焊接變位機回轉(zhuǎn)自由度電機主從控制研究

張一飛（中國一重大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116113）

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焊接變位機回轉(zhuǎn)自由度電機主從控制研究

張一飛
（中國一重大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116113）

摘 要：本文根據(jù)焊接變位機回轉(zhuǎn)自由度動作原理及轉(zhuǎn)動要求，通過西門子STARTER軟件分析S120驅(qū)動器實現(xiàn)兩臺伺服電機主從控制過程，實現(xiàn)變位機回轉(zhuǎn)自由度系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)定。

關(guān)鍵詞：焊接變位回轉(zhuǎn)電機；S120；主從控制；負(fù)荷分配

1　設(shè)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(shè)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(nèi)部120T變位機回轉(zhuǎn)工作盤為結(jié)構(gòu)鋼件，盤面為圓形結(jié)構(gòu)，尺寸為φ6600mm，工作盤設(shè)計成三塊拼裝式結(jié)構(gòu)，工作臺上平面距地面3.5米高。回轉(zhuǎn)機構(gòu)選用標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)回轉(zhuǎn)支承，承載能力大，回轉(zhuǎn)精度高；回轉(zhuǎn)驅(qū)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(zhuǎn)工作盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動。

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

2　主從控制方案概述

由于工藝的要求和驅(qū)動器容量的限制，該變位機回轉(zhuǎn)驅(qū)動采用一個傳動設(shè)備由兩個電機驅(qū)動共同配合工作的方案，在這種情況下，兩個驅(qū)動電機之間需要保證相同的運行速度，以及轉(zhuǎn)矩的平均分配，為此我們采用S120主從控制應(yīng)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(zhuǎn)齒輪的耦合關(guān)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(lián)軸器脫開時的保護(hù)，我們采用速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅的主從控制方案。

在速度偏差與轉(zhuǎn)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(shè)定值相同，然后從機在此基礎(chǔ)上附加+-5%--10%左右的速度偏差（與運行方向有關(guān)，附加速度大小由實際情況決定），將主機的轉(zhuǎn)矩值連接到從機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)大盤齒輪接觸受力，從機的速度環(huán)飽和，輸出的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)矩限幅限制，從而保證從機的轉(zhuǎn)矩跟隨主機的轉(zhuǎn)矩；從機速度受到連接的牽引，與主機速度相同，當(dāng)發(fā)生連接斷開時，主從電機工作在各自的速度環(huán)模式下，不會發(fā)生飛車現(xiàn)象。

速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅方式的特點是，啟動瞬間主機從機的速度環(huán)都起作用，連接合力建立的比較平緩，避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，既保證了速度及轉(zhuǎn)矩的分配，也對系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)。

3　S120系統(tǒng)的速度偏差與轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)交換通過CU320的多軸直接連接，在一個CU320單元連接兩個驅(qū)動軸的情況下，直接利用軸間變量的互連，來實現(xiàn)主從控制的數(shù)據(jù)交換，該種方式下，當(dāng)CU出現(xiàn)故障，兩臺設(shè)備都將無法運行。在進(jìn)行主從控制配置時，首先參照S120調(diào)試手冊完成基本驅(qū)動單元的組態(tài)和調(diào)試。

3.2主從電機驅(qū)動參數(shù)配置

完成基本調(diào)試后，確定電機的優(yōu)化、運行都正常后，根據(jù)配置的主從方案，來進(jìn)行主從工作模式的設(shè)置。

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

（2）主機驅(qū)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(biāo)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(xù)執(zhí)行一個完整的程序也可以單步執(zhí)行；

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

本項目主要配置點動功能和設(shè)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(shè)定的速度運行直至按鈕釋放。

6）設(shè)定值輸入（direct setpoint input/MDI）方式采用速度模式：設(shè)置參數(shù)P2653=1，軸按照設(shè)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(shè)定速度在主機設(shè)定速度基礎(chǔ)上附加一個偏差速度△V。

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

設(shè)備啟動后，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)盤，由于速度偏差的存在，從機速度高于主機，可以實現(xiàn)兩臺電機驅(qū)動齒輪迅速接接觸咬合建立轉(zhuǎn)矩，從機的速度環(huán)快速進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩限幅決定，從而實現(xiàn)主從負(fù)荷平均分配。同時該方式下，當(dāng)主從電機其中一個電機與負(fù)載斷開連接時，從機可以迅速從速度環(huán)快速退出飽和，進(jìn)入速度閉環(huán)，避免電機飛車。

4　結(jié)束語

通過上述分析及配置過程，實現(xiàn)了利用S120驅(qū)動系統(tǒng)完成焊接變位機回轉(zhuǎn)電機的主從控制，在車間實際使用工程中實現(xiàn)承載能力達(dá)到工藝要求，回轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)滿足焊接速度要求。只要在維修改造過程中多熟悉設(shè)備的各方面性能，完善設(shè)備狀態(tài)，就能使設(shè)備完好的為生產(chǎn)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］威達(dá)公司120T焊接變位機使用說明書.

［2］西門子如何實現(xiàn)S120主從控制方案.

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