德国CNC压机数控系统浅谈与故障分析
摘 要本文以宁波东睦新材料股份集团有限公司使用的德国CNC压机为例，详细说明液压缸的动作过程和液压控制原理。同时阐述液压机CNC控制系统的组成与硬件配置。并以料斗抖动为例案，分析整个闭环控制的原理与影响因素。
【关键词】CNC 伺服控制 闭环控制
CNC压机在液压控制和电气控制系统中与传统的压机的控制方式有显著的区别。它不仅具有顺序逻辑控制功能，更重要的是采用数字指令信号对设备进行运动过程控制。通过其强大的硬件系统与专业软件，实现灵活、精确、复杂的运动。但是CNC压机结构复杂，控制繁杂使许多维修人员无处下手，下面以我公司德国CNC压机为例，阐述部分液压原理和控制系统。
1 压机动作过程和液压原理——以上缸为例
德国CNC压机在上缸运动控制設定中，有多达17项参数。我们以最简单的运动方式：从原始位快速向下——施压至压制位——保压、减压——快速回程以及相应各种阀的控制状况。如图1。
快速向下：首先由1-Y2P调整设定压力；1-Y2S处于打开位置；上下腔处于联通状态，能快速回油；1-Y7处于关闭状态，供油仅在快速缸之间进行；同时打开1-Y3、1-Y4、1-Y5电磁阀，使油路够成回路；再打开伺服阀1-Y1S（P—B，A —T）控制速度与压力。整个上缸的回路见图2。
压制：各阀在原先的状态下，上缸行至开始压制位，1-Y1S伺服阀开口减小，速度减小；然后关闭1-Y2S阀，上缸由快速转为慢速；打开1-Y7对主油缸加压；1-Y1S开口增大，增加上缸压力至设定值。液压图略
保压、减压：关闭1-Y2P，保持腔内压力；伺服阀1-Y1S转置另侧工作位，腔内卸压；液压图略。
快速回程：打开1-Y2P，系统重新建立压力；关闭1-Y7，打开1-Y2S建立快速回油线路；增大1-Y1S（P—A，B —T）伺服阀开口。油路图略。
在这个系统中我们使用到了通断阀、比例阀、伺服阀、卸压阀、插装阀等，以上各阀的动作虽能保证动作进行，但是在动作切换上如何能减少油缸冲击，保证压力，行程到位，都通过传感器、编码器反馈至CNC系统进行运算，再通过伺服控制器、PLC控制各元件。
2 CNC控制系统的组成
CNC控制系统也称为计算机数字控制系统，是以微型计算机为核心构成，其大部分或全部数控功能是通过软件实现的。其系统是软件和硬件组成，其中硬件是基础，软件是灵魂。而压机伺服系统属位置、压力随动系统，以液压缸的直线位移或是伺服阀的开口量为控制目标的自动控制系统。它以CNC装置输出为指令，对伺服阀、比例阀等执行部件进行控制，最终各油缸获得要求的位移、速度和压力。PLC全称为可编程逻辑控制器，是一种顺序逻辑自动控制装置。随着技术的发展，PLC的控制功能已远远超出逻辑控制的范畴，具有强大模拟量运算处理、脉冲控制、远程通讯等功能强大的工业控制计算机。
如图3所示，我公司800吨CNC控制系统采用两级计算机控制系统结构。上位机采用微型计算机，使用SMS MEER公司自己研发的工控软件，实现整个系统的监控和管理。下位机分为两部份：一部分为S7-300系列的PLC，CPU模块为CPU315-2DP，主要对各个输入模块以及总线传来的指令、信号和数据进行运算处理，然后通过输出模块，输出给执行机构，实现需要的动作；另一部分为公司自行设计的CNC装置，实时采集现场的数字量信号和模拟量信号（位置、压力、转角），送入CPU进行处理，然后经转换、计算后输出信号给伺服执行机构。它们三者之间通过PROFIBUX-DP总线形式连接。
3 闭环控制，故障分析
我公司CNC压机上都有完善的位置检测与反馈装置，直接对压机末端执行部件的实际位置进行检测和反馈，并根据指令位置与实际位置的偏差对压机运动进行控制（在力控制模式下，对油缸压力进行检测和反馈，根据设定压力与实际压力的偏差对伺服阀或比例阀的开口进行控制），因此CNC压机运行精度高，动作控制灵活，能做结构复杂的产品，但自身结构复杂，控制要求高，成本很高。
图4，是德国CNC区350压机辅助缸闭环控制的原理图。
微处理器7（E10-D1 CPU）根据通讯卡8（E10-D2 Communication）从上位机传来的参数与CNC卡6（E10-D5 Slave）采集的数据经比较计算，反传信号给CNC卡6，由它输出指令给伺服控制卡9（E13-D8 Servo card AN222）， 再伺服控制卡驱动伺服阀10，推动辅助缸11运动。辅助缸的运动轨迹经磁环1（Magnet）和位置传感器2（position Encoder），通过位置适配卡5（EN252 adapter card）编译后传给CNC卡6，通过CPU与原信号进行比较计算，再发出新的令。同理，如果是力控制模式，则通压力传感器3进行信号反馈。这样，整个运动过程构成一个闭环控制。
从这个闭环控制原理来看，任何一个环节出现问题，都可能导致压机的不正常运行。见图5，这是一个在实际工作中发生故障的案例。前提CNC的计算与处理是正常的，否则CNC坏了，我们在这里讨论闭环控制是没有任何意义。FIsi是料斗实际运行的轨迹，ch1是伺服控制卡发出的信号，ch2是伺服阀反馈信号。首先，我们看到料斗按要求能够移动到位，但是料斗每次向前移动时，有两段抖动信号，停止时信号正常。其次发现控制卡发出信号ch1与反馈信号ch2基本重合，说明伺服阀的随动性良好。由于发出的信号出现锯齿抖动，情况只有一个：发出的信号与CNC采集的信号之间的误差没有趋向性，已超出PDI调节范围，呈现摆动误差。所以我们从反馈回路进行检查，由于料斗属于位置控制，不多时我们发现位置传感器中的磁环1（Magnet）松动。因为磁环的松动导致数据成跳跃性反馈，所以紧固磁环后故障排除。
4 总结
在学习和维修CNC压机时，必须结合液压原理和CNC控制原理。有些问题在液压原理图中能马上反映信息，有些问题分析电气控制原理才能指出液压问题。有些问题则要通过液压原理手动验证电气信号，才能发现问题。
参考文献
[1]德国350吨、800吨CNC压机操作手册.
[2]SMS MEER公司 工程师答疑邮件.
作者单位
宁波东睦新材料集团股份有限公司 浙江省宁波市 315000
