkare eller ett digitalt register.In order to optimize the position control in the final phase of a pressing process with regard to material properties and pressing forces, the control circuit further comprises an additional D / A converter 15 for converting the difference signal in position, function switches S1, S2, S3 and S4 which intervene in different stages during the pressing process. as well as inputs for power setpoints FP, FM and time function T. An integrator 16 and two multipliers 17, 18, the function of which will be described in more detail below, are also included in the circuit. These components are also known per se and are therefore not described in more detail. The multipliers 17, 18 can for instance consist of multiplying potentiometers (switchable resistor networks) or electronic voltage multipliers. The function switches S1 ~ S4 can be mechanical panel switches, computer-controlled electronic switches or relays. The integrator 16 may be an RC-coupled operational amplifier or a digital register.

Reglerkretsen enligt uppfinningen fungerar på följande sätt. Då stansen 3 nätt ett i datorprogrammet fastställt avstånd från slut- positionen sker en omkoppling från lägesreglering till kraftregle- ring genom att switchen S1 ställs i läge 2 genom datorn 8'. Fram till denna tidpunkt hålls signalen a till I-regulatorn 12" pà vär- det noll genom áterkoppling av signalen till integratorn 16. Sam- tidigt med omkopplingen tvingas signalen FBÖR genom áterkopplingen av signalen a att bli lika med signalen FÅR från kraftgivaren 13 varigenom en störningsfri övergång till kraftstyrning sker.The control circuit according to the invention operates in the following manner. When the punch 3 has reached a distance determined in the computer program from the end position, a switch is made from position control to force control by setting the switch S1 in position 2 through the computer 8 '. Up to this time, the signal a to the I-controller 12 "is kept at the value zero by feedback of the signal to the integrator 16. Simultaneously with the switching, the signal FBOR is forced by the feedback of the signal a to become equal to the signal FAR from the power sensor 13 whereby a interference-free transition to power control takes place.

Då switchen S1 intar läge 2 kommer ärsignalen FÄR från kraftgivaren 13 att följa FBÖR I-regulatorn 12", servoventilen 7', hydraulcylindern 5 och med hjälp av reglerloopen: PD-regulatorn 14, kraftgivaren 13. Grundloopen omfattande P-regulatorn 12' degenere- rar samtidigt pà grund av kraftuppväxten. 456 458 Switchen S3 är på förhand ställd i läget 1 eller 2 beroende på om pressning sker mot en slutkraft eller ett slutläge. Med switchen S3 i läge l styrs signalen FBÖR torn 16 anta slutkraftvärdet FP. Övergången till FP sker med en tidsfunktion som bestäms av motkopplingsgraden över integratorn 16.When the switch S1 assumes position 2, the actual signal FÄR from the power sensor 13 will follow BEFORE the I-controller 12 ", the servo valve 7 ', the hydraulic cylinder 5 and by means of the control loop: the PD controller 14, the power sensor 13. The basic loop comprising the P-controller 12' degenerates. 456 458 The switch S3 is preset in position 1 or 2 depending on whether pressing takes place against an end force or an end position.With the switch S3 in position l the signal BEFORE tower 16 is controlled to assume the final force value FP. The transition to FP takes place with a time function determined by the degree of feedback across the integrator 16.

Med switchen S3 i läge 2 styrs F av en med integratorn 16 inte- grerad lägesskillnadssígnal e2. âgšigenom bildas en via kraftregler- kretsen sluten yttre lägesreglerloop. Då rätt läge har uppnåtts er- hålls då en signal tillgänglig så att utgångskraften för den nämnda bibehållningen av slutkraften och nedstyrningen av kraften kan ut- föras.With the switch S3 in position 2, F is controlled by a position difference signal e2 integrated with the integrator 16. This creates an external position control loop closed via the power control circuit. When the correct position has been reached, a signal is then obtained so that the output force for the said retention of the final force and the reduction of the force can be performed.

För optimering av noggrannheten används en multiplikator 17 med vars hjälp förstärkningen i lägesloopen kompenseras för den inver- kan som materialet har pà sambandet mellan ventilströmmen i och läget y. (Stor presskraft ger en liten kvot yli). Omkopplaren S4 förinställs beroende på aktuellt material.To optimize the accuracy, a multiplier 17 is used, by means of which the gain in the position loop is compensated for the effect that the material has on the relationship between the valve flow in and the position y. (Large pressing force gives a small ratio yli). The S4 switch is preset depending on the current material.

Då inställt värde på slutläge eller slutkraft har uppnåtts och den tidigare nämnda hàlltiden löpt ut ges en signal som ställer switchen S2 i läge 2. F reduceras då till mothållskraften FM BÖR genom återkoppling av integratorn 16 via multiplikatorn 18. Tids- BÖR från slutpresskraften FS till mot- hàllskraften FM bestäms av multíplikatorn 17. Dä mothàllskraften uppnåtts och den färdigpressade detaljen tagits av plockaren styrs funktionen i övergången F stansen upp till sin övre position med grundloopen för lägesregle- ring. Samtidigt återgår switcharna Sl och S2 till position 1, var- vid en presscykel genomlönts. att via motkoppling över integra- aWhen the set value of the end position or end force has been reached and the previously mentioned holding time has expired, a signal is given which sets the switch S2 to position 2. F is then reduced to the resistance force FM SHOULD by feedback of the integrator 16 via the multiplier 18. Time should from the end press force FS to the resistance force FM is determined by the multiplier 17. When the resistance force has been reached and the pre-pressed part has been taken by the picker, the function in the transition F is controlled up to its upper position with the basic loop for position control. At the same time, the switches S1 and S2 return to position 1, whereby a press cycle is paid through. that via feedback over integra- a

Claims

456 458 PATENT REQUIREMENTS

Control circuit for controlling a material processing machine, preferably a hydraulic powder press, with respect to force and position, comprising on the one hand an electro-hydraulic basic servo for position control which comprises a tightening means and an executive unit in the form of a hydraulic cylinder (4) for control - positioning of the position of the tool (3) of the machine and on the one hand an electro-hydraulic servo loop (13, 14, 12 ") for power control, characterized in that the actuating means consists of a flow-regulating servo valve (7), that the electro-hydraulic servo loop for power control comprises a power sensor ( 13) for determining the force acting on the tool (3) and is arranged to be engaged only when the tool (3) of the machine is at a fixed distance from its end position, preferably in the final phase of a machining process.

Control circuit according to Claim 1, characterized in that the electrohydraulic servo loop for power control comprises a PD controller (14) for signal processing of the difference signal between the setpoint and actual value of the force (F - FÅR) and in SHOULD in combination with the basic servo loop an I-controller (12 "), the servo valve (7 ') and the hydraulic cylinder (5).

Control circuit according to Claim 2, characterized in that the setpoint value (F) of the force is controlled via an integrator (16) SHOULD to maintain the force at a certain level in a certain position during the pressing process, preferably in the final phase.

Control circuit according to Claim 3, characterized in that the integrator (16) is arranged to be switched on so that the setpoint value (F) of the power when the hydraulic servo is switched on should be equal to the actual value of the power (SHEET). measured with the power sensor (13) and that the integrator can then be switched between a power setpoint (F) which either conforms more to the set final power value (FP) or to the power setpoint (FBOR) required for the tool (3) to achieve a set end position.

A control circuit according to claim 4, characterized in an additional position control servo loop comprising a D / A converter (15) for converting the digital position difference signal (s) in the basic servo loop, a multiplier (17) for pre-. gain adjustment and the integrator (16) for generating said force setpoint (FAST) depending on the position difference signal.

Control circuit according to Claim 3, characterized in that the integrator (16), when the set value of the end position or final force (FP) has been reached and a certain holding time has elapsed, is arranged to be switched on so that the setpoint value of the force (FÖR) is reduced to an in - adjustable holding force (FM) with an adjustable time dependence (TM).