德國CNC壓機數控系統淺談與故障分析

項波

摘 要本文以寧波東睦新材料股份集團有限公司使用的德國CNC壓機為例，詳細說明液壓缸的動作過程和液壓控制原理。同時闡述液壓機CNC控制系統的組成與硬件配置。并以料斗抖動為例案，分析整個閉環控制的原理與影響因素。

【關鍵詞】CNC 伺服控制 閉環控制

CNC壓機在液壓控制和電氣控制系統中與傳統的壓機的控制方式有顯著的區別。它不僅具有順序邏輯控制功能，更重要的是采用數字指令信號對設備進行運動過程控制。通過其強大的硬件系統與專業軟件，實現靈活、精確、復雜的運動。但是CNC壓機結構復雜，控制繁雜使許多維修人員無處下手，下面以我公司德國CNC壓機為例，闡述部分液壓原理和控制系統。

1 壓機動作過程和液壓原理——以上缸為例

德國CNC壓機在上缸運動控制設定中，有多達17項參數。我們以最簡單的運動方式：從原始位快速向下——施壓至壓制位——保壓、減壓——快速回程以及相應各種閥的控制狀況。如圖1。

快速向下：首先由1-Y2P調整設定壓力；1-Y2S處于打開位置；上下腔處于聯通狀態，能快速回油；1-Y7處于關閉狀態，供油僅在快速缸之間進行；同時打開1-Y3、1-Y4、1-Y5電磁閥，使油路夠成回路；再打開伺服閥1-Y1S（P—B，A —T）控制速度與壓力。整個上缸的回路見圖2。

壓制：各閥在原先的狀態下，上缸行至開始壓制位，1-Y1S伺服閥開口減小，速度減小；然后關閉1-Y2S閥，上缸由快速轉為慢速；打開1-Y7對主油缸加壓；1-Y1S開口增大，增加上缸壓力至設定值。液壓圖略

保壓、減壓：關閉1-Y2P，保持腔內壓力；伺服閥1-Y1S轉置另側工作位，腔內卸壓；液壓圖略。

快速回程：打開1-Y2P，系統重新建立壓力；關閉1-Y7，打開1-Y2S建立快速回油線路；增大1-Y1S（P—A，B —T）伺服閥開口。油路圖略。

在這個系統中我們使用到了通斷閥、比例閥、伺服閥、卸壓閥、插裝閥等，以上各閥的動作雖能保證動作進行，但是在動作切換上如何能減少油缸沖擊，保證壓力，行程到位，都通過傳感器、編碼器反饋至CNC系統進行運算，再通過伺服控制器、PLC控制各元件。

2 CNC控制系統的組成

CNC控制系統也稱為計算機數字控制系統，是以微型計算機為核心構成，其大部分或全部數控功能是通過軟件實現的。其系統是軟件和硬件組成，其中硬件是基礎，軟件是靈魂。而壓機伺服系統屬位置、壓力隨動系統，以液壓缸的直線位移或是伺服閥的開口量為控制目標的自動控制系統。它以CNC裝置輸出為指令，對伺服閥、比例閥等執行部件進行控制，最終各油缸獲得要求的位移、速度和壓力。PLC全稱為可編程邏輯控制器，是一種順序邏輯自動控制裝置。隨著技術的發展，PLC的控制功能已遠遠超出邏輯控制的范疇，具有強大模擬量運算處理、脈沖控制、遠程通訊等功能強大的工業控制計算機。

如圖3所示，我公司800噸CNC控制系統采用兩級計算機控制系統結構。上位機采用微型計算機，使用SMS MEER公司自己研發的工控軟件，實現整個系統的監控和管理。下位機分為兩部份：一部分為S7-300系列的PLC，CPU模塊為CPU315-2DP，主要對各個輸入模塊以及總線傳來的指令、信號和數據進行運算處理，然后通過輸出模塊，輸出給執行機構，實現需要的動作；另一部分為公司自行設計的CNC裝置，實時采集現場的數字量信號和模擬量信號（位置、壓力、轉角），送入CPU進行處理，然后經轉換、計算后輸出信號給伺服執行機構。它們三者之間通過PROFIBUX-DP總線形式連接。

3 閉環控制，故障分析

我公司CNC壓機上都有完善的位置檢測與反饋裝置，直接對壓機末端執行部件的實際位置進行檢測和反饋，并根據指令位置與實際位置的偏差對壓機運動進行控制（在力控制模式下，對油缸壓力進行檢測和反饋，根據設定壓力與實際壓力的偏差對伺服閥或比例閥的開口進行控制），因此CNC壓機運行精度高，動作控制靈活，能做結構復雜的產品，但自身結構復雜，控制要求高，成本很高。

圖4，是德國CNC區350壓機輔助缸閉環控制的原理圖。

微處理器7（E10-D1 CPU）根據通訊卡8（E10-D2 Communication）從上位機傳來的參數與CNC卡6（E10-D5 Slave）采集的數據經比較計算，反傳信號給CNC卡6，由它輸出指令給伺服控制卡9（E13-D8 Servo card AN222）， 再伺服控制卡驅動伺服閥10，推動輔助缸11運動。輔助缸的運動軌跡經磁環1（Magnet）和位置傳感器2（position Encoder），通過位置適配卡5（EN252 adapter card）編譯后傳給CNC卡6，通過CPU與原信號進行比較計算，再發出新的令。同理，如果是力控制模式，則通壓力傳感器3進行信號反饋。這樣，整個運動過程構成一個閉環控制。

從這個閉環控制原理來看，任何一個環節出現問題，都可能導致壓機的不正常運行。見圖5，這是一個在實際工作中發生故障的案例。前提CNC的計算與處理是正常的，否則CNC壞了，我們在這里討論閉環控制是沒有任何意義。FIsi是料斗實際運行的軌跡，ch1是伺服控制卡發出的信號，ch2是伺服閥反饋信號。首先，我們看到料斗按要求能夠移動到位，但是料斗每次向前移動時，有兩段抖動信號，停止時信號正常。其次發現控制卡發出信號ch1與反饋信號ch2基本重合，說明伺服閥的隨動性良好。由于發出的信號出現鋸齒抖動，情況只有一個：發出的信號與CNC采集的信號之間的誤差沒有趨向性，已超出PDI調節范圍，呈現擺動誤差。所以我們從反饋回路進行檢查，由于料斗屬于位置控制，不多時我們發現位置傳感器中的磁環1（Magnet）松動。因為磁環的松動導致數據成跳躍性反饋，所以緊固磁環后故障排除。

4 總結

在學習和維修CNC壓機時，必須結合液壓原理和CNC控制原理。有些問題在液壓原理圖中能馬上反映信息，有些問題分析電氣控制原理才能指出液壓問題。有些問題則要通過液壓原理手動驗證電氣信號，才能發現問題。

參考文獻

[1]德國350噸、800噸CNC壓機操作手冊.

[2]SMS MEER公司 工程師答疑郵件.

作者單位

寧波東睦新材料集團股份有限公司 浙江省寧波市 315000