用于交流伺服电机直接驱动曲柄压力机的计算机数控系统

摘要

用于伺服电机直接驱动曲柄压力机的计算机数控系统，设有嵌入式工业控制计算机、用于交流伺服电机控制的运动控制接口模块、用于曲柄位置测量的旋转变压器接口模块、用于润滑和制动控制以及滑块到位提示的数字输出接口模块、用于压机工作状态检测和按键操作的数字输入接口模块、用于液晶和触摸屏的人机界面接口模块，上述模块分别与工业控制计算机双向信号连接，在计算机和控制软件的调度下，通过输入相应的数控加工程序和操作指令，由运动控制接口模块通过伺服驱动器控制交流伺服电机驱动曲柄压力机的曲柄运动，通过连杆带动滑块做往复运动，完成压力加工动作，同时，曲柄的运动位置通过旋转变压器及其接口模块读入，用于闭环反馈和位置显示。

说明书

技术领域

本发明涉及数控机械加工，特别是一种用于伺服电机直接驱动曲柄压力机的计算机数控系统，是对压力加工常用设备——曲柄压力机驱动技术及控制系统的重大改进，属机械加工及计算机自动控制领域。

背景技术

压力机可以生产更接近最终形状的金属零件，更符合洁净生产和绿色生产的要求。曲柄压力机在板材生产中占有主要地位，对其的研究和新产品开发也最多。交流伺服电机具有控制精度高、运转平稳，在其额定转速范围内输出转矩恒定，过载能力强，控制可靠、免维护，响应迅速等特点，在工业控制领域已基本取代直流伺服电机。其过载能力强的特点，特别适合曲柄压力机的瞬时大转矩输出的使用特点，顺理成章地成为人们关注的目标。近年，由于大功率交流伺服电机的开发成功，(如FUNAC、安川生产了功率达150Kw的交流伺服电机系列)，由大功率伺服电机驱动的机械设备应运而生，如世界著名的KOMATSU、AIDA、AMADA、AMINO、TOYO、住友、日精树脂等公司，先后推出了采用该技术的伺服电机驱动压力机、伺服电机驱动折弯机、伺服电机驱动注塑机等设备。

伺服电机直接驱动曲柄压力机，是用大功率伺服电机直接驱动压力机的曲柄，使其完成复杂运动规律，提高压力机的使用效能，伺服电机直接驱动的曲柄压力机(简称伺服压力机)，代表了压力机的发展方向。它可以根据工艺要求优化设计滑块运动曲线，提高压力机的通用性和智能化水平；采用位置全闭环控制，提高了压力机滑块运动精度；可以根据工件的不同，调整滑块行程、缩短循环时间，提高了压力机生产率；没有离合器和飞轮空转耗能，较普通曲柄压力机节能30％以上；可以设计特殊的工作特性曲线，控制冲裁时的冲头速度，从而减少冲裁的振动和噪声，提高模具使用寿命。交流伺服电机直接驱动曲柄压力机的计算机控制系统，是伺服压力机的核心。

发明内容

本发明目的是要更好地解决交流伺服电机直接驱动曲柄压力机的控制问题，提供了一种用于伺服电机直接驱动曲柄压力机的计算机数控系统，该系统使交流伺服电机直接驱动的曲柄压力机，能够高速、高效、高精度、低噪声地完成各种复杂的滑块运动曲线，完成普通曲柄压力机无法胜任的复杂工艺。

本发明为完成上述工作，采用的技术方案为：用于交流伺服电机直接驱动曲柄压力机的计算机数控系统，设有嵌入式工业控制计算机，其特征是还包括有：用于交流伺服电机控制的运动控制接口模块、用于曲柄位置测量的旋转变压器接口模块、用于润滑和制动控制以及滑块到位提示的数字输出接口模块、用于压机工作状态检测和按键操作的数字输入接口模块以及用于液晶和触摸屏的人机界面接口模块，上述模块分别与嵌入式工业控制计算机双向信号连接，在计算机和控制软件的调度下，通过输入相应的数控加工程序和操作指令，由运动控制接口模块通过伺服驱动器控制交流伺服电机驱动曲柄压力机的曲柄运动，通过连杆带动滑块做往复运动，完成压力加工动作，同时，曲柄的运动位置通过旋转变压器及其接口模块读入，用于闭环反馈和位置显示。

嵌入式工业控制计算机为单板工控机，包括有PC104总线和USB、以太网接口，操作系统、数控程序以及加工数据存储于工控机的CF卡或外接硬盘中；

运动控制接口模块，由基于CPLD专用运动控制芯片MCX312、总线驱动芯片26LS31和26LS32等主要器件组成，MCX312的电机控制信号经26LS31差分驱动后输出，而编码器差分输入信号则经过26LS32驱动后输入。为保证高的抗干扰性能，芯片的数字输入输出部分具有光电隔离电路，主要光电隔离芯片为P181。该模块向外部伺服驱动器发送旋转指令，连接编码器反馈信号，接收急停信号等。

旋转变压器接口模块，用于精密测量曲柄位置，该模块由旋转变压器接口芯片AD2S83及2片并行数据接口芯片74LS245分别组成转换和总线接口电路，而由运算放大器构成正弦信号发生器。正弦信号作为参考信号送入AD2S83，同时作为激励信号送入旋转变压器；而旋转变压器的正弦和余弦输出信号也同时接入AD2S83，AD2S83将参考信号、变压器输出的正弦余弦信号转换为14位绝对并行数字量输出，经总线接口芯片74LS245读入嵌入式工控机，由此完成曲柄位置的测量。

数字输入接口模块用于操作台按钮输入(包括寸动、单次、连续方式的切换，预控及双手起动按钮等)和机器工作状态监测(载荷超限、润滑异常、制动异常、安全光栅异常等)。数字输入信号也包括多机联动起动和停止输入信号。数字量输入模块由总线接口芯片74LS245及74LS02等组成的译码驱动电路组成，通过隔离电阻与外部数字输入信号相连，它与数字输出中的滑块位置指示信号一起，构成压力加工生产线的连接信号组。

数字输出接口模块由逻辑电路74LS02、锁存器74LS573、光电耦合器、继电器等组成。数字输出信号经74LS573锁存，并通过光电耦合和三极管驱动外部继电器动作，控制压力机的润滑泵、制动器、报警器、气动泵等的起动和停止。

人机界面接口模块，由通过串行接口连接的触摸屏和专用接口连接的液晶构成，通过触摸屏输入数控程序、选择已有数控曲线或程序、选择运动方式、修改工作参数，并对加工进程实时显示。加工程序、操作历史和运行参数等也可以通过网络接口传输，加工程序还可以通过网络下载；

数控系统采用两层结构，嵌入式工业控制计算机完成人机界面接口、实时显示、数字输入输出、旋转编码器读入等其它外围功能，而电机的各种运动控制功能则由运动控制模块及其核心运动控制芯片完成。

本发明的优点：1)采用开放式体系结构，设计伺服压力机的计算机数控系统，基于Windows和Linux操作系统，软件易学，操作维护方便。控制系统硬件的维护成本大为降低。2)伺服压力机生产操作方式与普通压力机相同，采用双手安全操作方式，操作者可以不用专门培训，即可使用。3)采用两层控制体系结构，嵌入式工控机完成系统人机接口和工作状态检测等外部工作，运动控制模块则负责曲柄的复杂运动控制过程，即保证了运动控制的实时性和精确性，也保证了系统操作的直观性。4)具有多种加工工艺和滑块运动曲线，使伺服压机具有多种功能，满足不同产品需要。5)具有设备操作历史、设备状态历史、设备加工历史等记忆功能，可以通过Internet网络进行远程诊断。6)采用旋转变压器作为曲柄位置测量传感器，抗干扰能力强。

附图说明

图1是伺服压力机计算机数控系统结构框图；

图2是伺服压力机计算机数控系统工作流程图；

图3是交流伺服电机直接驱动的曲柄压力机传动原理图；

图4是伺服电机驱动压机曲柄控制结构框图；

图5是嵌入式工业控制计算机功能框图；

图6是伺服压力机计算机数控系统运动控制模块电路图；

图7是伺服压机数控系统的旋转变压器输入接口模块；

图8是伺服压机数控系统的数字输出模块；

图9是伺服压机数控系统的数字输入模块；

图10是伺服压力机计算机数控系统运动控制卡的PC104总线接口。

具体实施方式

参看图1，基于计算机数控技术的交流伺服电机直接驱动曲柄压力机的控制系统，包括作为控制核心的嵌入式工业控制计算机、用于交流伺服电机控制的运动控制接口模块、用于曲柄位置测量的旋转变压器接口模块、用于润滑和制动控制以及滑块到位指示的数字输出接口模块、用于压机工作状态检测和按钮操作的数字输入接口模块以及由液晶和触摸屏构成的人机界面接口模块；上述模块分别与嵌入式工业控制计算机双向信号连接，在计算机和控制软件的调度下，通过输入相应的数控加工程序和操作指令，由运动控制接口模块通过伺服驱动器控制交流伺服电机驱动曲柄压力机的曲柄运动，通过连杆带动滑块做往复运动，完成压力加工动作。同时，曲柄的运动位置通过旋转变压器及其接口模块读入，用于闭环反馈和位置显示。控制系统可以通过触摸屏，选择控制程序和参数，通过操纵按钮控制压机运行，实现滑块高精度、低噪声控制。系统存储多种滑块运行曲线，运行过程图形化显示、操作直观方便。其工作流程如图2。

该数控系统控制的对象是交流伺服电机直接驱动的曲柄压力机。如图3示，该压力机的曲柄由交流伺服电机(a1)驱动，即交流伺服电机经过行星齿轮减速器(a2)、小同步带论(a3)、大同步带论(a4)带动曲柄旋转，再经连杆(a6)带动滑块(a7)往复运动。数控系统通过控制交流伺服电机的运动，使滑块按照预定运动曲线运动。而曲柄闭环控制系统的结构框图见图4。

各个模块依据下述功能要求，完成各自的任务，最后经过核心处理器协调，实施对整个压力机的工作控制。各模块具体功能如下：

该计算机数控系统的核心是嵌入式单板工控机，具有PC104总线和USB、以太网等接口，可以运行Dos、Windows和Linux等操作系统，操作系统、数控程序、以及加工数据存储于嵌入式工控机的CF卡或外接硬盘中。通过PC104总线，扩展了运动控制模块、旋转变压器接口模块、数字输入输出模块、操作模块、及工作状态检测模块等接口模块。通过单板工控机，连接了液晶显示器和触摸屏。(系统框图见图5)

运动控制接口模块，由基于CPLD专用运动控制芯片MCX312、总线驱动芯片26LS31和26LS32等主要器件组成。MCX312的电机控制信号经26LS31差分驱动后，向交流伺服电机驱动器发送脉冲和旋转方向指令，模块具有多种加减速驱动曲线。该模块还具有光电编码器输入接口，编码器差分输入信号经过26LS32驱动后输入MCX312。该模块具有24位逻辑和实际加减计数器，可以进行位置闭环控制。该模块还具有急停功能接口，可以处理紧急事件。嵌入式工控计算机通过向运动控制模块发送伺服控制指令，控制伺服曲柄压力机的滑块，完成预定运动。其电路见图6，图中Part2是专用运动控制芯片MCX312的连接线路，Part3是由驱动芯片26LS32组成的编码器输入接口，急停信号由EMG引入。

旋转变压器接口模块，用于精密测量曲柄位置，该模块由旋转变压器接口芯片AD2S83及2片并行数据接口芯片74LS245分别组成转换和总线接口电路，而由运算放大器构成正弦信号发生器，见图7。正弦信号作为参考信号送入AD2S83，同时作为激励信号送入旋转变压器；而旋转变压器的正弦和余弦输出信号也同时接入AD2S83，AD2S83将参考信号、变压器输出的正弦余弦信号转换为14位绝对并行数字量输出，经总线接口芯片74LS245读入嵌入式工控机，由此完成曲柄位置的测量。图7中，Part4为由运算放大器组成的正弦波发生电路，Part5为旋转变压器处理芯片AD2S83接线图，Part6为转角位置读取电路。电路中R1～R8，C1～C8取值根据处理芯片和压力机工作转速要求计算。

数字输出接口模块，由逻辑电路74LS02、锁存器74LS573、光电耦合器、继电器等组成。数字控制输出信号经74LS573锁存，并通过光电耦合隔离和三极管驱动外部继电器动作，见图8。再经过接触器控制压力机的润滑泵、制动器、报警器、气动泵等的起动和停止。该数控系统还提供压力机制动和润滑的全过程控制，提高了压力机的安全性和精度。数字输出接口还提供了声光报警功能，用于对系统严重异常状态的警示。数字输出接口还提供滑块上、下位信号，可以作为冲压自动线的接口信号。

数字量输入模块，由3片总线接口芯片74LS245及74LS02组成，通过隔离电阻与外部数字输入信号相连，见图9。操作台按钮输入信号(包括寸动、单次、连续方式的切换，预控及双手起动按钮等)和机器工作状态监测信号(载荷超限、润滑异常、制动异常、安全光栅异常等)，分别通过电平转换中间继电器进行信号电平转换，再通过隔离电阻，接入相应的总线接口芯片74LS245，其中按钮输入信号接入2片74LS245，状态检测信号接入第3片74LS245。数字输入信号还包括多机联动起动和停止输入信号。它与数字输出中的滑块位置指示信号一起，构成压力加工生产线的连接信号组。

人机界面接口模块，由通过串行接口连接的触摸屏和专用接口连接的液晶构成，通过触摸屏输入数控程序、选择已有数控曲线或程序、选择运动方式、修改工作参数，并对加工进程实时显示。加工程序、操作历史和运行参数等也可以通过网络接口传输，加工程序还可以通过网络下载；系统具有按键操作接口模块，使压力机的所有操作都通过嵌入式工控机完成，数控系统可以存储所有按键操作过程，为压力机操作提供了示教控制方式。压力机的操作遵守与普通压力机一样或更高的安全规范。

所有硬件模块与嵌入单板工控机通过PC104总线连接，模块电路板的总线接口电路由总线比较器74LS688及译码器74LS138等主要芯片组成，见图10。

该交流伺服电机直接驱动曲柄压力机的数控系统，具有操作历史记忆、机器故障状态历史记忆、以及加工历史记忆等功能，可以通过网络接口，进行调阅或进行远程诊断。

系统具有滑块位置测量、压力测量子系统，可以精确测量显示加工过程的滑块位置曲线和压力变化曲线，为产品加工曲线优化，提供保证。

系统的工作流程如下：

开机，系统初始化各输入输出接口；复位机器到上死点；读取上死点旋转变压器位置信息；各安全装置自检，并读取开机信息。

进入主画面，允许操作者按权限操作，可以选择编写程序、修改程序、修改程序参数等；也可以选择修改系统工作参数设定，如修改润滑时间间隔、修改故障等待时间和报警方式等。

预润滑，按照设定参数，进行压力加工前的预润滑。

选择加工方式，通过触摸屏，选择加工方式(滑块运行曲线)和参数，进行单次或连续加工，并可选择寸动方式工作。

通过操作台按键，控制伺服压力机按照设定的方式和参数，进行压力加工。

加工过程中，系统不断检测伺服压力机的润滑、超载、光栅等安全装置的报警信号，若有异常，立即自动处理并报警。