基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计_张中琳.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun 2023基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计张中琳,朱明亮,刘 波,郑 忱(中国机械总院集团北京机电研究所有限公司,北京 100083)摘要:提出了一种双轴伺服电机同步控制辊锻机双轧辊的电气系统方案,采用电子齿轮耦合技术对去飞轮和制动离合器的辊锻机进行了双轴同步运动控制系统设计。该设计取消了原有的多级传动装置,改由伺服电机通过减速机直接驱动负载,保留了机械驱动转动扭矩大等优点,同时改变了传统设备单一的工作特性,解决了气动设备不稳定、噪音大、冲击大、无法实时监控运行状态等问题,实现了精确控制辊锻机轧辊旋转速度和位置的目的,将柔性化、数字化、智能化控制技术引入机械成形设备,为后续生产线中辊锻机与机器人手臂同步协作,实现高度自动化提供了可能。实验结果表明,所设计的双轴伺服电机同步控制辊锻机双轧辊的电气系统具有较高的位置同步精度和速度同步精度。关键词:伺服系统;辊锻机;同步控制;电子齿轮;耦合DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.021中图分类号:TM921.54 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0156-07Design on double rollers synchronous control electrical system for roll forging machine based on servo motorZhang Zhonglin,Zhu Mingliang,Liu Bo,Zheng Chen(Beijing Research Institute of Mechanical&Electrical Technology Co.,Ltd.CAM,Beijing 100083,China)Abstract:An electric system scheme of double-axis servo motors synchronous control on the double rollers of roll forging machine was pro-posed,and the double-axis synchronous motion control system of roll forging machine prototype without flywheel and brake clutch was de-signed by the electronic gear coupling technology.This design canceled the original multi-level transmission device and used two servo mo-tors to directly drive the load through a reducer,retaining the advantages of high mechanical driving torque and changing the single work-ing characteristics of traditional equipment.It solves the problems of unstable pneumatic equipment,high noise,large impact on equip-ment,and inability to monitor the running state in real-time.It achieves the precise control of rotational speed and position of roll forging machine,and applies flexible,digital and intelligent control technology to mechanical forming equipment.It provides the possibility for the synchronous cooperation between roll forging machine and robot arm in the subsequent production line to achieve a high degree of automation.The experimental results show that the electric system of double-axis servo motors synchronization control on the double roll-ers of roll forging machine designed has high position synchronization accuracy and speed synchronization accuracy.Key words:servo system;roll forging machine;synchronous control;electronic gear;coupling收稿日期:2022-08-25;修订日期:2022-11-20作者简介:张中琳(1981-),女,硕士,高级工程师E-mail:ac8241 将交流伺服驱动系统应用在锻压设备上,是近年来发展的趋势。伺服电机具有普通电机无法比拟的优点,如转矩大、惯量小、调速范围广等。在伺服驱动技术席卷锻造设备的热潮下,在保留机械结构驱动优点的基础上,传统的复杂机械构件逐渐被伺服控制技术所取代,其不但改善了设备原有的工作性能,而且更加智能化、数字化1。伺服成形技术顺应了智能制造的发展方向,必将在智能成形加工中发挥重要的作用2。辊锻机是一种专门为辊锻工艺配备的锻压机械,可对锻件进行反复的翻转拔长,已成为模锻生产线上不可或缺的配套设备3。由于其结构的特殊性,轧辊传动装置还停留在通过气动离合器将电机驱动的高速旋转飞轮上的惯性力传至轧辊的方式,该方式存在停车不稳定、对设备冲击大、运行状态难以监控等问题。本文基于伺服电机驱动的辊锻机,提出了双轧辊同步控制电气系统方案,通过实验验证,该系统能够从根本上克服上述问题,实现精密、柔性锻造。1 现有辊锻机的轧辊控制方式及伺服改进方案 目前,国内辊锻机制造厂商大多采用气动制动离合器结构制造辊锻机主机,如图 1 所示,即采用电机、传动皮带、气动制动离合器、轧辊等组成的机械传动结构,通过与电机连接的飞轮高速旋转存储能量,通过制动离合器的接合和分离来达到控制轧辊的旋转和停止的目的4。其优点是控制简单,通过控制气路的通断,即可控制轧辊的启停。但是,其缺点也十分明显,由于气动制动离合器的作用,轧辊在启停时对设备冲击较大,导致轧辊制动后不能立刻停车,需惯性转动 30 60后才能停车,且停车位置严重依赖气压值,无法实现轧辊速度和位置的精确控制。轧制闷车时,轧辊依旧运行,对设备损坏巨大,也为生产带来了安全隐患,且轧辊运行时的状态数据、参数无法实时采集和智能分析等。图 1 辊锻机主机1.电机 2.传动皮带 3.气动制动器 4.轧辊Fig.1 Body of roll forging machine随着伺服系统的应用越来越广泛,伺服直驱技术备受行业关注。该技术取消了多级传动装置,负载由伺服电机直接驱动,不仅保留了机械驱动中转动扭矩大的优点,而且还改变了传统设备单一的工作特性,将柔性化、数字化、智能化控制技术引入到机械成形设备,大幅提高了设备性能和工艺适应性5,成为电气传动的主要发展方向6。基于此,本文采用伺服电机直接控制辊锻机样机的方式,图2 为伺服电机直连轧辊结构的示意图,图 3 为伺服电机带减速器再连接轧辊结构的示意图。市场上,伺服电机符合大扭矩、低转速轧制力要求的额定转速一般为 400 rmin-1,而辊锻机样机需求的额定转速最高为 150 rmin-1。若采用直连势必造成能图 2 伺服电机直连轧辊结构示意图Fig.2 Schematic diagram of structure for rollers connected with servo motors directly图 3 伺服电机带减速器连接轧辊结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure for rollers connected with servo motors by reducers量浪费,而采用减速器不论在惯量匹配上还是在低速平稳性及价格上均具有优势,最终方案为采用两台交流伺服电机通过减速器连接轧辊,即采用图 3的连接方式。2 电气系统设计2.1 伺服系统控制模式伺服系统主要的 3 种控制模式为:力矩控制模式、速度控制模式、位置控制模式。2.1.1 力矩控制模式在力矩模式下,电机的速度、位置均为开环控制状态,电机根据控制器指令输出恒定的转矩。本文研究内容为双轴同步控制系统,力矩模式无法满足精度定位和同步的要求,故不考虑。2.1.2 速度控制模式在速度控制模式下,电机内部编码器的速度信号反馈到驱动器中,与设定速度值形成闭环控制,动态调整了伺服电机实际运行速度,使之与设定值一致。速度控制环建立在电流环之上。目前,国内一些双轴同步控制策略大多采用双轴速度同步控制方式,主要包括双轴速度并行同步控制方式、双轴速度主从控制方式、虚拟主轴控制方式,各方式的特点如下。(1)双轴速度并行同步控制方式双轴速度并行同步控制方式原理如图 4 所示,两轴分别接收同一个速度运行指令,文献 7 中751第 6 期张中琳等:基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计 图 4 双轴速度并行同步控制原理图Fig.4 Principle diagram of double-axis speed synchronous control指出了该控制方式的弊端,即当无扰动因素影响时,该结构可以达到比较理想的控制效果,但双轴之间没有反馈,整个控制系统相当于开环控制结构,两轴中任何一个在工作过程中受到扰动因素的影响,均会出现较大的同步误差,甚至导致系统不稳定。辊锻机在工作中由于热坯料金属流动性的不确定,两轴的受力情况并不相同,采用这种控制方式很可能造成双轴错位,因此,双轴速度并行同步方式不适用于本系统。(2)双轴速度主从控制方式将两个伺服轴中的一个设定为主轴,另一个设为从轴,上位机控制单元向主轴发送速度指令,并且上位机的一个数字比较器开始进行主从轴的速度差值比较,将差值送入从轴控制回路的输入端,当差值为零时,两轴的速度一致,完成双轴速度同步。双轴速度主从控制方式原理如图 5 所示,可以看出,当从轴电机受到扰动时,主轴电机无法对其做出相应的速度调整,未能及时修正误差,导致主从轴间的速度误差增大。图 5 双轴速度主从控制原理图Fig.5 Principle diagram of double-axis speed master-slave control(3)虚拟主轴控制方式在运动控制系统中,有实轴与虚轴之分,实轴关连具体的伺服电机,而虚轴是软件中设置的虚拟存储值,只存在于控制器中,虚轴可作为主轴,实轴可作为从轴,主从配合进行同步运算,虚轴作为主轴的优点是其不会受现场环境影响而产生误差,其控制原理图如图 6 所示。图 6 虚拟主轴控制原理图Fig.6 Principle diagram of virtual principal axis control2.1.3 位置控制模式位置控制模式是基于位置环的控制,位置环的反馈来自于伺服系统编码器。位置环输入值和来自编码器反馈的信号,经过偏差计数器计算后,得出的数值再经过位置环 PID 调节,调节输出值和位置给定的前馈值之和构成了速度环的给定值。双轴同步伺服驱动系统为保证双轴位置的同步性,适宜采用虚拟主轴的位置控制模式,即比较主动电机和从动电机的转速,其差值经补偿器加到从动电机或主动电机的控制输入端8,本文设计了虚拟主从轴位置耦合同步控制系统,如图 7 所示。在运动控制系统中,控制器设定了一个虚拟轴,虚拟轴的位移量由实际双轴的位置给定。虚拟主轴与从轴之间采用偏差耦合同步控制模式。偏差耦合同步控制模式的主要思想为:将某一台电机的位置反馈同其他电机的位置反馈分别作差,然后将所有的差值相加作为该电机的位置补偿信号。将双电机有机联系在一起,当系统负载出现波动而导致其中一个电机速度发生变化时,另外一个电机能够及时调整运行状态,以便保持双电机同步运行。图 7 虚拟主轴主从耦合同步控制原理图Fig.7 Principle diagram of virtual principal axis master-slave coupling synchronous control851锻压技术 第 48 卷2.2 整体控制方案设计本系统控制单元采用倍福运动控制器 CX 系列,其自带的软件平台 TwinCAT NC I 可实现普通定位运动功能、电子齿轮同步功能及带插补的轴运动功能。软件包括系统管理(System Manager)、PLC 控制(PLC Control)和 数 据 波 形(ScopeView)等 工具9,其集成的 EtherCAT 总线技术是一种以以太网为基础的现场总线技术,具有开放式架构,网络拓扑结构灵活简单10。永磁伺服同步电机具有功率因数大、调速范围广、效率高等优点,在汽车、印刷、食品等行业应用广泛11,本文的伺服驱动系统采用包米勒一拖二整流单元-BM 整流单元,带两台逆变器组作为传动装置。网络结构如图 8 所示。双轴同步伺服驱动系统对系统的稳定性、同步性要求较高,采用倍福 CX 运动控制器,基于微软操作系统的嵌入式 PC(Personal Computer),不但具有传统 PLC 的逻辑控制功能还搭载了运动控制软件,使逻辑控制和运动控制之间的数据交换更加迅速。本系统将倍福 CX 运动控制器作为位置控制的核心部件,控制辊锻机双轴的两个伺服驱动器作为图 8 系统网络框架图Fig.8 Frame diagram of system network物理轴,只需工作在速度模式下即可,倍福 CX 运动控制器将通过算法在每个控制周期内向两个伺服驱动器发送目标速度和目标位置,由软件控制电机定位,使双轴达到同步的要求。将两个绝对值编码器分别装在两个伺服电机轴端,用来采集轴位置及轴速,伺服驱动器将采集的信息通过 EtherCAT 以太网高速通讯总线反馈至倍福 CX 运动控制器,控制系统原理如图9 所示,其中,e 为误差。图 9 控制系统原理图Fig.9 Principle diagram of control system2.3 工艺流程路线考虑工艺要求和控制角度,辊锻机双轴伺服驱动系统应满足以下要求:(1)辊锻机双轴分别具有调整点动功能,点对点定位功能;(2)辊锻机双轴分别具有回零功能,以校准双轴起始位置;(3)辊锻机双轴具有位置同步功能,并具有实时纠偏功能,且输出轴力矩高于设定力矩时,报警提示;(4)绘制双轴运行过程中的力矩、速度等重要参数曲线,实时监测运动过程量。根据生产工艺过程,控制器的工艺流程图如图10 所示,分为手动和自动两种模式。在手动模式下,可以通过操作台的“调整选择”开关进行相应的手动操作,对各个轴进行调整;在自动模式下,双轴将进行同步运行。2.4 系统主要参数调节电流环:基于数字 PI 控制器的双闭环矢量控制系统易于实现且控制效果较好,在工程中已被广泛应用12。电流环调节窗口如图 11 所示,调节参数为 P 值(偏差的比例值)、I 值(偏差的积分值)。电流环参数来源于两个方面:(1)与电机型号相关的默认值;(2)软件自动检测电机阻抗、电感后计算所得值,软件自动检测值更为精确。速度环调节窗口如图 12 所示,相关参数为 P值、I 值和力矩前馈因子 T 值,当已知负载惯量时,软件能够自主计算出参数值。根据经验,P 值在 60951第 6 期张中琳等:基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计 图 10 自动模式流程图Fig.10 Flow chart of automatic mode图 11 电流环调节窗口Fig.11 Window of current loop adjustment图 12 速度环调节窗口Fig.12 Window of speed loop adjustment左右时,便于外部二级控制。2.5 编写运动控制程序2.5.1 配置轴TwinCAT NC 是倍福 CX 运动控制器的运动控制软件,软件把电机的运动控制分为 3 层:PLC 轴(PLC 程序中定义的轴变量)、NC 轴(NC 软件中的虚拟轴)和物理轴。倍福 CX 运动控制器的轴调试功能包括单轴的点动、速度控制、位置控制以及双轴联动调试,可虚拟运行,不需要与 PLC 联机。轴调试的目的是测试 NC 轴的配置是否合理,为实现PLC 轴精确控制 NC 轴,达到设备的工艺要求做准备。2.5.2 倍福 CX 运动控制器程序编写(1)调用运动控制库文件 TcMc2.lib,在 PLC程序中,所有对轴的控制都是通过库文件中的 FB块实现的。(2)建立轴变量。运动控制功能块,都是以轴变量为控制对象,编写 PLC 程序之前,要先定义轴变量,双轴控制系统要定义两个轴变量。(3)编写运动控制代码。分别编写单轴及双轴同步联动控制代码,双轴同步控制中,主要是电子齿轮的耦合和解耦的编制。辊锻机双轴同步功能调用了倍福 CX 运动控制器软件 TcMc2.lib 中的电子齿轮功能块,实现了双轴同步联动和双轴解耦。电子齿轮是相对于机械齿轮定义的,机械齿轮的作用之一是实现双轴速比联动,即通过不同齿轮间的齿啮合,实现改变转速和运动方向等功能。在软件中,由电子齿轮代替机械齿轮,实现变速变向功能,即无轴传动,相对于机械齿轮来说,无齿间间隙影响传动误差,提高了双轴耦合精度。在辊锻机双轴控制系统中,由于双轴辊锻过程中,双轴速度需稳定不变,所以,采用 MC_ GearIn(速比整数型)功能块实现双轴的同步耦合控制。当双轴同步轧制完成后,需要解除电子齿轮建立起来的耦合,即齿轮解耦。解耦后,跟随轴将脱离 NC主轴(NC 软件中所设的虚拟主轴),停止运行。3 实验测试辊锻机双轴伺服同步驱动主要硬件配置如表 1所示。表 1 系统硬件Table 1 System hardware序号名称型号数量1伺服电机DS-100L23R22整流单元BM504413逆变单元BM533524安全模块BM5-0-SAF15运动控制器CX102016电源模块CX11001图 13 为控制系统现场照片,由一套 70 kW 的061锻压技术 第 48 卷图 13 控制系统现场照片Fig.13 Real photo of control system伺服整流单元带动两套逆变装置运行。图 14 为辊锻机样机现场照片。实验中,NC 主轴的给定速度为 1250 rmin-1,相对位置运行 1635778 个脉冲。辊锻机的双轴位置波图 14 样机现场照片Fig.14 Real photo of prototype形如图 15a 所示,速度运行波形如图 15b 所示,其中 1 号轴为辊锻机上轴,2 号轴为辊锻机下轴,从波形可以看出,双轴转速超调量较小,波动平稳,均能够迅速到达给定速度,并且运行 1635778 个脉冲后停止,双轴的位置同步跟随性良好。图 15 辊锻机双轴同步运行波形图(a)双轴位置波形(b)双轴速度波形Fig.15 Waveform diagrams of double-axis synchronous operation for roll forging machine(a)Waveform of double-axis position(b)Waveform of double-axis speed4 结语本文从辊锻机双轴伺服同步系统的设计选型、硬件配置、软件设计等方面详细地介绍了双轴同步系统电气设计方案,通过实验数据表明,该方案可行有效,双轧辊平稳运行,同步性良好,系统可实时监控轧辊的动态性能,为后续生产线中辊锻机与机器人手臂同步协作,实现高度自动化提供了可能,为工艺优化设计提供依据,为建设智能化车间提供重要生产数据。参考文献:1 Chikara M,Yuichi H,Hiroki S,et al.Visualized press working and new feedback control for servo press J.Procedia Manufac-turing,2018,15(7):1033-1040.2 孙友松,章争荣.伺服成形技术及其若干发展动向 J.锻压技术,2022,47(1):1-16.Sun Y S,Zhang Z R.Servo forming technology and its several de-veloping trends J.Forging&Stamping Technology,2022,47(1):1-16.3 曹树森,于江.我国辊锻机的发展现状及展望 J.中国重型装备,2015,123(1):18-20,23.Cao S S,Yu J.Current status and forecasts of roll forging press de-velopment in china J.China Heavy Equipment,2015,123(1):18-20,23.4 鲁文其,胡育文,黄文新.基于交流电机重载驱动的复合型伺服压力机 J.电机与控制应用,2008,225(9):11-14.Lu W Q,Hu Y W,Huang W X.Investigation of hybrid servo press based on heavy load driving of AC motor J.Electric Ma-chines&Control Application,2008,225(9):11-14.5 Liu C F,Xing Y L,Wang T.Research of double servo system synchronization control base on decouple compensation control A.Proceedings of Electronic&Mechanical Engineering&In-formation Technology C.Harbin:IEEE,2011.(下转第 203 页)161第 6 期张中琳等:基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计 定压力时,回程缸进液阀组 V9 和 V10 开启,蓄能器压力油进入回程缸,压机实现回程动作。(4)停止:控制压机动作的阀组关闭,压机停止在任意位置。主泵继续对蓄能器组充液,当达到设定最高充液压力时,主泵卸荷运行,如卸荷运行一定时间,主泵电机自动停机。4 结语采用叠加供液技术为快速锻造液压机的不同动作提供相应压力级别的油液,解决了目前快速锻造液压机中装机功率与实际需求不匹配的问题,显著降低了机组的装机功率,降低了能量损耗,提高了能量利用率。叠加供液技术已在作者开发的 35 MN快速锻造液压机组中成功应用:压机及两台 200 和400 kN 的锻造操作机共用压机泵站,总装机功率为1320 kW,不到目前兰石重工相同技术参数的快速锻造液压机组装机功率 4325 kW 的 1/3,其投资成本相近,节能效果明显,企业的使用成本显著降低。参考文献:1 Wepuko PAHNKE GmbH.Hans-Joachim pahnke book EB/OL.https:/www.wepuko.de/en/downloads-videos/hans-joachim-pahnke-book,2020.2 SMS group.New high-speed open-die forging press from SMS group in operation at WST EB/OL.https:/www.sms- Siempelkamp.Intelligent engineering for future generationsEB/OL.https:/ 刘明.基于液压泵和电机能量转换效率提升的液压系统节能方法 D.合肥:合肥工业大学,2015.Liu M.The Energy Saving Method Based on Conversion Efficiency Promoting of Hydraulic Pump and Motor D.Hefei:Hefei Uni-versity of Technology,2015.5 Shang Z D,Gao D,Jiang Z P,et al.Towards less energy inten-sive heavy-duty machine tools:Power consumption characteristics and energy-saving strategies J.Energy,2019,178:263-276.6 Gao M D,Li X Y,Huang H H,et al.Energy-saving methods for hydraulic presses based on energy dissipation analysis J.Proce-dia CIRP,2016,48:331-335.7 Yan X P,Chen B J,Lund H,et al.Analysis of a novel energy-ef-ficient system with 3-D vertical structure for hydraulic press J.Energy,2021,(218):119518-119527.8 Xu Z C,Liu Y X,Hua L,et al.Energy analysis and optimization of main hydraulic system in 10000 kN fine blanking press with sim-ulation and experimental methods J.Energy Conversion Man-agement,2019,181:143-158.9 Yan X P,Chen B J,Zhang D W,et al.An energy-saving method to reduce the installed power of hydraulic press machines J.Journal of Cleaner Production,2019,233:538-545.10姚静,魏晨光,李彬,等.自由锻造油压机常锻工况能耗特性 J.中国机械工程,2016,27(11):1508-1514.Yao J,Wei C G,Li B,et al.Regular forging energy characteris-tics for open-die hydraulic forging press J.China Mechanical Engineering,2016,27(11):1508-1514.11Yan X P,Chen B J.Analysis of a novel energy-efficient system with a bidirectional supercharger for forging hydraulic press J.Journal of Cleaner Production,2021,(286):125520-125530.12Yan X P,Chen B J.Energy efficiency improvement and processing performance optimization of forging hydraulic presses based on an energy-saving buffer system J.Applied Sciences,2020,10(17):6020-6034.(上接第 161 页)6 陈伯时.交流调速系统 M.第 3 版.北京:机械工业出版社,2013.Chen B S.AC Velocity Adjustment System M.3nd Edition.Beijing:China Machine Press,2013.7 潘亮,周武能,张扬.基于模糊 PID 主从式方法的多电机同步控制 J.网络安全与数据治理,2016,35(15):5-7.Pan L,Zhou W N,Zhang Y.The multi-motor synchronous control based on fuzzy PID master-slave method J.Cyber Security and Data Governance,2016,35(15):5-7.8 刘福才,张学莲,刘立伟.多级电机传动系统同步控制理论与应用研究 J.控制工程,2002,(4):87-90.Liu F C,Zhang X L,Liu L W.Research on the theory and appli-cation of synchronous control of multi-stage motor drive system Con-trol J.Control Engineering of China,2002,(4):87-90.9 苏明垢,鲁文其,纪科辉,等.基于 EtherCAT 通信的双直线电机位置联动控制系统设计 J.电机与控制应用,2019,46(4):48-56.Su M G,Lu W Q,Ji K H,et al.Design of dual-linear-motor po-sition position linkage control system based on EtherCAT communi-cation J.Electric Machines&Control Application,2019,46(4):48-56.10Chen X,Li D,Wan J F,et al.A clock synchronization method for EtherCAT master J.Microprocessors&Microsystems,2016,46:211-218.11王斌,王跃,王兆安.空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制 J.电机与控制学报,2010,14(6):45-50.Wang B,Wang Y,Wang Z A.Direct torque control of perma-nent magnet synchronous motor drives using space vector modula-tion J.Electric Machines and Control,2010,14(6):45-50.12周明磊,游小杰,王琛琛.电力机车牵引传动系统矢量控制 J.电工技术学报,2011,26(9):110-115,129.Zhou M L,You X J,Wang C C.Vector control of driving system of locomotive J.Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(9):110-115,129.302第 6 期陈柏金等:快速锻造液压机叠加供液节能技术