數(shù)控伺服技術(shù)在真空成型機自控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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真空成型機是一種采用熱成型工藝對冰箱內(nèi)膽進行加工生產(chǎn)的大型設(shè)備。成型機的設(shè)計和制造在它的生產(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、氣壓液壓傳動以及機械傳動等多學(xué)科的知識，成型機是多學(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。雖然我國也能進行成型機的設(shè)計和生產(chǎn)，但是在設(shè)備的自動化程度、安全性、穩(wěn)定性和速度等指標上還遠達不到歐美日等國家的水平，這使得國內(nèi)高端成型機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。
針對當前我國各行各業(yè)雖然比較齊全，但是設(shè)計水平還不是很高的現(xiàn)狀，國家提出了建設(shè)創(chuàng)新型社會的號召，鼓勵對于國外先進技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，以改變我國各行業(yè)大而不強的面貌。本項目的實施和本文的最終完成就是在這種大環(huán)境下進行的。本文重點并詳細介紹了真空成型機控制系統(tǒng)中傳動部分的控制方法。
第二章工藝流程及控制要求
真空成型機是對薄軟非金屬材料（主要是熱塑性塑料）用模具進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。由于真空成型機體型龐大、工藝復(fù)雜，并且涉及到電氣、機械、氣壓與液壓傳動等多學(xué)科的知識，使得成型機具有投資大、控制難度高、維護要求高等特點。目前高質(zhì)量的真空成型機主要依賴進口。
如圖1所示為四工位真空成型機。
四工位真空成型機，“四工位”我們可以理解為四個工段，即一張片材要先后經(jīng)過四個工段的加工后才能得到制品，也就是冰箱內(nèi)膽。這四個工段分別是
下面我將分別介紹一下這四個工段，以使讀者對四工位真空成型機有一個大概的了解。
圖1四工位真空成型機圖樣
上料工位
上料工位用于存放設(shè)備進行生產(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。移載車做橫向運動，用于將分布在設(shè)備兩側(cè)的片材放置到供給車上；供給車做縱向運動,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來的，待加工成型的片材進行預(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，采取了遠紅外線輻射的方式對塑料進行加熱，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)過一定的加熱時間后，片材進入加熱工位。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到成型的要求，這時，片材的中間部位軟化最為嚴重，這個區(qū)域會向下彎曲，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到成型規(guī)定的要求后，將會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，平臺的移動靠液壓系統(tǒng)來控制，模具隨著平臺的運動而運動。當軟化后的片材移動到成型工位并固定后，上、下平臺相向運動，下平臺首先與片材接觸并形成一個密閉的空間，并抽真空，使得片材進一步彎曲，對片材起到預(yù)拉伸的作用，當上平臺也與片材接觸并形成密閉空間后，抽真空，同時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)備具有手動和自動兩種狀態(tài)。
手動狀態(tài)下，操作人員可以通過按鈕來控制成型機的動作，如移載車前進、
圖2片材成型過程示意圖
后退；供給車前進、后退；平臺上升、下降等，手動按鈕用于設(shè)備的調(diào)試，以及某些緊急情況下的應(yīng)急處理。
自動狀態(tài)是成型機控制系統(tǒng)的主要運行方式，在自動狀態(tài)下，片材的吸取、加熱、成型完全依靠控制器按照設(shè)定的程序來運行，不需要人工干預(yù)，即一種完全自動化流水線的生產(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
因為成型機在運行期間采用循環(huán)工作方式，只有在工作結(jié)束時才能停止，這時，設(shè)備要能根據(jù)控制器的命令自動停止系統(tǒng)運行；而緊急停止則用于緊急情況的處理，當這一功能生效時，加熱器、平臺等成型機所有部件立即停止運行。
3.設(shè)備要有報警功能，當設(shè)備發(fā)生聯(lián)鎖故障或是其它嚴重錯誤時，系統(tǒng)要具有聲光報警，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)時間:①控制命令回答響應(yīng)時間
②接受執(zhí)行命令到執(zhí)行控制的響應(yīng)時間1s；
?、蹐缶蚴录a(chǎn)生到畫面顯示和發(fā)出的響應(yīng)時間0.5s。
第三章數(shù)控伺服系統(tǒng)設(shè)計
真空成型機包括四個工位，即上料、預(yù)加熱、加熱、成型。每一工位片材或成品的移動是靠橫貫于這四個工位的兩條鏈條帶動來實現(xiàn)的，當需要片材往前移動時，由鏈條的鏈齒夾住片材向前運動。在生產(chǎn)中，鏈條的移動需要滿足一定的控制要求，如鏈條的控制設(shè)備起動及低速運行時要具有較大轉(zhuǎn)矩，過載能力強，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，由于伺服電機的材料、結(jié)構(gòu)和加工工藝要遠遠高于一般的交流異步電機，伺服控制系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，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指的是伺服電機型號，即FANUC公司S系列交流伺服電機中的20S子系列。
嚴格意義上來說，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，它負責將數(shù)控系統(tǒng)與機床（指鏈條）連接起來，并準確地執(zhí)行CNC系統(tǒng)發(fā)來的運動命令，按照要求驅(qū)動機床（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)動部分便是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，執(zhí)行機構(gòu)。下面我將結(jié)合實際系統(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)字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法，由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機進行控制，因此，也可稱為計算機數(shù)控（ComputerizedNumericalControl—CNC），而用來實現(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)控機床的核心部分，數(shù)控機床在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，自動地按給定的程序進行機械零件的加工，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間，以一定的速度前進或后退。
數(shù)控系統(tǒng)由用戶程序、輸入輸出設(shè)備、計算機數(shù)控裝置（CNC）、可編程控制器（PMC）、主軸驅(qū)動裝置和進給驅(qū)動裝置、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(各運動軸)的位移量為控制對象并使其協(xié)調(diào)運動的自動控制系統(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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