貝加萊系統(tǒng)在高速伺服直驅數(shù)控沖床中的應用

文／溫展飛·貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司 余蔚，歐陽春·河北沃克曼數(shù)控機械有限公司

貝加萊系統(tǒng)在高速伺服直驅數(shù)控沖床中的應用

文／溫展飛·貝加萊工業(yè)自動化（中國）有限公司 余蔚，歐陽春·河北沃克曼數(shù)控機械有限公司

中國制造2025規(guī)劃中有一項非常重要的戰(zhàn)略目標，即開發(fā)一批精密、高速、高效、柔性數(shù)控機床，而高速伺服直驅數(shù)控沖床就是屬于這一類型的機床。前幾年，國內高速伺服直驅沖床的市場一直被國外公司占領，中國偶有企業(yè)投入研發(fā)和應用卻都沒有取得非常好的進展，無論是機械設計，還是數(shù)控系統(tǒng)的應用，都與國外產(chǎn)品存在比較大的差距。河北沃克曼數(shù)控機械有限公司在已有的技術上進行創(chuàng)新和再設計，針對數(shù)控鈑金加工行業(yè)，對數(shù)控系統(tǒng)在軟硬件上進行重新選擇和設計，最終實現(xiàn)了對同類產(chǎn)品的超越。

產(chǎn)品機械設計

德國工業(yè)4.0的一個重要環(huán)節(jié)是柔性生產(chǎn)，如果要在設備制造企業(yè)中實現(xiàn)柔性化的生產(chǎn)，就需要企業(yè)在設計、生產(chǎn)和管理的各個環(huán)節(jié)都最大限度地實現(xiàn)模塊化設計。沃克曼高速伺服直驅數(shù)控沖床在研發(fā)初期就按照這樣的要求，對機械結構和控制系統(tǒng)均進行了模塊化設計，如圖1所示。

機械結構的模塊化設計主要體現(xiàn)在：沖頭的模塊化設計，可以實現(xiàn)沖頭的靈活搭配，同時又不會降低機器的可靠性；送料架的模塊化設計，可以滿足客戶對不同工作臺面的特殊要求；床身的模塊化設計，可以實現(xiàn)對于不同產(chǎn)品的靈活組合；轉盤的模塊化設計，可以滿足客戶對不同工藝的應用要求；整體的模塊化設計，可以實現(xiàn)生產(chǎn)線的靈活搭配以及聯(lián)機控制。這些機械結構的模塊化設計，使沃克曼高速伺服直驅數(shù)控沖床最終滿足了客戶定制化的要求。

數(shù)控系統(tǒng)

目前，市場上大部分的數(shù)控系統(tǒng)都是封閉式數(shù)控系統(tǒng)，無法滿足產(chǎn)品模塊化設計的要求。來自歐洲的貝加萊工業(yè)自動化數(shù)控系統(tǒng)不僅在硬件上采用了模塊化設計思路，而且在軟件上也實現(xiàn)了模塊化的設計，非常契合數(shù)控轉塔沖床柔性生產(chǎn)的設計要求。貝加萊工業(yè)自動化公司的數(shù)控系統(tǒng)是一個完全開放的數(shù)控系統(tǒng)，河北沃克曼公司充分理解了該系統(tǒng)的核心算法和核心控制軟件，為產(chǎn)品的升級和新產(chǎn)品的開發(fā)打下了良好的基礎。

在架構設計上，貝加萊工業(yè)自動化的數(shù)控系統(tǒng)采用了軟件與硬件脫離的架構模式，如圖2所示，最終實現(xiàn)了PLC、工業(yè)PC等控制器與數(shù)控系統(tǒng)的分離，并實現(xiàn)了伺服電機、液壓元件等執(zhí)行機構與數(shù)控系統(tǒng)的分離，可以按配置要求進行靈活組合。

貝加萊數(shù)控系統(tǒng)的運行過程與機床邏輯以及數(shù)據(jù)計算均運行在同一個系統(tǒng)中，如圖3所示，CNC與人機界面（HMI）及其他的任何任務（TC）均處于同一任務等級和任務周期中，使得各種數(shù)據(jù)的實時交換得以實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)的分析和應用來完成比較復雜的功能，如，針對刀具信息的實時更改，根據(jù)當前機床所使用刀具的工藝要求，對沖頭、X軸和Y軸實現(xiàn)加速和減速的實時調整；根據(jù)X、Y軸行程計算實現(xiàn)絲杠的定期維護；根據(jù)系統(tǒng)對各個刀具使用信息的處理，實現(xiàn)刀具的定期維護，使用戶實現(xiàn)靈活管理。在組建智慧工廠和智能生產(chǎn)系統(tǒng)時，可以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的上傳和命令的執(zhí)行，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供了信息基礎。

控制總線

當今的主流現(xiàn)場總線都是采用以太網(wǎng)作為物理層的，市場上比較流行的實時以太網(wǎng)有POWERLINK、PROFINET、SERCOS III、Ethernet/IP、EtherCAT，這五種總線各有千秋，但依據(jù)現(xiàn)場控制的可靠性、實時性和高效性要求，POWERLINK有其獨特的優(yōu)勢，POWERLINK的運動控制和實時數(shù)據(jù)都比較強大，能夠實現(xiàn)控制層數(shù)據(jù)與執(zhí)行機構數(shù)據(jù)的實時同步，保證了整個控制的準確和實時，對系統(tǒng)的精度和速度都有比較好的保證。貝加萊系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡采用POWERLINK的實時以太網(wǎng)，使數(shù)據(jù)能夠實時準確的傳遞到底層的執(zhí)行機構中。

伺服系統(tǒng)

高速伺服直驅數(shù)控沖床對伺服系統(tǒng)的要求非常高，主要體現(xiàn)在高可靠性、高動態(tài)性、高穩(wěn)定性、高靈活性等方面。數(shù)控沖床常用的傳動機構是絲杠，由于絲杠的剛度較小、長度較大，使其撓度也較大，這些特性對伺服系統(tǒng)的要求均比較高。同時，在不同位置時，絲杠的撓度對于負載的影響都不一樣，這就要求伺服系統(tǒng)對負載有自適應功能，能夠根據(jù)不同負載來調整輸出，保證沖床高速度和高精度的要求。

貝加萊的伺服系統(tǒng)采用POWERLINK作為系統(tǒng)總線，能夠快速和高效地響應控制器的命令，并且伺服驅動器有比較齊全的算法控制，例如前饋控制、擾動補償、自動濾波等功能。根據(jù)絲杠的波特曲線，我們采用了Biquad濾波的方法，有效的消除了系統(tǒng)的共振頻率和截止頻率，極大地提高了整個機床的速度和精度。另外，貝加萊的伺服系統(tǒng)可對負載進行建模，這一功能將會逐步應用到高速伺服直驅數(shù)控沖床上，以大幅提高機床的速度。

直驅技術

高速伺服直驅數(shù)控沖床采用直驅技術來驅動執(zhí)行機構的運行，這對直驅技術的可靠性提出了特別高的要求，河北沃克曼數(shù)控機械有限公司經(jīng)過攻堅和驗證，提高了直驅技術的可靠性，并達到了國際先進水平。

沃克曼高速伺服直驅數(shù)控沖床采用模塊化的機械設計，并配合貝加萊數(shù)控系統(tǒng)，整體提高了機床的精度和速度，使客戶產(chǎn)品實現(xiàn)定制化。