基于LENZE 9400拉拔定尺飛鋸控制系統設計

雷兆鋒，彭澤豐，蒙緒怡，陳 欣

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 528312)

0 前言

定尺飛鋸廣泛應用于管材、型材等生產線的高精度連續自動切割[1]。高精度的管材、型材切割能顯著降低材料切割的損耗率，對于提高生產企業效益具有重要的意義。

定尺飛鋸是銅管拉拔定尺機組的關鍵組成設備，其功能是將拉拔成型后的銅管切斷為一定長度范圍內的任意長度，并且要求具有較高的鋸切精度和切割效率。目前，常用的微機定尺鋸切機利用直流電機構建管材切割伺服系統，在中、低速的時候能較好的滿足切割精度，但是對于中高速或者速度波動較大時會出現精度下降情況[2]，而且拉拔機輸送的管速波動比較大時容易損壞定尺鋸切機鋸片，嚴重影響企業正常生產。為解決微機定尺鋸切機結構笨重、維護成本高、板卡容易壞、抗干擾差、加工精度和效率不高等問題，盛強等[3]針對現有飛鋸定長精度低和傳統PID控制存在目標值跟隨性能不佳的問題,設計了一種基于模糊PID控制技術的定長切割控制系統。甄自源等[1]使用TMS320F28069處理增量式光電編碼器發出的脈沖信號,提出了一種測量該系統鋸車位置與速度的方法, 滿足了系統對精度和穩定性的要求。季少波等[4]采用DSP控制器作為核心處理器, 根據速度閉環控制的要求，采用 PID 算法進行速度控制, 可以很好的滿足基于生產線的飛鋸系統的性能要求。

先進的控制方法能有效提升管材切割精度和切口質量。隨著數字伺服技術的飛速發展，位置伺服控制系統以足夠的位置控制精度(定位精度)、位置跟蹤精度(位置跟蹤誤差)和足夠快的跟蹤速度作為其主要控制目標，可滿足定尺飛鋸應用的各項要求。因此，本文提出一種基于LENZE 9400設計的數字伺服系統，替代傳統的微機定尺鋸切機，基于LENZE 9400的控制系統精確度高、性能優異、配置靈活、動態響應快、高過載力以及節能等，可以有效滿足拉拔定尺飛鋸對精度和穩定性的要求。

1 拉拔定尺飛鋸機組成

如圖1所示，拉拔定尺飛鋸由拉拔系統、飛鋸傳動系統、檢測系統構成。拉拔系統主要完成管胚的拉拔送料，飛鋸傳動系統由交流伺服系統組成，實現鋸切小車的來回往復運動，檢測單元系統由測速輥及增量編碼器等組成，編碼器選擇的TTL型5000線，測速輥編碼器信號引入伺服控制器的數頻模塊作為管長及管速的計算信號，實現管胚位置及速度的測量。鋸切長度給定和控制信號通過PROFIBUS DP總線送給伺服控制器，伺服控制器根據設定的鋸切切長，選擇相應的凸輪曲線，飛鋸小車完全按照驅動器計算出的電子凸輪運行，從而實現整個追蹤定尺鋸切。

圖1 拉拔定尺飛鋸系統結構圖

2 定尺飛鋸運動控制系統的設計

定尺飛鋸系統由可編程邏輯控制器(PLC)、觸摸屏、伺服控制器和伺服電機組成?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)控制拉拔機主機及其輔助設備系統，實現與伺服控制器的通訊，并顯示觸摸屏的交互數據、伺服控制器控制信號的傳送以及運行狀態。通過LENZE編程軟件進行定尺飛鋸運動控制系統的硬件配置及電子凸輪控制的軟件設計。

LENZE 9400伺服控制器采用32位處理器，極大的提高了運算與控制精度，保障伺服的高效穩定運行。而且LENZE 9400伺服控制器通信方式多樣[7]，本文通過選擇PROFIBUS-DP通信模塊可以方便的與西門子PLC的通訊，通訊效率高，響應快，且穩定；LENZE 9400伺服控制器采用全新的安裝方式，創新的運用模塊化設計，易于集成，并且集成8個數字量輸入/4個數字量輸出、完全可以滿足飛鋸系統對飛鋸小車檢測及鋸切控制需要；數頻模塊，通訊模塊，存儲模塊及安全模塊的可插拔設計，不需要專門的工具，就可完成飛鋸控制系統的安裝，維護變得簡單且大大降低了維護成本。LENZE 9400伺服控制器內置電子凸輪發生器，可同時自由編程凸輪曲線代替機械式凸輪運動軌跡，因此9400伺服控制器可輕松實現定尺飛鋸運動控制系統的構成。

定尺飛鋸系統需要高動態響應，伺服電機選用Lenze的 MCS同步伺服電機，具有耐沖擊、高精度、長壽命等優點，通過直接輸入電機C86參數，無需參數的自動識別，即可得到電機的詳細參數，只需對飛鋸系統位置環、速度環、電流環進行簡單調試即可改善飛鋸系統的動態跟隨性能，保證了高速狀態下電機速度和位置的精度。

3 伺服控制系統的硬件設計及軟件實現

3.1 系統的硬件設計

拉拔定尺飛鋸系統的狀態檢測及控制，通過數字量輸入X5包括鋸的上限下限，以及鋸切小車的前限后限及原點、運行使能RFR，鋸切動作通過數字量輸出X4帶動中間繼電器控制主要是落鋸抬鋸，管夾緊松開。伺服控制器LENZE9400與PLC建立PROFIBUS DP通訊，接收操作指令及設定數據及傳送本身狀態，并在觸摸屏中設定及顯示。硬件設計如圖2所示。

圖2 伺服控制器結構

3.2 拉拔定尺飛鋸軟件系統設計

3.2.1 L-FORCE ENGINEER編程軟件

L-FORCE ENGINEER highlevel是編程、調試和診斷LENZE 9400的工程軟件[7]。結構清晰的對話框向導式操作和圖形化界面讓編程和維護變得簡單；圖形化的FB編輯器讓控制器配置編程更高效直觀，極大的縮短了設計周期；對伺服控制器進行電子凸輪編程，執行拉拔飛鋸定尺的控制任務，提供了可靠的保證。具有8通道數字式示波器[6]，可以實現快速過程診斷(包括趨勢記錄)功能，可以加快飛鋸系統的優化運行和快捷維護，節省人力成本。

3.2.2 拉拔定尺飛鋸軟件系統設計步驟

首先，利用LFORCE ENGINEER 軟件組態硬件，在軟件中新建一個工程文件，插入一個軸(axis),根據拉拔飛鋸定尺系統應用中設計的電機，控制器進行組態硬件配置。然后，按順序分別插入9400 HighLine控制器、選擇設備的可插拔模塊、在MX1槽插入MASTER frequency數頻模塊、在MX2槽插入PROFIBUS通訊模塊、在存貯模塊插槽插入MM330模塊。最后，選擇NO application生成自己的程序，并選擇對應的電機。軟件設計的硬件組態圖如圖3所示。

圖3 定尺飛鋸的硬件組態

拉拔定尺飛鋸軟件系統設計的關鍵是電子凸輪的實現，凸輪是用于實現機械三維空間聯動傳動關系與控制的機械結構，自動化運動控制系統用軟件程序與伺服電機實現三維空間聯動傳動關系與控制的軟件系統就是電子凸輪功能[10]，電子凸輪以其精度高、柔性高、安全性強，加速度控制方便等優點，在定尺鋸切領域得到廣泛的應用[11]。電子凸輪的實現是將設計好的凸輪曲線存貯在控制器內，控制兩軸按凸輪曲線進行運動，需要實時采集各軸的位置信息，按照內嵌算法進行處理，并將兩軸達到同步的效果[13]。

電子凸輪首先獲取主軸位置及從軸位置，主軸信號從裝在測速輪上的測速編碼器獲取，從軸信號由伺服電機旋變獲??；其次規劃電子凸輪曲線，由于定尺長度(2.5 ～11 m)范圍廣，為了更大限度的提高飛鋸運行速度，設計了適應不同定尺長度的多條曲線，本文以其中一條凸輪曲線(定尺長度4～11 m)為例，說明其設計過程。凸輪曲線如圖4所示，定尺飛鋸小車運動有待機、追速、同步、減速、回車五個狀態。

(1)待機狀態：拉拔機組運行送料中，通過鋸前測速編碼器，隨時測量來料長度和速度，若達到設定長度，立即啟動加速進入追蹤狀態。

(2)追蹤狀態：按照設定的S曲線加速至與進料速度同步狀態。

(3)同步狀態：進入同步狀態，立刻送出同步信號給鋸切控制機構執行管材切斷動作，完成切割后，接收到抬鋸到位檢測開關發訊，立刻進入減速狀態

(4)減速狀態：按照設定的S曲線減速直至停止，同時，仍然在持續偵測并累計進料長度。

(5)回車狀態：一旦減速到停止狀態，立刻開始返回運動，回到起始位置，隨即自動進入待機狀態，等待下一循環的開始。

在同步狀態時完成管材鋸切動作，追速、減速及回車都要合理分配，保證整個周期的快速平穩完成，并且要確保兩個狀態平滑切換，不能有劇烈波動，否則將影響精度及設備壽命，根據主從軸的位置對應關系，確定五個狀態的下從軸的位置，直接用繪制曲線的方式規劃凸輪曲線，對應的曲線也由五個部分構成，其中追速，減速，及回車部分都選用適合高速的5次曲線繪制，曲線繪制公式[8]為

y=A5x5+A4x4+A3x3+A2x2+A1x+A0

(1)

伺服控制器根據其內嵌算法自動規劃對應的速度、加速度曲線如圖4所示，定義X軸是主軸，顯示的是管胚的長度，定義Y軸是從軸，顯示的是飛鋸小車的位置。圖4是基于LENZE 9400拉拔定尺飛鋸的位置曲線、速度曲線、加速度曲線，圖5是微機定尺鋸切機的速度曲線，明顯伺服控制鋸切機速度曲線比微機定尺鋸切機的速度曲線平滑[5]，伺服控制能有效減弱負載對機組的沖擊，機組運行更加平穩，減弱對設備的沖擊，有利于提高設備的壽命。

圖4 規劃的電子凸輪曲線

圖5 原微機定尺機速度曲線

預先規劃好電子凸輪曲線，通過FB編輯器進行軟件編程完成電子凸輪運動指令。其工作流程：數頻功能塊LS_DigitalFreqencyinput將主軸編碼器信號轉化為速度及位置信號，通過L_SdSpeedFilter(速度濾波) 功能塊進行濾波處理，將濾波后的值送入軸速度L_LdSetAxisVelocity 功能塊，并整合到定尺周期內的速度值；通過虛主軸功能塊L_LdVirtualMasterP轉化為對應的從軸位置值,并送入運動輪廓曲線插補L_CamProfiler功能塊，實現由CAM接口LS_CamInterface功能塊選擇的凸輪曲線的軌跡的值，并輸出從軸的速度、加速度等到位置跟隨塊LS_PositionFollower，實現對從軸伺服電機的控制；并由凸輪開關 L_CamContactor功能塊 ,給出同步信號實現管材的自動夾松和落鋸抬鋸，從而實現按凸輪曲線的定尺鋸切。

4 結束語

本文設計的一種基于LENZE 9400伺服控制器的拉拔定尺飛鋸控制系統，已成功應用于銅管拉拔定尺機組系統中。系統實際運行結果表明：基于LENZE 9400伺服控制器的拉拔定尺飛鋸的控制精度已經超過原微機定尺鋸切機，并且運行平穩可靠，鋸片的損壞率大大降低，基本沒有坡切口的現象，系統具有響應時間快、追鋸誤差小等特點，大大提高了設備的精度及穩定性，完全可以替代原微機定尺鋸切機。同時，該控制系統還可以在矯直定尺中使用。