SEW伺服控制在全自动倒棱机进给系统上的应用.docx

SEW 伺服控制在全自动倒棱机进给系统上的应用杨娟;钟存福;黄明初【摘 要】 介绍了 SEW 伺服控制下全自动倒棱机进给系统的机械结构及其控制过程. 该 SEW 伺服控制系统主要包括 SEW 伺服控制器、 PLC、触摸屏,通过 PROFIBUS- DP 对倒棱机进给系统的位置和状态进行监控;利用 SEW 伺服控制器输出扭矩大、 运行速度准确稳定、快速定位等特点,克服了进给系统的误差,保证了进给系统的稳 定,从而提高 HFW 钢管坡口切割的质量和效率,满足倒棱机生产节奏的要求.【期刊名称】 钢管【年(卷),期】 2014(043)004【总页数】 4 页(P68-71)【关键词】 HFW 生产线;倒棱机;进给系统;SEW 伺服控制;PROFIBUS-DP;精确定位; 全自动【作 者】 杨娟;钟存福;黄明初【作者单位】 中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂,湖北荆州 434001; 中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂,湖北荆州 434001;中国石化集团 石油工程机械有限公司沙市钢管厂,湖北荆州 434001【正文语种】 中 文【中图分类】 TG502.35平头倒棱机设计为高频焊( HFW)管管端的自动平头倒棱，其目的是切削钢管外倒角或提供焊接用坡口，切削管端保证管端与同轴线的垂直度，为现场施工加工出 所需的坡口，以便进行组对和焊接。倒棱机设备中的进给系统是最为关键的部分， 它的运行状况决定着加工钢管的坡口精度和管端的光滑平整度 1 。中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂(简称沙市钢管厂) HFW 生产线 选购了国内最新设计的全自动倒棱机，其生产效率为 2 根/min。该全自动倒棱机 的动力头进给采取伺服减速电机驱动和滚珠丝杠进给的传动技术，按“空载快进 粗进给精进给原地平整快退”的顺序完成每根钢管的平头倒棱过程。本 文将重点介绍 SEW 伺服控制在全自动倒棱机进给系统上的应用。1 进给系统机械结构全自动倒棱机的进给传动系统包括 SEW 伺服电机、减速机、轴承座、联轴器及滚 珠丝杠等。进给系统中伺服电机和减速机的选型最为重要，如伺服电机的电机功率 和减速机的减速比 2 ，选型时需要满足快进时进给速度大而输出扭矩小，工进 时进给速度小而输出扭矩大。经计算并试验验证，选用 7.5 kW 伺服电机及其自带 的减速机，减速比为 7 ，电机最大输出扭矩为 146 N m，试生产后完全满足现场 要求 3-4 。全自动倒棱机进给系统的机械结构如图 1 所示。图 1 全自动倒棱机进给系统机械结构示意2 电气控制系统的设计采用可编程逻辑控制器 S7-300 ( PLC )、 SEW 伺服控制器、伺服减速电机、触摸 屏等组成基于 PROFIBUS-DP 现场总线控制的系统 5-9 。其中 PLC 作为控制 单元， SEW 伺服控制器作为驱动单元，伺服减速电机作为执行单元，伺服电机内 置的编码器作为数据采集器，系统中的触摸屏可实现在线调速并实时显示工进速度 等其他参数。全自动倒棱机电气控制系统结构如图 2 所示。图 2 全自动倒棱机电气控制系统结构德国 SEW 公司提供的 MOVIDRIVE 系列伺服控制器内置有位置处理器，采用伺服电机尾部的编码器作为位置信息源构成位置环 4 。该伺服控制系统是闭环控制， 具有控制可靠、响应快速、运行速度稳定等优点，并且伺服电机输出扭矩大，而这 些特点均是全自动倒棱机所必需的。3 SEW 伺服控制设计和调试3.1 SEW 伺服电机的程序设计SEW 伺服变频器的 PROFIBUS-DP 现场总线控制，选择所要组态的过程值，选 “6PD”， PLC 接收从变频器 6 个过程输入字“6PI”，包括状态字、实际位置、 实际转速、有功电流、利用率； PLC 发送 6 个过程输出字“6PO”，包括控制字、 目标位置、设定速度、加速时间、减速时间 9 。 SEW 伺服变频器的硬件组态如 图 3 所示。 SEW 伺服控制系统通过软件 MT-Manager 进行参数设置 5 ， SEW 伺服变频器的参数调试界面如图 4 所示。图 3 SEW 伺服变频器的硬件组态图 4 SEW 伺服变频器的参数调试界面在 PLC 中， Step7 软件中调用一个伺服变频器 PROFIBUS-DP 总线控制功能 FC140 ，以此实现状态字、实际位置、运行速度、实时电流、故障的读取，控制字、 速度设定、目标位置的写入 10 。 SEW 伺服控制系统程序 FC140 具体如下： CALL FC 140/SEW 伺服控制程序DRIVE_IO_ADDRESS： =320/伺服控制器外部起始地址ENABLE_RAPID_STOP ： =L0.0/使能RESET： =L0.1/故障复位JOG_PLUS_MODE： =L0.2/点动正转JOG_MINUS_MODE ： =L0.3/点动反转REF_TRAVEL_MODE ： =L0.4/寻参模式POSITIONING_MODE ： =L0.5/自动模式SETPOINT_POS ： =MD222/设定位置值SETPOINT_SPEED ： =MW216/设定速度值START_RAMP ： =2000/加速时间STOP_RAMP ： =1000/减速时间COMMUNICATION_OK： =M236.1FAULT_OF_AXIS ： =M235.0WARNING_OF_AXIS： =M235.1INVERTER_READY： =M235.2REFERENCED： =M236.2TARGET_POS_REACHED： =M237.1AXIS_INTERLOCKED： =M237.0FAULT_NO： =MW214ACTUAL_POSITION ： =MD210/实际位置显示ACTUAL_SPEED ： =MW220/实际运行速度ACTUAL_CURRENT ： =MW230/实际运行电流3.2 倒棱机工进位置、速度的算法伺服位置控制程序的具体步骤：定位时首先设定速度、定位位置，再给定控制字一 个值，使伺服进给系统运行起来。其中包含了进给运行轨迹、进给速度的运算，进 给电机运行轨迹如图 5 所示，其中 Vi 为回退速度。主轴箱完成每一根钢管的进给 流程：位于后退位置 d的进给电机在启动后 2 s 内匀加速到快进速度 Vh ，保持快 进速度匀速向前快进，然后减速至粗进给起始位置 b ，以粗加工速度 Vg 前进至精 进给起始位置 f，并减速至精加工速度 Vj ，原地平整 1 s。倒棱完毕进给电机快速 返回原点。现场调试后，将 c 与 b 之间的距离即减速距离在程序中设置为 20 mm。 图 5 进给电机运行轨迹内部运算主要是通过进给轨迹算法子程序 FC27 来实现的。其基本思想是：将运行 轨迹分为快进区间、减速区间、粗加工区间、精加工区间。系统 PLC 循环扫描程 序，实时读取到当前实际位置( #ACTUAL POSITION )所处的范围， PLC 根据其 所处范围进行判断，进而赋予设定速度 11 。进给电机转速可通过公式( 1 )来 计算：式中 Rx进给电机转速， r/min；N进给电机减速比；V花盘线速度， m/min；S机头工进量， mm/r；D钢管管径， mm；L进给电机丝杠导程， mm。在式( 1 )中， N、 D、 L 已知，根据经验确定 V、 S。实际计算后可得进给电机转 速为 18.8 r/min。以此为参考，在触摸屏上设置粗加工速度 Vg 和精加工速度 Vj。 从触摸屏上可更改快进速度 Vh、粗加工速度 Vg、精加工速度 Vj、后退位置、粗 加工开始位置和最终位置。在实际调试运行时，根据现场实际情况和经验，不断调 整系统运行位置、速度，以确保最佳效果，从而获取相关参数 12 。进给轨迹的程序 FC27 具体如下：CALL FC27FINAL_POSITION ： =DB9.DBD2/进给电机的最终位置FAST_SPEED ： =DB9.DBW0/快进速度WORK_SPEED1 ： =DB9.DBW6/粗加工速度ACTUAL_POSITION ： =MD210/实际位置WORK_POSITION_START： =DB9.DBD14/工作启动位置WORK_SPEED2 ： =DB9.DBW24/精加工速度OUT_SPEED ： =MW216/设定速度WORK INTERVAL ： =M413.0/进给点反馈4 结 语实践证明， SEW 伺服驱动系统具有输出扭矩大、运行速度准确稳定、可快速定位 等特点，有效地克服了进给系统的误差，降低了调型时间和劳动强度，并保证了进 给的稳定性，提高了坡口切割的质量和效率。同时，由于采用了 PROFIBUS-DP 现场总线技术，实现了倒棱机的数字化、自动化控制，同时具备实时监控能力，提 高了进给系统的稳定性和故障处理能力。通过一段时间的使用，该进给系统性能稳 定，运行可靠，满足了 HFW 生产线对倒棱机生产节奏的要求，在 HFW 倒棱机控 制系统上具有较好的推广价值。5 参考文献 1 李秉祥，陈东才 .新型平头倒棱机的设计及应用 J .焊管， 2002， 25 ( 6 )：59-60. 2 黎定一 .机械进给钢管自动平头倒棱机及气动自定心平头倒棱夹具 J .焊管， 1999，22 ( 1 )： 25-27. 3 张培庆.钢管平头倒棱机的设计与制造 J .钢管， 1998，27 ( 1 )： 35-38.4刘邦义，解吉辉，孙丽丽，等.平头倒棱机技术特点及发展 J .重型机械， 2005 ( 6 )： 1-3. 5 郭强.PROFIBUS-DP 在自控系统中的应用 J . 自动化博览， 2002 ( 2 )： 12-13. 6 吴志军.现场总线 PROFIBUS 及其应用 J .钢管， 2005，34 ( 4 )： 45-48. 7 卢红义.工业现场总线技术在制管生产线上应用探索 J .焊管， 2004，27 ( 5 )： 40-42. 8 刘换军，王华，王小毅.PROFIBUS-DP 现场总线技术在 HFW 焊管机组电气 系统中的应用 J .焊管， 2011，34 ( 11 )： 46-51. 9 孙少波，冯俊 .PROFIBUS-DP 现场总线干扰原因分析 J .黑龙江科技信息， 2011 ( 2 )： 76. 10 罗红福，胡斌，钟存福，等.PROFIBUS-DP 现场总线工程应用实例解析 M .北京：中国电力出版社， 2008. 11 张超，谷立臣，赵永平 .钢管倒棱机伺服系统的开发与设计 J .重型机械， 2005 ( 5 )： 49-51. 12 廖常初 .S7-300 PLC 应用技术 M .北京：机械工业出版社， 2008.