SEW伺服控制在全自動(dòng)倒棱機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)上的應(yīng)用

楊 娟，鐘存福，黃明初

（中國(guó)石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

平頭倒棱機(jī)設(shè)計(jì)為高頻焊（HFW）管管端的自動(dòng)平頭倒棱，其目的是切削鋼管外倒角或提供焊接用坡口，切削管端保證管端與同軸線的垂直度，為現(xiàn)場(chǎng)施工加工出所需的坡口，以便進(jìn)行組對(duì)和焊接。倒棱機(jī)設(shè)備中的進(jìn)給系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的部分，它的運(yùn)行狀況決定著加工鋼管的坡口精度和管端的光滑平整度［1］。

中國(guó)石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠（簡(jiǎn)稱沙市鋼管廠）HFW生產(chǎn)線選購了國(guó)內(nèi)最新設(shè)計(jì)的全自動(dòng)倒棱機(jī)，其生產(chǎn)效率為2根/min。該全自動(dòng)倒棱機(jī)的動(dòng)力頭進(jìn)給采取伺服減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和滾珠絲杠進(jìn)給的傳動(dòng)技術(shù)，按“空載快進(jìn)—粗進(jìn)給—精進(jìn)給—原地平整—快退”的順序完成每根鋼管的平頭倒棱過程。本文將重點(diǎn)介紹SEW伺服控制在全自動(dòng)倒棱機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)上的應(yīng)用。

1 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)倒棱機(jī)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)包括SEW伺服電機(jī)、減速機(jī)、軸承座、聯(lián)軸器及滾珠絲杠等。進(jìn)給系統(tǒng)中伺服電機(jī)和減速機(jī)的選型最為重要，如伺服電機(jī)的電機(jī)功率和減速機(jī)的減速比［2］，選型時(shí)需要滿足快進(jìn)時(shí)進(jìn)給速度大而輸出扭矩小，工進(jìn)時(shí)進(jìn)給速度小而輸出扭矩大。經(jīng)計(jì)算并試驗(yàn)驗(yàn)證，選用7.5 kW伺服電機(jī)及其自帶的減速機(jī)，減速比為7，電機(jī)最大輸出扭矩為146 N·m，試生產(chǎn)后完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求［3-4］。全自動(dòng)倒棱機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)倒棱機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用可編程邏輯控制器S7-300（PLC）、SEW伺服控制器、伺服減速電機(jī)、觸摸屏等組成基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制的系統(tǒng)［5-9］。其中PLC作為控制單元，SEW伺服控制器作為驅(qū)動(dòng)單元，伺服減速電機(jī)作為執(zhí)行單元，伺服電機(jī)內(nèi)置的編碼器作為數(shù)據(jù)采集器，系統(tǒng)中的觸摸屏可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)速并實(shí)時(shí)顯示工進(jìn)速度等其他參數(shù)。全自動(dòng)倒棱機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全自動(dòng)倒棱機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

德國(guó)SEW公司提供的MOVIDRIVE系列伺服控制器內(nèi)置有位置處理器，采用伺服電機(jī)尾部的編碼器作為位置信息源構(gòu)成位置環(huán)［4］。該伺服控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制，具有控制可靠、響應(yīng)快速、運(yùn)行速度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，并且伺服電機(jī)輸出扭矩大，而這些特點(diǎn)均是全自動(dòng)倒棱機(jī)所必需的。

3 SEW伺服控制設(shè)計(jì)和調(diào)試

3.1 SEW伺服電機(jī)的程序設(shè)計(jì)

SEW伺服變頻器的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線控制，選擇所要組態(tài)的過程值，選“6PD”，PLC接收從變頻器6個(gè)過程輸入字“6PI”，包括狀態(tài)字、實(shí)際位置、實(shí)際轉(zhuǎn)速、有功電流、利用率；PLC發(fā)送6個(gè)過程輸出字“6PO”，包括控制字、目標(biāo)位置、設(shè)定速度、加速時(shí)間、減速時(shí)間［9］。SEW伺服變頻器的硬件組態(tài)如圖3所示。SEW伺服控制系統(tǒng)通過軟件MT-Manager進(jìn)行參數(shù)設(shè)置［5］，SEW伺服變頻器的參數(shù)調(diào)試界面如圖4所示。

圖3 SEW伺服變頻器的硬件組態(tài)

圖4 SEW伺服變頻器的參數(shù)調(diào)試界面

在PLC中，Step7軟件中調(diào)用一個(gè)伺服變頻器PROFIBUS-DP總線控制功能FC140，以此實(shí)現(xiàn)狀態(tài)字、實(shí)際位置、運(yùn)行速度、實(shí)時(shí)電流、故障的讀取，控制字、速度設(shè)定、目標(biāo)位置的寫入［10］。SEW伺服控制系統(tǒng)程序FC140具體如下：

CALL FC 140//SEW伺服控制程序

DRIVE_IO_ADDRESS：=320//伺服控制器外部起始地址

ENABLE_RAPID_STOP ：=L0.0//使能

RESET：=L0.1//故障復(fù)位

JOG_PLUS_MODE：=L0.2//點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)

JOG_MINUS_MODE ：=L0.3//點(diǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)

REF_TRAVEL_MODE ：=L0.4//尋參模式

POSITIONING_MODE ：=L0.5//自動(dòng)模式

SETPOINT_POS ：=MD222//設(shè)定位置值

SETPOINT_SPEED ：=MW216//設(shè)定速度值

START_RAMP ：=2000//加速時(shí)間

STOP_RAMP ：=1000//減速時(shí)間

COMMUNICATION_OK：=M236.1

FAULT_OF_AXIS ：=M235.0

WARNING_OF_AXIS：=M235.1

INVERTER_READY：=M235.2

REFERENCED：=M236.2

TARGET_POS_REACHED：=M237.1

AXIS_INTERLOCKED：=M237.0

FAULT_NO：=MW214

ACTUAL_POSITION ：=MD210//實(shí)際位置顯示

ACTUAL_SPEED ：=MW220//實(shí)際運(yùn)行速度

ACTUAL_CURRENT ：=MW230//實(shí)際運(yùn)行電流

3.2 倒棱機(jī)工進(jìn)位置、速度的算法

伺服位置控制程序的具體步驟：定位時(shí)首先設(shè)定速度、定位位置，再給定控制字一個(gè)值，使伺服進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)行起來。其中包含了進(jìn)給運(yùn)行軌跡、進(jìn)給速度的運(yùn)算，進(jìn)給電機(jī)運(yùn)行軌跡如圖5所示，其中Vi為回退速度。主軸箱完成每一根鋼管的進(jìn)給流程：位于后退位置d的進(jìn)給電機(jī)在啟動(dòng)后2 s內(nèi)勻加速到快進(jìn)速度Vh，保持快進(jìn)速度勻速向前快進(jìn)，然后減速至粗進(jìn)給起始位置b，以粗加工速度Vg前進(jìn)至精進(jìn)給起始位置f，并減速至精加工速度Vj，原地平整1 s。倒棱完畢進(jìn)給電機(jī)快速返回原點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試后，將c與b之間的距離即減速距離在程序中設(shè)置為20 mm。

圖5 進(jìn)給電機(jī)運(yùn)行軌跡

內(nèi)部運(yùn)算主要是通過進(jìn)給軌跡算法子程序FC27來實(shí)現(xiàn)的。其基本思想是：將運(yùn)行軌跡分為快進(jìn)區(qū)間、減速區(qū)間、粗加工區(qū)間、精加工區(qū)間。系統(tǒng)PLC循環(huán)掃描程序，實(shí)時(shí)讀取到當(dāng)前實(shí)際位置（#ACTUAL POSITION）所處的范圍，PLC根據(jù)其所處范圍進(jìn)行判斷，進(jìn)而賦予設(shè)定速度［11］。進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過公式（1）來計(jì)算：

式中Rx——進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

N——進(jìn)給電機(jī)減速比；

V——花盤線速度，m/min；

S——機(jī)頭工進(jìn)量，mm/r；

D——鋼管管徑，mm；

L——進(jìn)給電機(jī)絲杠導(dǎo)程，mm。

在式（1）中，N、D、L已知，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定V、S。實(shí)際計(jì)算后可得進(jìn)給電機(jī)轉(zhuǎn)速為18.8 r/min。以此為參考，在觸摸屏上設(shè)置粗加工速度Vg和精加工速度Vj。

從觸摸屏上可更改快進(jìn)速度Vh、粗加工速度Vg、精加工速度Vj、后退位置、粗加工開始位置和最終位置。在實(shí)際調(diào)試運(yùn)行時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，不斷調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行位置、速度，以確保最佳效果，從而獲取相關(guān)參數(shù)［12］。

進(jìn)給軌跡的程序FC27具體如下：

CALL FC27

FINAL_POSITION ：=DB9.DBD2//進(jìn)給電機(jī)的最終位置

FAST_SPEED ：=DB9.DBW0//快進(jìn)速度

WORK_SPEED1 ：=DB9.DBW6//粗加工速度

ACTUAL_POSITION ：=MD210//實(shí)際位置

WORK_POSITION_START：=DB9.DBD14//工作啟動(dòng)位置

WORK_SPEED2 ：=DB9.DBW24//精加工速度

OUT_SPEED ：=MW216//設(shè)定速度

WORK INTERVAL ：=M413.0//進(jìn)給點(diǎn)反饋

4 結(jié) 語

實(shí)踐證明，SEW伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有輸出扭矩大、運(yùn)行速度準(zhǔn)確穩(wěn)定、可快速定位等特點(diǎn)，有效地克服了進(jìn)給系統(tǒng)的誤差，降低了調(diào)型時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，并保證了進(jìn)給的穩(wěn)定性，提高了坡口切割的質(zhì)量和效率。同時(shí)，由于采用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了倒棱機(jī)的數(shù)字化、自動(dòng)化控制，同時(shí)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障處理能力。通過一段時(shí)間的使用，該進(jìn)給系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，滿足了HFW生產(chǎn)線對(duì)倒棱機(jī)生產(chǎn)節(jié)奏的要求，在HFW倒棱機(jī)控制系統(tǒng)上具有較好的推廣價(jià)值。

［1］李秉祥，陳東才.新型平頭倒棱機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.焊管，2002，25（6）：59-60.

［2］黎定一.機(jī)械進(jìn)給鋼管自動(dòng)平頭倒棱機(jī)及氣動(dòng)自定心平頭倒棱夾具［J］.焊管，1999，22（1）：25-27.

［3］張培慶.鋼管平頭倒棱機(jī)的設(shè)計(jì)與制造［J］.鋼管，1998，27（1）：35-38.

［4］劉邦義，解吉輝，孫麗麗，等.平頭倒棱機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展［J］.重型機(jī)械，2005（6）：1-3.

［5］郭強(qiáng).PROFIBUS-DP在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化博覽，2002（2）：12-13.

［6］ 吳志軍.現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS及其應(yīng)用［J］.鋼管，2005，34（4）：45-48.

［7］盧紅義.工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在制管生產(chǎn)線上應(yīng)用探索［J］.焊管，2004，27（5）：40-42.

［8］劉換軍，王華，王小毅.PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在HFW焊管機(jī)組電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.焊管，2011，34（11）：46-51.

［9］孫少波，馮俊.PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線干擾原因分析［J］.黑龍江科技信息，2011（2）：76.

［10］羅紅福，胡斌，鐘存福，等.PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［11］張超，谷立臣，趙永平.鋼管倒棱機(jī)伺服系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)［J］.重型機(jī)械，2005（5）：49-51.

［12］廖常初.S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.