伺服系統在金屬制品行業中的應用

劉 軍，楊曉海，李志強，戴峭峰，胡金蓮，陳麗艷

（1.江 蘇法爾勝泓昇 重工有限公司，江蘇江陰 214400；2.無錫法爾勝悅能動力有限公司，江蘇江陰 214400；3.江蘇法爾勝精細鋼繩有限公司，江蘇江陰 214400）

1 伺服系統介紹

1.1 系統原理

伺服控制系統是一種自動控制系統，它可以使輸出能夠精確跟隨某個目標過程，通常用來控制指定對象的轉角或位移，可以使被控對象能夠精確呈現出輸入的控制指令的要求。

伺服系統是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。伺服系統依靠脈沖進行定位，能根據發出的脈沖數和檢測到電機實際旋轉的角度反饋回來的脈沖來實現精確控制，并能根據發出和接受到的脈沖情況實現閉環控制，在設備操作性和精度上大大優于開環控制的電氣驅動系統。

1.2 發展歷程

1.3 特點

交流伺服電機工作原理類似單相異步電機，但由于其轉子繞組電阻遠遠大于異步電機，性能特點明顯。

1.3.1 優點

（1）轉矩可控性高。交流伺服電機因其結構異于異步電機，轉矩特性更為優異，轉矩控制精度更高，更具有遠大于異步電機的啟動轉矩，能快速響應伺服控制器發出的控制訊號，電機啟動快且有力，應用范圍大。

（2）無慣性自轉現象。伺服電機收到停止信號后，能立即停轉，可很好滿足某些需要對電機轉軸輸出動作要求較高的場合，如閥門控制、流量控制等。在金屬制品行業某些需要對執行機構精確定位的設備上表現優異，如排線密排定位，閥門鎖定等。

（3）運行平穩、噪聲小。

1.3.2 缺點

（1）成本略高，購買價格高于同功率異步電機，伺服電機必須搭配對應型號伺服控制器使用，維修成本高，維修難度大，部分需要更換的部件（如碳刷等）價格相對高。

（2）安裝要求高，伺服電機安裝時應避免敲擊，不能安裝在振動噪聲大的設備上，拆卸更換時需要更加仔細。

(5) 區域逗留人數：進出車站周邊區域并逗留的人流量，與車站客流量直接相關，也是以上各個因素的直觀反映。該指標可以通過手機運營商的信令數據獲得。本文擬通過某運營商工作日一天(00:00—24:00)內手機數據推測站點周邊區域人員數量。

（3）功率低，無法大規模應用在動力驅動等大功率場合。

2 熱處理生產線應用

2.1 應用背景

伺服系統因其精確定位，轉矩大的優點，已被廣泛應用在金屬制品行業的熱處理等生產線設備，用于溫度或流量控制，能實現溫度精確控制，可靠性高、維護方便。

2.2 案例

公司熱處理生產線使用Honeywell M7284Q1009 系列伺服電機，配合Honeywell UDC3200 系列溫控表使用，能實現熱處理生產線溫度精確控制，有效滿足金屬制品熱處理生產線工藝要求。具體使用控制流程見圖1，現場使用實例見圖2。

圖1 伺服系統溫度控制流程

3 拉絲機應用

3.1 應用背景

目前金屬制品行業中，拉絲機普遍使用的張力控制依靠模擬量傳感器，檢測張力臂聯動的凸輪，通過檢測凸輪和模擬量傳感器之間的位置來反饋張力情況。目前有試驗方案直接利用張力臂聯動伺服電機，利用伺服電機刻度精確，反饋及時的特點，排除中間環節，實現精確及時的張力反饋。

3.2 案例

圖2 伺服系統溫度控制實例

目前流行的凸輪配合模擬量傳感器的方案存在一定缺點，傳感器信號傳輸易受到干擾，過分依賴凸輪和模擬量傳感器相對位置，對于初次安裝或每次維修更換，均需反復校正位置，如圖3 所示。新方案選用伺服電機與張力臂直接聯動，張力臂動作直接傳導至伺服電機，伺服電機將讀取的信號利用通信傳輸的方式傳入PLC 等中央處理部分，減少過渡部件，排除干擾因素。伺服電機傳輸的信號更為準確，且反饋及時，更能滿足張力控制需求，如圖4 所示。

圖3 原拉絲機張力反饋方案

圖4 伺服電機張力反饋方案

4 管絞機應用

目前金屬制品行業中，捻制成繩設備中放絲阻尼多采用機械阻尼和磁力阻尼兩種方式，其中機械阻尼應用最為廣泛，常見有阻尼塊式和阻尼帶式的方式，基本上均為彈簧等緩沖結構配合阻尼塊（帶）使用，結構簡單、維護方便，如圖5所示。但是普遍存在放線張力不穩定，需要隨時調節，且張力值每次調節之后只能維持大概范圍，并不能達到某一準確數值。公司嘗試將伺服系統使用在放線阻尼裝置上，已獲得成功，如圖6所示。

將伺服電機與放線阻尼盤連接，根據放線速度和放線圈徑的改變，計算并輸出相應轉矩，以通信方式與中控環節交換數據，能保持放線張力為恒定值，可實現放線張力實時顯示和隨時調節，能有效滿足各種金屬制品生產工藝的需求，對于提高生產質量，開發產品新規格起到促進作用。

5 收卷系統應用控制

5.1 收卷轉矩控制

圖5 機械式放線阻尼

目前金屬制品行業較為流行的收卷方式為恒轉矩收卷和恒張力收卷，其中恒轉矩收卷有力矩電機形式和變頻器轉矩模式帶普通異步電機。恒張力收卷一般采用加裝張力臂檢測收卷實時張力，參考前端牽引或放線速度，根據檢測到的張力反饋數值進行微調，控制變頻器進行速度控制。

恒轉矩收卷和恒張力收卷各有利弊，恒轉矩收卷系統較為穩定，控制簡單，但是只能實現收卷轉矩恒定。隨著收卷工字輪從空盤到滿盤，收線力臂發生變化，根據公式，力矩=力力臂，收卷張力始終處于變化，故恒轉矩收卷多應用于對收線張力要求不高的情況；恒張力收線控制精確，但結構較為復雜，需要加裝檢測收卷在線張力的裝置，張力檢測裝置會增加鋼絲鋼繩繞卷，影響鋼絲鋼繩質量。

圖6 伺服系統放線阻尼

目前，公司部分收卷設備中嘗試使用伺服系統進行控制收線，利用伺服系統精確可控的優點，參考力矩電機恒轉矩模式，根據時刻變換的收卷力臂進行計算，隨時調整伺服電機輸出的轉矩大小，能實現收卷張力恒定；利用伺服系統能實現實時通信的優點，可及時反饋并顯示出鋼絲鋼繩在線張力值，滿足不同工藝需求。不必頻繁利用手持工具檢測鋼絲鋼繩在線張力，可以根據不同產品規格不同工字輪設置相應工藝卡，預存在中控系統，使用時只需選擇該選項即可，快捷方便，受到操作人員和工藝調試人員好評。

5.2 排線應用

伺服系統已經廣泛應用在金屬制品收卷系統排線部分中，以其動態性能好，可控性高的優點展現出很大應用前景。排線伺服系統能對轉速、轉矩和電機位置等各個指標進行精確控制，可實現金屬制品絲、股、繩等各類產品的密排效果。

以往金屬制品排線有機械排線和電氣排線兩種形式，機械排線較為穩定，結構簡單，維修方便，但是無法調節精確速度，只能通過更改傳動比按擋位修改排線速度，應用范圍較小，多適用于單一產品單一工藝的車臺，無法廣泛應用；電氣排線有變頻器驅動和專用排線控制器控制直流電機，能實現實時速度調節，但很少能實現絲股繩密排，鋼絲鋼繩會在工字輪兩端排布不均勻，極易出現堆積或稀疏的情況，當前公司某型號密排回倒機收卷和放絲均采用伺服排線系統（圖7），能實現鋼繩密排，效果明顯，如圖8 所示。

圖7 應用了伺服系統的密排回倒機

圖8 鋼絲繩密排效果

自動排線密排系統，能自動實時檢測排線的平整度，并能根據實際情況，自動調整排線的換向位置，使排線平整度控制在工藝規定的合理范圍內。降低操作工的勞動強度，提高工作效率，同時能大幅提高排線質量，從而保證產品質量，提高生產效率。

排線機構的優化設計采用伺服驅動的高精度滾珠絲杠排線，高精度收線張力程序開發采用特殊的收線張力控制算法，將收線張力控制在既不能過小也不能過大的一定范圍內，以便傳感器檢測排線的平整度。

6 結語

伺服系統已在金屬制品行業中占據了非常重要的位置，是當今主流金屬制品設備不可或缺的一部分。伺服系統大幅提高了金屬制品設備精度和工藝適用度，極大方便工人操作，同時促進金屬制品行業設備開發的發展。未來，伺服系統必將在動力驅動和精確控制等方面展現更廣泛、更深入的應用。