數(shù)控伺服技術(shù)在真空成型機(jī)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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真空成型機(jī)是一種采用熱成型工藝對冰箱內(nèi)膽進(jìn)行加工生產(chǎn)的大型設(shè)備。成型機(jī)的設(shè)計(jì)和制造在它的生產(chǎn)涉及了控制理論、熱成型工藝學(xué)、材料學(xué)、紅外輻射、熱傳導(dǎo)、總線通信、氣壓液壓傳動(dòng)以及機(jī)械傳動(dòng)等多學(xué)科的知識，成型機(jī)是多學(xué)科知識交叉和融合的集中體現(xiàn)。長期以來，我國塑料加工成型機(jī)的技術(shù)水平一直落后于日本、美國、德國等國家。雖然我國也能進(jìn)行成型機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，但是在設(shè)備的自動(dòng)化程度、安全性、穩(wěn)定性和速度等指標(biāo)上還遠(yuǎn)達(dá)不到歐美日等國家的水平，這使得國內(nèi)高端成型機(jī)的市場長期被幾大國外品牌所占據(jù)，造成了大量的外匯開支。
針對當(dāng)前我國各行各業(yè)雖然比較齊全，但是設(shè)計(jì)水平還不是很高的現(xiàn)狀，國家提出了建設(shè)創(chuàng)新型社會(huì)的號召，鼓勵(lì)對于國外先進(jìn)技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，以改變我國各行業(yè)大而不強(qiáng)的面貌。本項(xiàng)目的實(shí)施和本文的最終完成就是在這種大環(huán)境下進(jìn)行的。本文重點(diǎn)并詳細(xì)介紹了真空成型機(jī)控制系統(tǒng)中傳動(dòng)部分的控制方法。
第二章工藝流程及控制要求
真空成型機(jī)是對薄軟非金屬材料（主要是熱塑性塑料）用模具進(jìn)行熱成型加工的大型設(shè)備。在電冰箱生產(chǎn)線，主要用于生產(chǎn)電冰箱和半導(dǎo)體電子冰箱的內(nèi)膽（冷藏室和冷凍室箱體），是冰箱生產(chǎn)線上的重要設(shè)備。由于真空成型機(jī)體型龐大、工藝復(fù)雜，并且涉及到電氣、機(jī)械、氣壓與液壓傳動(dòng)等多學(xué)科的知識，使得成型機(jī)具有投資大、控制難度高、維護(hù)要求高等特點(diǎn)。目前高質(zhì)量的真空成型機(jī)主要依賴進(jìn)口。
如圖1所示為四工位真空成型機(jī)。
四工位真空成型機(jī)，“四工位”我們可以理解為四個(gè)工段，即一張片材要先后經(jīng)過四個(gè)工段的加工后才能得到制品，也就是冰箱內(nèi)膽。這四個(gè)工段分別是
下面我將分別介紹一下這四個(gè)工段，以使讀者對四工位真空成型機(jī)有一個(gè)大概的了解。
圖1四工位真空成型機(jī)圖樣
上料工位
上料工位用于存放設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)所用的片材（主要是ABS和HIPS兩種熱塑性材料，加工尺寸最大為1860*900mm，最小為1100*535mm），并按照一定的生產(chǎn)工序要求，將片材送到下一工位：預(yù)加熱工位。上料工位主要包括兩部分，一是移載車，二是供給車。移載車做橫向運(yùn)動(dòng)，用于將分布在設(shè)備兩側(cè)的片材放置到供給車上；供給車做縱向運(yùn)動(dòng),用于將片材送到下一工位：預(yù)加熱工位。
預(yù)加熱工位
預(yù)加熱工位用來對從上料工位運(yùn)來的，待加工成型的片材進(jìn)行預(yù)加熱，以使片材能得到初步軟化，并節(jié)省最終加熱時(shí)間，見圖2(a)。對片材加熱所用加熱器為淺野研究所開發(fā)出的快速反應(yīng)加熱器（PAT），這種加熱器以紅外加熱瓦為基本單位，采取了遠(yuǎn)紅外線輻射的方式對塑料進(jìn)行加熱，不需熱傳介質(zhì)傳遞，熱效率良好，并可以根據(jù)加熱狀況和控制條件隨時(shí)調(diào)整發(fā)熱量，節(jié)約電能。
在預(yù)加熱工位，加熱是由上、下加熱器共同作用的，上、下加熱器各有98塊加熱瓦（0.4kw），功率分別為39.2kw。加熱工位片材在預(yù)加熱工位得到了初步的加熱，并有所軟化，在經(jīng)過一定的加熱時(shí)間后，片材進(jìn)入加熱工位。在這里，片材在上、下兩塊加熱器的共同作用下，得到更進(jìn)一步的、深度的加熱。通過這種深度的加熱，可以使片材最終的軟化程度達(dá)到成型的要求，這時(shí)，片材的中間部位軟化最為嚴(yán)重，這個(gè)區(qū)域會(huì)向下彎曲，使得片材形狀呈碗形，參見圖2(b)。
加熱工位所用加熱器與預(yù)加熱工位相同，只是加熱瓦數(shù)量比預(yù)加熱工位更多，功率也比預(yù)加熱工位更大。在加熱工位，上、下加熱器分別有144塊加熱瓦，功率分別為57.6kw。
3.成型定位
加熱工位的下一個(gè)工段是成型工位。片材在經(jīng)過預(yù)加熱工位和加熱工位的加熱，并且片材的軟化程度達(dá)到成型規(guī)定的要求后，將會(huì)在成型工位處得到加工，并最終得到冰箱內(nèi)膽制品。
成型工位部分主要包括上、下平臺，凸、凹模具，以及配套的真空、壓空、冷卻系統(tǒng)等。其中，凸、凹模具能互相吻合，凸模具固定在上平臺，凹模具固定在下平臺上，平臺的移動(dòng)靠液壓系統(tǒng)來控制，模具隨著平臺的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軟化后的片材移動(dòng)到成型工位并固定后，上、下平臺相向運(yùn)動(dòng)，下平臺首先與片材接觸并形成一個(gè)密閉的空間，并抽真空，使得片材進(jìn)一步彎曲，對片材起到預(yù)拉伸的作用，當(dāng)上平臺也與片材接觸并形成密閉空間后，抽真空，同時(shí)下平臺改為充入壓縮氣體，使片材緊貼在模具上，最后冷卻，脫模，得到內(nèi)膽制品。具體成型過程可參見圖2(c)(d)(e)。
2.3控制要求
1.設(shè)備具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種狀態(tài)。
手動(dòng)狀態(tài)下，操作人員可以通過按鈕來控制成型機(jī)的動(dòng)作，如移載車前進(jìn)、
圖2片材成型過程示意圖
后退；供給車前進(jìn)、后退；平臺上升、下降等，手動(dòng)按鈕用于設(shè)備的調(diào)試，以及某些緊急情況下的應(yīng)急處理。
自動(dòng)狀態(tài)是成型機(jī)控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，在自動(dòng)狀態(tài)下，片材的吸取、加熱、成型完全依靠控制器按照設(shè)定的程序來運(yùn)行，不需要人工干預(yù)，即一種完全自動(dòng)化流水線的生產(chǎn)狀態(tài)，操作人員只需在成型工位處將不斷成型的制品取出便可。
2.設(shè)備具有正常停止和緊急停止功能
因?yàn)槌尚蜋C(jī)在運(yùn)行期間采用循環(huán)工作方式，只有在工作結(jié)束時(shí)才能停止，這時(shí)，設(shè)備要能根據(jù)控制器的命令自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行；而緊急停止則用于緊急情況的處理，當(dāng)這一功能生效時(shí)，加熱器、平臺等成型機(jī)所有部件立即停止運(yùn)行。
3.設(shè)備要有報(bào)警功能，當(dāng)設(shè)備發(fā)生聯(lián)鎖故障或是其它嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)要具有聲光報(bào)警，提醒操作人員發(fā)生故障，并能用一定的故障碼來表示一定的故障。
4.通訊系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下要求：
數(shù)字量采集周期0.1s；
模擬量采集周期0.2s；
控制命令響應(yīng)時(shí)間:①控制命令回答響應(yīng)時(shí)間
②接受執(zhí)行命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時(shí)間1s；
③報(bào)警或事件產(chǎn)生到畫面顯示和發(fā)出的響應(yīng)時(shí)間0.5s。
第三章數(shù)控伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
真空成型機(jī)包括四個(gè)工位，即上料、預(yù)加熱、加熱、成型。每一工位片材或成品的移動(dòng)是靠橫貫于這四個(gè)工位的兩條鏈條帶動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)需要片材往前移動(dòng)時(shí)，由鏈條的鏈齒夾住片材向前運(yùn)動(dòng)。在生產(chǎn)中，鏈條的移動(dòng)需要滿足一定的控制要求，如鏈條的控制設(shè)備起動(dòng)及低速運(yùn)行時(shí)要具有較大轉(zhuǎn)矩，過載能力強(qiáng)，具有較寬的調(diào)速范圍，而且要響應(yīng)速度快，能急起急停，準(zhǔn)確定位等。一般通用型的變頻器，即使加編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制，也不能完全滿足上述要求。在這種情況下，采用伺服控制是最佳的選擇，由于伺服電機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的交流異步電機(jī)，伺服控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，控制精度高，響應(yīng)快，伺服系統(tǒng)能較好地滿足系統(tǒng)控制要求。在本系統(tǒng)中選擇的伺服系統(tǒng)是FANUCPowerMate-A-20S，其中，PowerMate-A指的是伺服控制器型號，20S指的是伺服電機(jī)型號，即FANUC公司S系列交流伺服電機(jī)中的20S子系列。
嚴(yán)格意義上來說，在本系統(tǒng)中，鏈條的控制是靠數(shù)控系統(tǒng)來完成的，伺服系統(tǒng)只是數(shù)控系統(tǒng)的一部分，它負(fù)責(zé)將數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床（指鏈條）連接起來，并準(zhǔn)確地執(zhí)行CNC系統(tǒng)發(fā)來的運(yùn)動(dòng)命令，按照要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床（鏈條）。因此，如果說CNC系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，那么，伺服驅(qū)動(dòng)部分便是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，執(zhí)行機(jī)構(gòu)。下面我將結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)簡要介紹數(shù)控和伺服方面的知識。
數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（NumericalControl—NC），是利用數(shù)字化信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法，由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（ComputerizedNumericalControl—CNC），而用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的整體成為數(shù)控系統(tǒng)（NumericalControlSystem），數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部分，數(shù)控機(jī)床在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，自動(dòng)地按給定的程序進(jìn)行機(jī)械零件的加工，在本系統(tǒng)中，表現(xiàn)為鏈條在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，按照要求在合適的時(shí)間，以一定的速度前進(jìn)或后退。
數(shù)控系統(tǒng)由用戶程序、輸入輸出設(shè)備、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（CNC）、可編程控制器（PMC）、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測裝置等組成，其中，數(shù)控裝置（CNC）是數(shù)控系統(tǒng)的核心。如圖3所示為數(shù)控系統(tǒng)基本組成。
圖3數(shù)控系統(tǒng)基本組成
3.1數(shù)控裝置CNC
從自動(dòng)控制的角度來看，數(shù)控系統(tǒng)是一種位置（軌跡）控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量為控制對象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，而CNC則是數(shù)控系統(tǒng)的中央控制器，對于我們的數(shù)控系統(tǒng)來說，F(xiàn)ANUCPowerMate-A便是系統(tǒng)的CNC，只不過PowerMate-A除了包含狹義上的數(shù)控裝置（CNC）外，還將伺服放大器、PMC等集成在了一起，可見圖3所示。
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