SEW伺服控制在全自動倒棱機進給系統(tǒng)上的應(yīng)用

楊 娟，鐘存福，黃明初

（中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

平頭倒棱機設(shè)計為高頻焊（HFW）管管端的自動平頭倒棱，其目的是切削鋼管外倒角或提供焊接用坡口，切削管端保證管端與同軸線的垂直度，為現(xiàn)場施工加工出所需的坡口，以便進行組對和焊接。倒棱機設(shè)備中的進給系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的部分，它的運行狀況決定著加工鋼管的坡口精度和管端的光滑平整度［1］。

中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠（簡稱沙市鋼管廠）HFW生產(chǎn)線選購了國內(nèi)最新設(shè)計的全自動倒棱機，其生產(chǎn)效率為2根/min。該全自動倒棱機的動力頭進給采取伺服減速電機驅(qū)動和滾珠絲杠進給的傳動技術(shù)，按“空載快進—粗進給—精進給—原地平整—快退”的順序完成每根鋼管的平頭倒棱過程。本文將重點介紹SEW伺服控制在全自動倒棱機進給系統(tǒng)上的應(yīng)用。

1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

全自動倒棱機的進給傳動系統(tǒng)包括SEW伺服電機、減速機、軸承座、聯(lián)軸器及滾珠絲杠等。進給系統(tǒng)中伺服電機和減速機的選型最為重要，如伺服電機的電機功率和減速機的減速比［2］，選型時需要滿足快進時進給速度大而輸出扭矩小，工進時進給速度小而輸出扭矩大。經(jīng)計算并試驗驗證，選用7.5 kW伺服電機及其自帶的減速機，減速比為7，電機最大輸出扭矩為146 N·m，試生產(chǎn)后完全滿足現(xiàn)場要求［3-4］。全自動倒棱機進給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全自動倒棱機進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意

2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

采用可編程邏輯控制器S7-300（PLC）、SEW伺服控制器、伺服減速電機、觸摸屏等組成基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制的系統(tǒng)［5-9］。其中PLC作為控制單元，SEW伺服控制器作為驅(qū)動單元，伺服減速電機作為執(zhí)行單元，伺服電機內(nèi)置的編碼器作為數(shù)據(jù)采集器，系統(tǒng)中的觸摸屏可實現(xiàn)在線調(diào)速并實時顯示工進速度等其他參數(shù)。全自動倒棱機電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 全自動倒棱機電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

德國SEW公司提供的MOVIDRIVE系列伺服控制器內(nèi)置有位置處理器，采用伺服電機尾部的編碼器作為位置信息源構(gòu)成位置環(huán)［4］。該伺服控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制，具有控制可靠、響應(yīng)快速、運行速度穩(wěn)定等優(yōu)點，并且伺服電機輸出扭矩大，而這些特點均是全自動倒棱機所必需的。

3 SEW伺服控制設(shè)計和調(diào)試

3.1 SEW伺服電機的程序設(shè)計

SEW伺服變頻器的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制，選擇所要組態(tài)的過程值，選“6PD”，PLC接收從變頻器6個過程輸入字“6PI”，包括狀態(tài)字、實際位置、實際轉(zhuǎn)速、有功電流、利用率；PLC發(fā)送6個過程輸出字“6PO”，包括控制字、目標(biāo)位置、設(shè)定速度、加速時間、減速時間［9］。SEW伺服變頻器的硬件組態(tài)如圖3所示。SEW伺服控制系統(tǒng)通過軟件MT-Manager進行參數(shù)設(shè)置［5］，SEW伺服變頻器的參數(shù)調(diào)試界面如圖4所示。

圖3 SEW伺服變頻器的硬件組態(tài)

圖4 SEW伺服變頻器的參數(shù)調(diào)試界面

在PLC中，Step7軟件中調(diào)用一個伺服變頻器PROFIBUS-DP總線控制功能FC140，以此實現(xiàn)狀態(tài)字、實際位置、運行速度、實時電流、故障的讀取，控制字、速度設(shè)定、目標(biāo)位置的寫入［10］。SEW伺服控制系統(tǒng)程序FC140具體如下：

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//故障復(fù)位

JOG_PLUS_MODE：=L0.2//點動正轉(zhuǎn)

JOG_MINUS_MODE ：=L0.3//點動反轉(zhuǎn)

REF_TRAVEL_MODE ：=L0.4//尋參模式

POSITIONING_MODE ：=L0.5//自動模式

SETPOINT_POS ：=MD222//設(shè)定位置值

SETPOINT_SPEED ：=MW216//設(shè)定速度值

START_RAMP ：=2000//加速時間

STOP_RAMP ：=1000//減速時間

COMMUNICATION_OK：=M236.1

FAULT_OF_AXIS ：=M235.0

WARNING_OF_AXIS：=M235.1

INVERTER_READY：=M235.2

REFERENCED：=M236.2

TARGET_POS_REACHED：=M237.1

AXIS_INTERLOCKED：=M237.0

FAULT_NO：=MW214

ACTUAL_POSITION ：=MD210//實際位置顯示

ACTUAL_SPEED ：=MW220//實際運行速度

ACTUAL_CURRENT ：=MW230//實際運行電流

3.2 倒棱機工進位置、速度的算法

伺服位置控制程序的具體步驟：定位時首先設(shè)定速度、定位位置，再給定控制字一個值，使伺服進給系統(tǒng)運行起來。其中包含了進給運行軌跡、進給速度的運算，進給電機運行軌跡如圖5所示，其中Vi為回退速度。主軸箱完成每一根鋼管的進給流程：位于后退位置d的進給電機在啟動后2 s內(nèi)勻加速到快進速度Vh，保持快進速度勻速向前快進，然后減速至粗進給起始位置b，以粗加工速度Vg前進至精進給起始位置f，并減速至精加工速度Vj，原地平整1 s。倒棱完畢進給電機快速返回原點?，F(xiàn)場調(diào)試后，將c與b之間的距離即減速距離在程序中設(shè)置為20 mm。

圖5 進給電機運行軌跡

內(nèi)部運算主要是通過進給軌跡算法子程序FC27來實現(xiàn)的。其基本思想是：將運行軌跡分為快進區(qū)間、減速區(qū)間、粗加工區(qū)間、精加工區(qū)間。系統(tǒng)PLC循環(huán)掃描程序，實時讀取到當(dāng)前實際位置（#ACTUAL POSITION）所處的范圍，PLC根據(jù)其所處范圍進行判斷，進而賦予設(shè)定速度［11］。進給電機轉(zhuǎn)速可通過公式（1）來計算：

式中Rx——進給電機轉(zhuǎn)速，r/min；

N——進給電機減速比；

V——花盤線速度，m/min；

S——機頭工進量，mm/r；

D——鋼管管徑，mm；

L——進給電機絲杠導(dǎo)程，mm。

在式（1）中，N、D、L已知，根據(jù)經(jīng)驗確定V、S。實際計算后可得進給電機轉(zhuǎn)速為18.8 r/min。以此為參考，在觸摸屏上設(shè)置粗加工速度Vg和精加工速度Vj。

從觸摸屏上可更改快進速度Vh、粗加工速度Vg、精加工速度Vj、后退位置、粗加工開始位置和最終位置。在實際調(diào)試運行時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和經(jīng)驗，不斷調(diào)整系統(tǒng)運行位置、速度，以確保最佳效果，從而獲取相關(guān)參數(shù)［12］。

進給軌跡的程序FC27具體如下：

CALL FC27

FINAL_POSITION ：=DB9.DBD2//進給電機的最終位置

FAST_SPEED ：=DB9.DBW0//快進速度

WORK_SPEED1 ：=DB9.DBW6//粗加工速度

ACTUAL_POSITION ：=MD210//實際位置

WORK_POSITION_START：=DB9.DBD14//工作啟動位置

WORK_SPEED2 ：=DB9.DBW24//精加工速度

OUT_SPEED ：=MW216//設(shè)定速度

WORK INTERVAL ：=M413.0//進給點反饋

4 結(jié) 語

實踐證明，SEW伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有輸出扭矩大、運行速度準(zhǔn)確穩(wěn)定、可快速定位等特點，有效地克服了進給系統(tǒng)的誤差，降低了調(diào)型時間和勞動強度，并保證了進給的穩(wěn)定性，提高了坡口切割的質(zhì)量和效率。同時，由于采用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)了倒棱機的數(shù)字化、自動化控制，同時具備實時監(jiān)控能力，提高了進給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障處理能力。通過一段時間的使用，該進給系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，滿足了HFW生產(chǎn)線對倒棱機生產(chǎn)節(jié)奏的要求，在HFW倒棱機控制系統(tǒng)上具有較好的推廣價值。

［1］李秉祥，陳東才.新型平頭倒棱機的設(shè)計及應(yīng)用［J］.焊管，2002，25（6）：59-60.

［2］黎定一.機械進給鋼管自動平頭倒棱機及氣動自定心平頭倒棱夾具［J］.焊管，1999，22（1）：25-27.

［3］張培慶.鋼管平頭倒棱機的設(shè)計與制造［J］.鋼管，1998，27（1）：35-38.

［4］劉邦義，解吉輝，孫麗麗，等.平頭倒棱機技術(shù)特點及發(fā)展［J］.重型機械，2005（6）：1-3.

［5］郭強.PROFIBUS-DP在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化博覽，2002（2）：12-13.

［6］ 吳志軍.現(xiàn)場總線PROFIBUS及其應(yīng)用［J］.鋼管，2005，34（4）：45-48.

［7］盧紅義.工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)在制管生產(chǎn)線上應(yīng)用探索［J］.焊管，2004，27（5）：40-42.

［8］劉換軍，王華，王小毅.PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)在HFW焊管機組電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.焊管，2011，34（11）：46-51.

［9］孫少波，馮俊.PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線干擾原因分析［J］.黑龍江科技信息，2011（2）：76.

［10］羅紅福，胡斌，鐘存福，等.PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線工程應(yīng)用實例解析［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［11］張超，谷立臣，趙永平.鋼管倒棱機伺服系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計［J］.重型機械，2005（5）：49-51.

［12］廖常初.S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.