伺服控制系統(tǒng)在定心機(jī)上的應(yīng)用

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

在無縫鋼管加工設(shè)備中，由于大量地采用伺服控制，使得先前較復(fù)雜的控制過程變得簡(jiǎn)單，其中管坯定心設(shè)備就屬于比較典型的伺服控制。所謂的定心，就是在管坯端面的中心處，用鉆頭打一個(gè)深度約40 mm、直徑為30 mm的孔。管坯的前端面定心是為了提高穿孔后鋼管的同心度，同時(shí)減少穿孔頂頭咬入時(shí)的壓力，防止出現(xiàn)前卡，后端面定心是為了防止出現(xiàn)后卡。管坯的定心方法主要有熱定心和冷定心兩種。其中熱定心是在對(duì)管坯加熱后，通過外力用鏨子打孔定心，它的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、快捷，缺點(diǎn)是不便于人工觀察效果，并且一旦定心機(jī)出現(xiàn)故障，管坯冷卻后，則不能進(jìn)入下道工序，造成生產(chǎn)浪費(fèi)；冷定心是在對(duì)管坯加熱前，通過機(jī)械方式用鉆頭進(jìn)行鉆孔，優(yōu)點(diǎn)是定心精度高、便于人工檢查，缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜。天津鋼管集團(tuán)股份有限公司在對(duì)管坯的加工處理方面選用控制精度高的冷定心設(shè)備（這種冷定心設(shè)備在下面的陳述中簡(jiǎn)稱為定心機(jī)）。定心機(jī)中的電氣控制系統(tǒng)主要由伺服控制系統(tǒng)組成，而伺服控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)組成并結(jié)合PLC控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭的精確控制，與傳統(tǒng)控制方式相比較，伺服控制可以完成位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，大幅度提高精度［1-2］，從而可以使定心機(jī)在鋼管軋制過程中大大降低“鐵耳”對(duì)鋼管內(nèi)壁的損傷，提高鋼管內(nèi)表面質(zhì)量及芯棒的使用壽命。

1 定心機(jī)的組成及工作原理

460機(jī)組的定心機(jī)由意大利的LAZZARI公司提供，定心設(shè)備主要由定心機(jī)座、定心機(jī)頭、機(jī)頭進(jìn)給裝置、坯子夾緊裝置、氣動(dòng)、液壓及潤(rùn)滑等裝置組成。定心機(jī)在由機(jī)座組成的床身上作水平運(yùn)動(dòng)。安裝在機(jī)頭上的主驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)是一個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)，它通過1個(gè)萬向軸驅(qū)動(dòng)2個(gè)鉆頭。2個(gè)鉆頭根據(jù)不同坯料的直徑可在垂直方向進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。主驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的額定功率為45 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 475 r/min；機(jī)頭進(jìn)給裝置是由一個(gè)交流伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠組成的進(jìn)給系統(tǒng)。交流伺服電動(dòng)機(jī)額定功率為5.6 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最小進(jìn)給速度是0，最大為100 mm/s；坯子夾緊裝置安裝在鉆機(jī)的主體結(jié)構(gòu)上。該裝置由2個(gè)杠桿帶動(dòng)垂直的“V”型塊，連桿由2個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)。垂直夾具的行程可以用來夾緊不同直徑的坯料。

定心機(jī)工藝參數(shù)如下：抗拉強(qiáng)度為最大1 200 N/mm2；坯子外徑為坯子直徑公差為±1.4%；管坯長(zhǎng)度為最小1 150 mm，最大5 000 mm；鉆頭直徑為最小；鉆孔深為最小20mm，最大50 mm；鉆頭進(jìn)給速度為最小500 r/min，最大2 000 r/min。

管坯通過鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸機(jī)被送到對(duì)齊輥道，對(duì)齊輥道前有對(duì)齊擋板，擋板的作用是使管坯端面與鉆孔機(jī)前位置在一條直線上。管坯和鉆孔機(jī)頭部對(duì)齊后由步進(jìn)移鋼機(jī)送至定心機(jī)前的“V”型鞍座。“V”型鞍座共有4段，每一段鞍座由0.55 kW三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每一段鞍座下均裝有位移傳感器，傳感器對(duì)當(dāng)前坯料位置進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量的數(shù)值傳輸給PLC，PLC計(jì)算當(dāng)前的坯料圓心值，并和預(yù)先的設(shè)定值（由操作臺(tái)根據(jù)坯料的外徑尺寸預(yù)先設(shè)定）進(jìn)行比較，鞍座根據(jù)計(jì)算后的差值調(diào)整坯料的圓心和鉆頭間的對(duì)齊位置，形成閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。精確了坯料的圓心位置。

2 伺服控制系統(tǒng)在定心機(jī)上的應(yīng)用

2.1 定心機(jī)中的伺服控制方式

綜上所述，圓心位置確定后，定心機(jī)前的夾緊系統(tǒng)夾緊坯子，由定心機(jī)的進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)完成對(duì)管坯的定位操作，定位原理如圖1所示，絲杠與安裝鉆頭的空心軸相連作為此系統(tǒng)中的被移動(dòng)機(jī)械設(shè)備，此機(jī)械設(shè)備的另一端通過皮帶與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，絲杠的另一端與交流伺服電動(dòng)機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)鉆頭的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。交流伺服控制系統(tǒng)由艾默生CT公司的Unidrive SP2403伺服驅(qū)動(dòng)器（伺服控制器）、交流伺服電動(dòng)機(jī)以及反饋元件（反饋用正交編碼器，與伺服電動(dòng)機(jī)固化在一起）及編程操作接口等組成，Unidrive SP2403伺服驅(qū)動(dòng)器將運(yùn)動(dòng)控制模塊和驅(qū)動(dòng)器固化在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和位置提供精確與穩(wěn)定的控制［3-4］。

圖1 定心機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Centering the servo system structure diagram

圖2所示是定心機(jī)的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。Unidrive SP2403伺服驅(qū)動(dòng)器中的運(yùn)動(dòng)控制模塊接收通過編碼器電纜傳送過來的伺服電動(dòng)機(jī)正交編碼器信號(hào)。

圖2 定心機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Centering structure diagram

這種交流伺服電動(dòng)機(jī)的軸端裝有測(cè)定軸速和換向點(diǎn)的正交編碼器，其中正交編碼器主要用于將伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置反饋給Unidrive SP2403伺服驅(qū)動(dòng)器，以及控制電動(dòng)機(jī)線圈的切換順序。而在絲杠的尾端安裝MTS公司GH-M-0450M-D60-1-A0位移傳感器，確定被移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備（鉆頭）所在的實(shí)際位置，從而控制伺服電動(dòng)機(jī)在不同的位置以不同的進(jìn)給速度運(yùn)行。此位移傳感器可以使由于傳動(dòng)裝置和絲杠中的間隙（2個(gè)或多個(gè)齒輪間的間隙）所導(dǎo)致的誤差而引起的旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機(jī)軸的位置不一致問題得到解決。

Unidrive SP2403伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制模塊由1個(gè)微處理器和1個(gè)用于處理高速編碼信號(hào)的DSP組成。運(yùn)動(dòng)控制模塊為交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元提供1個(gè)控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單元把它轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鳎üβ剩┤ヲ?qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)動(dòng)控制模塊的編碼輸入電路——接收器電路，實(shí)際上就是伺服驅(qū)動(dòng)器與正交編碼器輸出之間的接口電路。正交編碼器輸出6路RS-422/RS-485信號(hào)（A，A*，B，B*，Z，Z*），通過電纜傳送至運(yùn)動(dòng)控制模塊的接收電路。接收電路把信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號(hào)，并把信號(hào)送至運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)行處理。

2.2 定心機(jī)中的PLC組態(tài)及伺服控制過程

定心機(jī)的整個(gè)電氣控制系統(tǒng)主要由西門子S7 300 PLC控制器、Nidec ASI公司的GT系列變頻器和交流電動(dòng)機(jī)、艾默生CT公司的Unidrive SP系列伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電動(dòng)機(jī)以及傳感器等元件組成［5］。

圖3所示是S7-300PLC的硬件組態(tài)，由CPU、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、ET200站等組成。系統(tǒng)采用Profibus DP網(wǎng)絡(luò)將變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器相連接，以實(shí)現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動(dòng)器及變頻器之間的數(shù)據(jù)交換和傳輸。ET200站中裝有模擬量輸入模塊，檢測(cè)鉆頭位置的傳感器通過該模塊將鉆頭的位置信號(hào)傳送給PLC，PLC通過Profibus DP網(wǎng)絡(luò)將鉆頭所在位置和交流伺服電動(dòng)機(jī)的給定速度等數(shù)據(jù)傳輸給伺服驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)鉆頭在不同位置、進(jìn)給速度的精確控制。

圖3 定心機(jī)PLC硬件組態(tài)圖Fig.3 Centering PLC hardware configuration diagram

整個(gè)系統(tǒng)的伺服控制過程如下所述：PLC計(jì)算出交流伺服電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的給定轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過Profibus DP網(wǎng)絡(luò)傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器和變頻器，計(jì)算如下：

定心機(jī)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)速度給定為

式中：Vref_rot為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)給定速度，r/min；Vset_rot為操作面板上設(shè)定的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，m/min；R1為傳輸比，取值1.454 545×103；Dhole_set為操作面板上設(shè)定的孔的直徑，mm。

定心機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)速度給定為

式中：Vref_feed為伺服電動(dòng)機(jī)給定速度，r/min；Qset為操作面板上設(shè)定的鉆頭單齒切削量，mm/r；Vset_rot為操作面板上設(shè)定的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，m/min；R2為傳輸比，取值7.0×103；Dhole_set為面板上設(shè)定的孔的直徑，mm；S為絲杠每轉(zhuǎn)1圈設(shè)備位置變換值，取值10 mm/r。

通過傳感器的反饋信號(hào)和鉆孔深度的設(shè)定，PLC計(jì)算出在鉆頭快速接近坯料、慢速定心坯料、快速回退的整個(gè)定心過程中交流伺服電動(dòng)機(jī)的給定速度及運(yùn)行區(qū)間，確定鉆頭的前后極限位置（此位置為通過位移傳感器反饋信號(hào)確定的軟極限位置，定心機(jī)除了軟極限以外，還用極限開關(guān)設(shè)定了鉆頭運(yùn)動(dòng)的機(jī)械極限）。

當(dāng)位移傳感器所反饋的值L≥400 mm時(shí)，說明伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆頭進(jìn)給已經(jīng)超出前極限位。當(dāng)位移傳感器所反饋的值L≤10 mm時(shí)，說明伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆頭回退至停車位。

鉆頭進(jìn)給過程中，當(dāng)位移傳感器所反饋的值L≤LTOTAL-LHEAD-45 mm時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆頭快速進(jìn)給。

當(dāng)位移傳感器所反饋的值L≥LTOTAL-LHEAD-45 mm時(shí)，說明伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的鉆頭刀片將與坯料端面接觸，定心開始，伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流伺服電動(dòng)機(jī)將以Vref_feed這一速度驅(qū)動(dòng)鉆頭定心。

其中LTOTAL為位移傳感器在零位時(shí)安裝鉆頭的空心軸底部到坯料端面的距離。LHEAD為鉆頭的長(zhǎng)度，此長(zhǎng)度因鉆頭不同，數(shù)值也不相同，45 mm為鉆頭底部距離空心軸底部的距離，此長(zhǎng)度不因鉆頭的不同而改變。當(dāng)L≥LTOTAL-LHEAD-45 mm+LDEPTH時(shí)，PLC向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送進(jìn)給停止命令，坯料定心完成，鉆頭等待返回命令。程序流程圖如圖4所示。LDEPTH為TP面板上設(shè)定的鉆孔深度。

在返回過程中當(dāng)25 mm＜L≤LTOTAL-LHEAD-45 mm+LDEPT時(shí)，鉆頭快速返回。回退至L≤25 mm時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)減速，當(dāng)L=10 mm時(shí)，減為零速。

圖4 伺服電機(jī)進(jìn)給定心程序流程圖Fig.4 Servo motor feeding centring program flow diagram

3 結(jié)論

由上可知，伺服控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)組成并結(jié)合PLC控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的精確控制。定心機(jī)采用伺服控制后，設(shè)備的自動(dòng)化程度大大提高，減少了人工成本。同時(shí)由于伺服電動(dòng)機(jī)的功率小，減少了能源消耗，能快速制動(dòng)，更主要的是定位精度高，并能檢測(cè)到實(shí)際位置和理論位置的誤差。伺服控制系統(tǒng)相對(duì)于其它傳統(tǒng)控制方式，其精度可以提高數(shù)十倍，甚至更高。可以完成位置、速度和力矩的閉環(huán)控制。

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