焊接變位機回轉自由度電機主從控制研究

張一飛（中國一重大連加氫反應器制造有限公司，遼寧 大連 116113）

?

焊接變位機回轉自由度電機主從控制研究

張一飛
（中國一重大連加氫反應器制造有限公司，遼寧 大連 116113）

摘 要：本文根據焊接變位機回轉自由度動作原理及轉動要求，通過西門子STARTER軟件分析S120驅動器實現兩臺伺服電機主從控制過程，實現變位機回轉自由度系統配置和參數設定。

關鍵詞：焊接變位回轉電機；S120；主從控制；負荷分配

1　設備情況介紹

焊接變位機是改變焊件位置來完成機械化、自動化焊接的一種焊接配套設備，主要用于容器、鍋爐、油罐等重型工件焊接時的變位，以便于焊工對不同工件在不同位置實施焊接。公司內部120T變位機回轉工作盤為結構鋼件，盤面為圓形結構，尺寸為φ6600mm，工作盤設計成三塊拼裝式結構，工作臺上平面距地面3.5米高。回轉機構選用標準的專業回轉支承，承載能力大，回轉精度高；回轉驅動裝置采用西門子交流異步伺服電機配合斜齒輪減速器和蝸輪蝸桿減速器，帶動回轉工作盤進行回轉運動。

該設備電氣控制系統由西門子S7- 300PLC、觸摸屏、電機驅動系統、低壓電器等組成。PLC作為主控單元通過編程實現所有的邏輯控制，觸摸屏實現相關參數的顯示和輸入。電機驅動系統采用了西門子SINAMICS S120驅動器為主的共直流母線的多軸驅動方式。

2　主從控制方案概述

由于工藝的要求和驅動器容量的限制，該變位機回轉驅動采用一個傳動設備由兩個電機驅動共同配合工作的方案，在這種情況下，兩個驅動電機之間需要保證相同的運行速度，以及轉矩的平均分配，為此我們采用S120主從控制應用的方案，考慮到焊接變位機齒輪傳動精度等級不高，兩個電機和回轉齒輪的耦合關系，電機之間需要有相同的運行速度，同時保證電機例舉的均勻分配，還要有防止某一電機聯軸器脫開時的保護，我們采用速度偏差與轉矩限幅的主從控制方案。

在速度偏差與轉矩限幅方式時，主機從機都工作在速度模式，主從機的速度設定值相同，然后從機在此基礎上附加+-5%--10%左右的速度偏差（與運行方向有關，附加速度大小由實際情況決定），將主機的轉矩值連接到從機的轉矩限幅上。在啟動后，由于速度偏差的存在，連接的主從電機減速機連接齒輪迅速與回轉大盤齒輪接觸受力，從機的速度環飽和，輸出的轉矩受轉矩限幅限制，從而保證從機的轉矩跟隨主機的轉矩；從機速度受到連接的牽引，與主機速度相同，當發生連接斷開時，主從電機工作在各自的速度環模式下，不會發生飛車現象。

速度偏差與轉矩限幅方式的特點是，啟動瞬間主機從機的速度環都起作用，連接合力建立的比較平緩，避免系統產生振蕩，既保證了速度及轉矩的分配，也對系統進行了保護。

3　S120系統的速度偏差與轉矩限幅方案的配置

3.1硬件配置

使用CU320作為控制單元，主從數據交換通過CU320的多軸直接連接，在一個CU320單元連接兩個驅動軸的情況下，直接利用軸間變量的互連，來實現主從控制的數據交換，該種方式下，當CU出現故障，兩臺設備都將無法運行。在進行主從控制配置時，首先參照S120調試手冊完成基本驅動單元的組態和調試。

3.2主從電機驅動參數配置

完成基本調試后，確定電機的優化、運行都正常后，根據配置的主從方案，來進行主從工作模式的設置。

（1）主機從機都工作在速度模式，P1300=21（speed control with encoder）；

（2）主機驅動器激活基本定位功能。S120具有如下基本定位功能：

點動（jog）：用于手動方式移動軸，通過按鈕使軸運行至目標點；

1）回零（homing）：用于定義軸的參考點或運行中回零；

2）限位（limits）：用于限制軸的速度、位置，包括軟限位、硬限位；

3）程序步（traversing blocks）：共64個程序步，可自動連續執行一個完整的程序也可以單步執行；

4）設定值輸入（direct setpoint input/MDI）：目標位置及運行速度可由PLC或上位機控制，完成一個復雜的運動。

本項目主要配置點動功能和設定值輸入功能，回零和參考點功能及程序步功能不予描述。

5）點動（jog）功能采用速度方式：點動按鈕按下，軸以設定的速度運行直至按鈕釋放。

6）設定值輸入（direct setpoint input/MDI）方式采用速度模式：設置參數P2653=1，軸按照設定的速度、加減速運行，不考慮軸的實際位置。

（3）從機不激活基本定位功能，從機的設定速度在主機設定速度基礎上附加一個偏差速度△V。

（4）將主機的轉矩設定值r079取絕對值，連接到從機的正轉矩限幅的源P1522上；將主機的轉矩設定值r079取絕對值后，再取反，連接到從機的負轉矩限幅P1523上。

設備啟動后，正轉或反轉回轉盤，由于速度偏差的存在，從機速度高于主機，可以實現兩臺電機驅動齒輪迅速接接觸咬合建立轉矩，從機的速度環快速進入飽和狀態，輸出轉矩由轉矩限幅決定，從而實現主從負荷平均分配。同時該方式下，當主從電機其中一個電機與負載斷開連接時，從機可以迅速從速度環快速退出飽和，進入速度閉環，避免電機飛車。

4　結束語

通過上述分析及配置過程，實現了利用S120驅動系統完成焊接變位機回轉電機的主從控制，在車間實際使用工程中實現承載能力達到工藝要求，回轉速度平穩滿足焊接速度要求。只要在維修改造過程中多熟悉設備的各方面性能，完善設備狀態，就能使設備完好的為生產服務。

參考文獻：

［1］威達公司120T焊接變位機使用說明書.

［2］西門子如何實現S120主從控制方案.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.007