专利名称：多轴油压折床的平衡定位控制方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明有关一种油压折床，主要提供一种多轴油压折床的平衡定位控制方法和装置。
折床定位控制的目的，是希望折床折压铁板时，除了精度要求准确之外，各轴也能相互保持平衡，且由于折压铁板时，铁板呈塑性变形，所以也不允许有超越现象(O vershoot)产生。由于折床大多设有双轴，甚至多轴的油压缸，如图1所示，图中1a,1b即为双轴油压缸，而2a,2b为光学尺，3为折床中座，4为油压折刀，5为铁板，b为下模，本系统是一个较复杂的多输入多输出(MI MO)的非线性系统，各油压缸除了可直接影响本身的动作之外，也会间接的影响其它轴的动作；因此，必须考虑到各轴间耦合的问题。但若以传统的比例积分微分(PID)控制器来进行对多轴油压缸的控制，则存在下列问题一、由于PID控制器是属于一种单输入单输出(SISO)的控制器，面对折床多轴的多输入输出的情况，PID控制器并不便使用。二、PID控制器本身是一种线性控制器(Linear Controller)，而油压系统是一种非线性系统(NonLinear System)，且负载并随折压铁板厚度不同而有所变化。因此习知折床多轴油压缸的开回路电压速度控制方式，只能对误差范围小的各轴油压缸作平衡控制，而且容易产生超越现象。
由上述习知PID控制器进行对折床多轴油压缸的控制所存在的问题，本发明针对电脑数控(CNC)折床设计了一套定位平衡控制方法与装置。
本发明的目的在于提供一种增益计划表比例积分微分控制器(GainSchedule PID Controller)，针对不同的线性区域做适当控制的多轴油压折床平衡定位控制方法和装置；本发明的另一目的，为提供一种平衡增益补偿及预校正平衡补偿的方法，以克服各轴运动时所产生的耦合现象，防止不平衡现象的发生的多轴油压折床平衡定位控制方法和装置；本发明的又一目的，为提供一种目标追寻的方法来绝对抑制超越现象产生的多轴油压折床平衡定位控制方法和装置；本发明的再一目的，为提供一种根据压力计算公式，克服因不同板厚造成不同负载影响的多轴油压折床平衡定位控制方法和装置。
本发明的多轴油压折床平衡定位控制方法，是使用一种增益计划表比例积分微分控制器(Gain Schedule PID Controller)，作速度规划、PID循迹控制(PID Tracking)，以绝对抑制超越现象的产生，针对多轴油压折床的不同线性区域做适当的高精度平衡定位控制；并提供一种平衡增益补偿及预校正平衡补偿的方法来克服各轴运动时产生的耦合现象，防止不平衡现象的发生；也提供一种压力计算公式，克服因不同板厚造成不同负载的影响。
本发明的多轴油压折床高精度平衡定位控制装置，包括油压驱动模组，以油压作为动力，各油压缸带动油压折刀执行折压动作；运动驱动模组，以电动机驱动折床折压铁板的后规动作；面板人机模组，由人机介面及面板所组成，以供使用者操作；控制模组，执行各项控制程序，包括电动机定位控制、多轴油压折床平衡定位控制、折床程序控制；输出入模组，以进行数据的输出、输入。
所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为工业电脑，所述增益补偿装置包括增益计划表比例积分微分控制器及预校正平衡补偿装置。
所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为数字讯号处理机。
所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为场式可编程门阵列。
所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为一集成电路。
配合所附图及实施例，对本发明的方法及装置详细说明如下
图1为一般带有双轴油压缸的折床示意图；图2a为本发明的油压折床控制器的方框示意图；图2b为图2a的油压折床控制器以工业电脑为控制机构的示意图；图3a为使用速度规划曲线图；图3b为路径加减速规划曲线图；图3c为根据图3b的规划曲线，制成增益计划表比例积分微分控制器进行不同区段比例积分微分控制示意图；图4a为双轴不同步状态的示意图；图4b为平衡增益补偿装置控制示意图；图5为预校正平衡补偿示意图；图6为计算折压负载各参数示意图。
本发明的多轴油压折床高精度平衡定位控制装置，其控制器7如图2a所示，包括有油压驱动模组8、运动驱动模组9、人机模组10、控制模组11和输出入模组12。若用工业电脑作为控制机构，则其硬件可如图2b所示，其中电脑13配置的索引顺序存取(ISA)数据总线，接有油压驱动模组8，以油压作动力，油压缸带动油压折刀执行折压动作，而整个油路由油压方向阀14、油压比例流量/压力伺服阀15、光学线性编码器16、飞轮17等元件来驱动所有的折刀动作；运动驱动模组9，以电动机驱动折床折压铁板的后规动作，由电动机18、电动机编码器19、驱动器(未显示)等组成，电动机转动通过正时皮带带动滚珠螺杆，而后规固定于滚珠螺杆上，后规的位置可由电动机编码器19读回的数据经换算而来；面板人机模组10，是由人机介面20及面板组成；控制模组11，即是以工业电脑为主，执行各项控制程序，包括电动机定位控制21、多轴油压折床平衡定位控制22、折床程序控制23等；输出入模组12，执行数据的输出入，如油压方向阀14及警报或警示灯号等。
于上实施例中控制器7的控制模组11是以工业电脑为控制机构，但是亦可改用数字讯号处理(DSP)机构方式，或场式可编号门阵列(FPGA)机构方式，或特殊应用集成电路(ASIC)机构方式来完成。
本发明的多轴油压折床平衡定位控制方法，提供一种增益计划表比例积分微分控制器(Gain Schedule PID Controller)，针对不同线性区域做适当的控制。此增益计划表比例积分微分控制器的制作方法为(1)首先作速度规划，于油压控制过程中，为使下折的时间不会太长，通常将整个行程规划为快速区及慢速区，如图3a所示，分为快速区24，慢速区25，而各区域的速度是由使用者来设定的，设定了快速区及慢速区之后，由于油压的动作是利用油来带动，速度的变化不能太剧烈，因此如图3b所示，在快速区24至慢速区25之间，设有减速段26，及在慢速区25至停止之间，设有减速段27，来缓和速度的变化。
于作好速度规划后，步骤(2)须作PID循迹控制(PID Tracking)，首先将速度命令转为位置命令，其函数关系式如下表示POS-CMD=VEL2POS(INIT-POS,SPEED,DELTA-T)......(1)或POS-CMD=INIT-POS+SPEED*DELTA-T......(1’)其中VEL2POS速度位置转换POS-CMD位置命令INIT-POS初始位置SPEED速度命令DELTA-T控制的周期时间然后将位置命令与光学尺(图1中2a,2b)回馈回来的位置作比较ERROR=POS-CMD-NOW-POS......(2)其中ERROR误差量NOW-POS目前位置PID控制器作即时计算出输出控制量，控制各轴比例流量阀来达到循迹的目的，其关系式如下U=PID(ERROR,SUM(ERROR),DELTA-ERROR,P,I,D)......(3)或U=ERROR*P+SUM(ERROR)*I+DELTA-ERROR*D......(3′)其中PIDPID控制器U输出控制量P比例增益I积分增益D微分增益SUM(ERROR)误差累积DELTA-ERROR误差变化此循迹控制目标追寻的方法可绝对抑制超越现象的产生。
于完成循迹控制(PID Tracking)后，于步骤(3)完成此增益计划表比例积分微分(PID)控制。因为PID控制器是一种线性控制器，其协调的参数并不能提供全程折压过程使用，但其有运算简单、节省计算时间的优点，因此本方法利用其来克服不同速度下需要不同增益的问题。如图3c所示，于此实施例中参数的协调可分为三部分，一是当位于快速区时，控制要求动作顺畅，要用较小增益完成，因此可将快速区24和减速段26划分为第-PID段(PIDI)；二是位于慢速区时，控制要求除动作顺畅外，精度也需准确，要用较大增益来完成，因此可将慢速区25划分为第二PID段(PID2)；三是当位于慢速减速段时，其控制要求精度绝对准确，所以要用最大增位置来完成，因此可将减速段27划分为第三PID段(PID3)。如此完成的增益计划表比例积分微分(PID)控制器，可以确保折床动作行程中的顺畅及定位时的精度，且运算也不会太复杂。
本发明的多轴油压折床平衡定位控制方法，亦提供一种平衡增益补偿及预校正平衡补偿的方法来克服各轴运动时所产生的耦合现象，防止不平衡现象的产生。因为在控制油压缸的过程中，上述增益计划表比例积分微分控制方法是针对单轴的定位控制，但是折床通常是双轴，甚至多轴系统，各轴因带动同一个中座，所以各轴皆会彼此牵动，互相影响。折床的控制要求必须各轴同步到达折压的位置，但是有三个因素会造成各轴不同步；一是各轴的油压缸及油压阀的特性不同；二是各轴外在干扰不同，例如摩擦力；三是各轴起始位置不同。所以控制要求同时到达定位，若各轴以单轴输入单输出(SISO)控制方法，显然不能完全达到折床的控制要求。有鉴于此，本折床控制方法设计出两种平衡增益补偿的方法来分别克服因两油压缸受到不同的外在干扰及起始位置不同所造成的不同步情况。以平衡增益补偿装置来克服因两油压缸因本身特性不同及外在干扰所造成的不平衡现象；另以预校正平衡补偿装置来克服因运动起始位置不同所造成的不平衡现象。
平衡增益补偿的方法实施例请参照图4a与图4b所示，图4a中双轴不同步的状态Y1、Y2分别表示双轴距离目标物28的位置，ΔY=Y1-Y2为其位置差。此方法是两轴依彼此位置差异相互等待或追寻的方式，在运动过程中即时作较正，通过两轴差异，来即时校正双轴的输出控制量达到同步。如图4b所示，双轴折床的第一轴系统29，第一轴的增益计划表PID控制器为30,31为双轴折床的第二轴系统，32为第二轴的增益计划表PID控制器，而33为第一轴系统与第二轴系统之间耦接的平衡增益补偿装置。当第一轴的位置Y1与第二轴的位置Y2输入至平衡增益补偿装置33时，由其位置的差值ΔY而能够由该平衡增益补偿装置33计算而对第一轴或第二轴的速度作适当即时的平衡增益补偿，来即时的校正双轴的输出控制量，以达到同步。其中U1、U2为第一轴与第二轴的速度命令。
但是上述平衡增益补偿方法仅适合用于同步误差较小的情况，譬如各轴受外在干扰及油压缸特性不同。若两轴因起始位置不同，而造成误差过大，则会因彼此等待及追寻的补偿动作过大，而产生震动，因此必须利用预校正平衡补偿装置，将较大误差预先加以补偿，以下说明其方法。
图5为预校正平衡补偿装置的示意图，其中Y1为第一轴目前位置与目标值的距离，Y2为第二轴目前位置与目标值的距离，Yn为第n轴目前位置与目标值的距离，V为使用者设定的速度，V1为第一轴经修正的速度，V2为第二轴经修正的速度，Vn为第n轴经修正的速度，34为预校正平衡补偿装置(PRE-BALANCE)。由于油压缸开始运动V1=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)......(4)V2=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)......(5)或设定为，若Y1＞Y2，V1=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V......(4’)V2=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V*Y1/Y2......(5’)若Y1＜Y2，V1=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V*Y2/Y1......(4”)V2=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V......(5”)此方法是依各轴起始位置至目标位置之间的距离，比例调整各轴运动速度，使各轴在行程中平衡补偿的范围可以很大。因补偿方式是根据动作预先分配各轴速度的方式，因此适合补偿非常大的误差，但不会因彼此的追寻等待而发生震动的情况。
面对不同的负载，折床控制必须加以考虑，首先了解负载变化的原因是来自折床折压不同板厚的铁板时，所承受不同的负载，而负载本身与板厚有关，本方法对于变异负载处理，将参考板厚、板长、材料及下模宽度来计算正确的折压压力。如图6所示，图中d1为板长、d2为板厚、d3为下模宽度，其关系式如下所示PRESSURE(STRESS-MATERIAL,THICKNESS,LENGTH,MOLD-WIDTH)...(5)或PRESSURE=GAIN*STRESS-MATERIAL*d2*d2*dl/d3(5’)其中PRESSURE折压压力STRESS-MATERIAL材料压力LENGTH(d1)板长THICKNESS(d2)板厚MOLD-WIDTH(d3)下模宽度GAIN加权数本发明的效果如下由以上各实施例可知，本发明的多轴油压折床高精度平衡定位控制方法与装置，以平衡补偿方式作闭回路循迹控制，可对误差量大的多轴行平衡控制，可兼顾到多轴特性不同所造成的不平衡，而达到高精度且无超越现象发生的控制。
权利要求
1．一种多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，包括油压驱动模组，以油压作为动力，各油压缸带动油压折刀执行折压动作；运动驱动模组，以电动机驱动折床折压铁板的后规动作；面板人机模组，包括人机介面及面板；控制模组，执行各项控制程序，包括电动机定位控制、平衡定位控制、折床程序控制；平衡定位控制由平衡增益补偿装置完成；输出入模组，做数据的输出入动作。
2．根据权利要求1所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为工业电脑，所述增益补偿装置包括增益计划表比例积分微分控制器及预校正平衡补偿装置。
3．根据权利要求1所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为数字讯号处理机。
4．根据权利要求1所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为场式可编程门阵列。
5．根据权利要求1所述的多轴油压折床的平衡定位控制装置，其特征在于，所述控制模组为一集成电路。
6．一种适于权利要求1～5装置用的多轴油压折床的平衡定位控制方法，所述增益计划表比例积分微分控制器，针对折压过程不同的线性区域进行控制，此增益计划表比例积分微分控制器的控制步骤包括a．首先作速度规划，于油压控制过程中，将整个行程规划为快速区及慢速区，在快速区至慢速区之间，及在慢速区至停止之间，设有减速段；b．作比例积分微分循迹控制，将速度命令转为位置命令，其函数关系式如下POS-CMD=VEL2POS(INIT-POS,SPEED,DELTA-T)...(1)或POS-CMD=INIT-POS+SPEED*DELTA-T...(1′)其中VEL2POS速度位置转换POS-CMD位置命令INIT-POS初始位置SPEED速度命令DELTA-T控制的周期时间然后，将位置命令与光学尺回馈回来的位置作比较ERROR=POS-CMD-NOW-POS其中ERROR误差量NOW-POS目前位置最后，PID控制器作即时计算出输出控制量，控制各轴比例流量阀来达到循迹的目的，其关系式如下U=PID(ERROR,SUM(ERROR),DELTA-ERROR,P,I,D)...(3)或U=ERROR*P+SUM(ERROR)*I+DELTA-ERROR*D...(3′)其中PIDPID控制器U输出控制量P比例增益I积分增益D微分增益SUM(ERROR)误差累积DELTA ERROR误差变化。c．完成此增益计划表比例积分微分控制器，其参数的谐调原则为当位于快速区时，控制要求动作顺畅，要用较小增益达到；位于慢速区时，除控制要求动作顺畅外，精度也需准确，要用较大增益来完成；当位于慢速减速段时，用最大增益来完成。
7．一种适于权利要求1-5装置的多轴油压折床的平衡定位控制方法，其以平衡增益补偿装置克服两油压缸的不平衡现象，其特征在于，是将两轴依彼此位置差相互等待或追寻的方式，在运动过程中即时作校正，通过两轴差异，即时校正双轴的输出控制量达到同步。
8．一种适于权利要求1-5装置的多轴油压折床的平衡定位控制方法，其特征在于，提供一种预校正平衡补偿，若两轴因起始位置不同，而造成误差过大，则于油压缸开始运动V1=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)......(4)V2=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)......(5)或设定为，Y1＞Y2V1=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V......(4′)V2=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V*Y1/Y2......(5′)若Y1＜Y2V1=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V*Y2/Y1......(4″)V2=PRE-BALANCE(V,Y1,Y2)=V......(5″)其中Y1第一轴目前位置与目标值的距离Y2第二轴目前位置与目标值的距离V使用者设定的速度V1第一轴经修正的速度V2第二轴经修正的速度PRE-BALANCE预校正平衡补偿装置。
9．一种适于权利要求1-5装置的多轴油压折床的平衡定位控制方法，其特征在于，提供一种对于变异负载处理方法，以板厚、板长、材科及下模宽度来计算正确的折压压力，其关系式如下PRESSURE(STRESS-MATERIAL,THICKNESS,LENGTH,MOLD-WIDTH)...(5)或PRESSURE=GAIN*STRESS-MATERIAL*d2*d2*d1/d3...(5′)其中PRESSURE折压压力计算STRESS-MATERIAL材料应力LENGTH(d1)板长THICKNESS(d2)板厚MOLD-WIDTH(d3)下模宽度GAIN加权数。
全文摘要
一种多轴油压折床的平衡定位控制方法和装置。本发明的方法是利用增益计划表比例积分微分控制器,针对多轴油压折床的不同线性区域做适当的高精度平衡定位控制;提供一种平衡增益补偿及预校正平衡补偿的方法克服各轴运动时所产生的耦合现象,及不平衡现象的发生;并提供一种目标追寻的方法抑制超越现象的产生;又提供一种压力计算公式,克服因不同板厚造成不同负载的影响。本发明的平衡定位控制装置主要包括一控制模组,执行各种控制程序。
文档编号B21D11/00GK1217240SQ97120169
公开日1999年5月26日 申请日期1997年11月14日 优先权日1997年11月14日
发明者颜嘉伟, 蔡坤廷, 廖荣华, 张汉杰 申请人:财团法人工业技术研究院, 统伟工业有限公司, 长新电机股份有限公司