贝加莱系统在高速伺服直驱数控冲床中的应用

文／温展飞·贝加莱工业自动化（中国）有限公司 余蔚，欧阳春·河北沃克曼数控机械有限公司

贝加莱系统在高速伺服直驱数控冲床中的应用

文／温展飞·贝加莱工业自动化（中国）有限公司 余蔚，欧阳春·河北沃克曼数控机械有限公司

中国制造2025规划中有一项非常重要的战略目标，即开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床，而高速伺服直驱数控冲床就是属于这一类型的机床。前几年，国内高速伺服直驱冲床的市场一直被国外公司占领，中国偶有企业投入研发和应用却都没有取得非常好的进展，无论是机械设计，还是数控系统的应用，都与国外产品存在比较大的差距。河北沃克曼数控机械有限公司在已有的技术上进行创新和再设计，针对数控钣金加工行业，对数控系统在软硬件上进行重新选择和设计，最终实现了对同类产品的超越。

产品机械设计

德国工业4.0的一个重要环节是柔性生产，如果要在设备制造企业中实现柔性化的生产，就需要企业在设计、生产和管理的各个环节都最大限度地实现模块化设计。沃克曼高速伺服直驱数控冲床在研发初期就按照这样的要求，对机械结构和控制系统均进行了模块化设计，如图1所示。

机械结构的模块化设计主要体现在：冲头的模块化设计，可以实现冲头的灵活搭配，同时又不会降低机器的可靠性；送料架的模块化设计，可以满足客户对不同工作台面的特殊要求；床身的模块化设计，可以实现对于不同产品的灵活组合；转盘的模块化设计，可以满足客户对不同工艺的应用要求；整体的模块化设计，可以实现生产线的灵活搭配以及联机控制。这些机械结构的模块化设计，使沃克曼高速伺服直驱数控冲床最终满足了客户定制化的要求。

数控系统

目前，市场上大部分的数控系统都是封闭式数控系统，无法满足产品模块化设计的要求。来自欧洲的贝加莱工业自动化数控系统不仅在硬件上采用了模块化设计思路，而且在软件上也实现了模块化的设计，非常契合数控转塔冲床柔性生产的设计要求。贝加莱工业自动化公司的数控系统是一个完全开放的数控系统，河北沃克曼公司充分理解了该系统的核心算法和核心控制软件，为产品的升级和新产品的开发打下了良好的基础。

在架构设计上，贝加莱工业自动化的数控系统采用了软件与硬件脱离的架构模式，如图2所示，最终实现了PLC、工业PC等控制器与数控系统的分离，并实现了伺服电机、液压元件等执行机构与数控系统的分离，可以按配置要求进行灵活组合。

贝加莱数控系统的运行过程与机床逻辑以及数据计算均运行在同一个系统中，如图3所示，CNC与人机界面（HMI）及其他的任何任务（TC）均处于同一任务等级和任务周期中，使得各种数据的实时交换得以实现，通过数据的分析和应用来完成比较复杂的功能，如，针对刀具信息的实时更改，根据当前机床所使用刀具的工艺要求，对冲头、X轴和Y轴实现加速和减速的实时调整；根据X、Y轴行程计算实现丝杠的定期维护；根据系统对各个刀具使用信息的处理，实现刀具的定期维护，使用户实现灵活管理。在组建智慧工厂和智能生产系统时，可以实现各种数据的上传和命令的执行，为工业互联网的实现提供了信息基础。

控制总线

当今的主流现场总线都是采用以太网作为物理层的，市场上比较流行的实时以太网有POWERLINK、PROFINET、SERCOS III、Ethernet/IP、EtherCAT，这五种总线各有千秋，但依据现场控制的可靠性、实时性和高效性要求，POWERLINK有其独特的优势，POWERLINK的运动控制和实时数据都比较强大，能够实现控制层数据与执行机构数据的实时同步，保证了整个控制的准确和实时，对系统的精度和速度都有比较好的保证。贝加莱系统的控制网络采用POWERLINK的实时以太网，使数据能够实时准确的传递到底层的执行机构中。

伺服系统

高速伺服直驱数控冲床对伺服系统的要求非常高，主要体现在高可靠性、高动态性、高稳定性、高灵活性等方面。数控冲床常用的传动机构是丝杠，由于丝杠的刚度较小、长度较大，使其挠度也较大，这些特性对伺服系统的要求均比较高。同时，在不同位置时，丝杠的挠度对于负载的影响都不一样，这就要求伺服系统对负载有自适应功能，能够根据不同负载来调整输出，保证冲床高速度和高精度的要求。

贝加莱的伺服系统采用POWERLINK作为系统总线，能够快速和高效地响应控制器的命令，并且伺服驱动器有比较齐全的算法控制，例如前馈控制、扰动补偿、自动滤波等功能。根据丝杠的波特曲线，我们采用了Biquad滤波的方法，有效的消除了系统的共振频率和截止频率，极大地提高了整个机床的速度和精度。另外，贝加莱的伺服系统可对负载进行建模，这一功能将会逐步应用到高速伺服直驱数控冲床上，以大幅提高机床的速度。

直驱技术

高速伺服直驱数控冲床采用直驱技术来驱动执行机构的运行，这对直驱技术的可靠性提出了特别高的要求，河北沃克曼数控机械有限公司经过攻坚和验证，提高了直驱技术的可靠性，并达到了国际先进水平。

沃克曼高速伺服直驱数控冲床采用模块化的机械设计，并配合贝加莱数控系统，整体提高了机床的精度和速度，使客户产品实现定制化。