焊接變位機(jī)回轉(zhuǎn)自由度電機(jī)主從控制研究

張一飛（中國(guó)一重大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116113）

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焊接變位機(jī)回轉(zhuǎn)自由度電機(jī)主從控制研究

張一飛
（中國(guó)一重大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116113）

摘 要：本文根據(jù)焊接變位機(jī)回轉(zhuǎn)自由度動(dòng)作原理及轉(zhuǎn)動(dòng)要求，通過(guò)西門子STARTER軟件分析S120驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)伺服電機(jī)主從控制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)變位機(jī)回轉(zhuǎn)自由度系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)定。

關(guān)鍵詞：焊接變位回轉(zhuǎn)電機(jī)；S120；主從控制；負(fù)荷分配

1　設(shè)備情況介紹

焊接變位機(jī)是改變焊件位置來(lái)完成機(jī)械化、自動(dòng)化焊接的一種焊接配套設(shè)備，主要用于容器、鍋爐、油罐等重型工件焊接時(shí)的變位，以便于焊工對(duì)不同工件在不同位置實(shí)施焊接。公司內(nèi)部120T變位機(jī)回轉(zhuǎn)工作盤為結(jié)構(gòu)鋼件，盤面為圓形結(jié)構(gòu)，尺寸為φ6600mm，工作盤設(shè)計(jì)成三塊拼裝式結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)上平面距地面3.5米高?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)回轉(zhuǎn)支承，承載能力大，回轉(zhuǎn)精度高；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置采用西門子交流異步伺服電機(jī)配合斜齒輪減速器和蝸輪蝸桿減速器，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)工作盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

該設(shè)備電氣控制系統(tǒng)由西門子S7- 300PLC、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、低壓電器等組成。PLC作為主控單元通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)所有的邏輯控制，觸摸屏實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的顯示和輸入。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了西門子SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器為主的共直流母線的多軸驅(qū)動(dòng)方式。

2　主從控制方案概述

由于工藝的要求和驅(qū)動(dòng)器容量的限制，該變位機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用一個(gè)傳動(dòng)設(shè)備由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)共同配合工作的方案，在這種情況下，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間需要保證相同的運(yùn)行速度，以及轉(zhuǎn)矩的平均分配，為此我們采用S120主從控制應(yīng)用的方案，考慮到焊接變位機(jī)齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)不高，兩個(gè)電機(jī)和回轉(zhuǎn)齒輪的耦合關(guān)系，電機(jī)之間需要有相同的運(yùn)行速度，同時(shí)保證電機(jī)例舉的均勻分配，還要有防止某一電機(jī)聯(lián)軸器脫開時(shí)的保護(hù)，我們采用速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅的主從控制方案。

在速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅方式時(shí)，主機(jī)從機(jī)都工作在速度模式，主從機(jī)的速度設(shè)定值相同，然后從機(jī)在此基礎(chǔ)上附加+-5%--10%左右的速度偏差（與運(yùn)行方向有關(guān)，附加速度大小由實(shí)際情況決定），將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩值連接到從機(jī)的轉(zhuǎn)矩限幅上。在啟動(dòng)后，由于速度偏差的存在，連接的主從電機(jī)減速機(jī)連接齒輪迅速與回轉(zhuǎn)大盤齒輪接觸受力，從機(jī)的速度環(huán)飽和，輸出的轉(zhuǎn)矩受轉(zhuǎn)矩限幅限制，從而保證從機(jī)的轉(zhuǎn)矩跟隨主機(jī)的轉(zhuǎn)矩；從機(jī)速度受到連接的牽引，與主機(jī)速度相同，當(dāng)發(fā)生連接斷開時(shí)，主從電機(jī)工作在各自的速度環(huán)模式下，不會(huì)發(fā)生飛車現(xiàn)象。

速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅方式的特點(diǎn)是，啟動(dòng)瞬間主機(jī)從機(jī)的速度環(huán)都起作用，連接合力建立的比較平緩，避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，既保證了速度及轉(zhuǎn)矩的分配，也對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了保護(hù)。

3　S120系統(tǒng)的速度偏差與轉(zhuǎn)矩限幅方案的配置

3.1硬件配置

使用CU320作為控制單元，主從數(shù)據(jù)交換通過(guò)CU320的多軸直接連接，在一個(gè)CU320單元連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的情況下，直接利用軸間變量的互連，來(lái)實(shí)現(xiàn)主從控制的數(shù)據(jù)交換，該種方式下，當(dāng)CU出現(xiàn)故障，兩臺(tái)設(shè)備都將無(wú)法運(yùn)行。在進(jìn)行主從控制配置時(shí)，首先參照S120調(diào)試手冊(cè)完成基本驅(qū)動(dòng)單元的組態(tài)和調(diào)試。

3.2主從電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)配置

完成基本調(diào)試后，確定電機(jī)的優(yōu)化、運(yùn)行都正常后，根據(jù)配置的主從方案，來(lái)進(jìn)行主從工作模式的設(shè)置。

（1）主機(jī)從機(jī)都工作在速度模式，P1300=21（speed control with encoder）；

（2）主機(jī)驅(qū)動(dòng)器激活基本定位功能。S120具有如下基本定位功能：

點(diǎn)動(dòng)（jog）：用于手動(dòng)方式移動(dòng)軸，通過(guò)按鈕使軸運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn)；

1）回零（homing）：用于定義軸的參考點(diǎn)或運(yùn)行中回零；

2）限位（limits）：用于限制軸的速度、位置，包括軟限位、硬限位；

3）程序步（traversing blocks）：共64個(gè)程序步，可自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行一個(gè)完整的程序也可以單步執(zhí)行；

4）設(shè)定值輸入（direct setpoint input/MDI）：目標(biāo)位置及運(yùn)行速度可由PLC或上位機(jī)控制，完成一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

本項(xiàng)目主要配置點(diǎn)動(dòng)功能和設(shè)定值輸入功能，回零和參考點(diǎn)功能及程序步功能不予描述。

5）點(diǎn)動(dòng)（jog）功能采用速度方式：點(diǎn)動(dòng)按鈕按下，軸以設(shè)定的速度運(yùn)行直至按鈕釋放。

6）設(shè)定值輸入（direct setpoint input/MDI）方式采用速度模式：設(shè)置參數(shù)P2653=1，軸按照設(shè)定的速度、加減速運(yùn)行，不考慮軸的實(shí)際位置。

（3）從機(jī)不激活基本定位功能，從機(jī)的設(shè)定速度在主機(jī)設(shè)定速度基礎(chǔ)上附加一個(gè)偏差速度△V。

（4）將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值r079取絕對(duì)值，連接到從機(jī)的正轉(zhuǎn)矩限幅的源P1522上；將主機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值r079取絕對(duì)值后，再取反，連接到從機(jī)的負(fù)轉(zhuǎn)矩限幅P1523上。

設(shè)備啟動(dòng)后，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)盤，由于速度偏差的存在，從機(jī)速度高于主機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪迅速接接觸咬合建立轉(zhuǎn)矩，從機(jī)的速度環(huán)快速進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩限幅決定，從而實(shí)現(xiàn)主從負(fù)荷平均分配。同時(shí)該方式下，當(dāng)主從電機(jī)其中一個(gè)電機(jī)與負(fù)載斷開連接時(shí)，從機(jī)可以迅速?gòu)乃俣拳h(huán)快速退出飽和，進(jìn)入速度閉環(huán)，避免電機(jī)飛車。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析及配置過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了利用S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成焊接變位機(jī)回轉(zhuǎn)電機(jī)的主從控制，在車間實(shí)際使用工程中實(shí)現(xiàn)承載能力達(dá)到工藝要求，回轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)滿足焊接速度要求。只要在維修改造過(guò)程中多熟悉設(shè)備的各方面性能，完善設(shè)備狀態(tài)，就能使設(shè)備完好的為生產(chǎn)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］威達(dá)公司120T焊接變位機(jī)使用說(shuō)明書.

［2］西門子如何實(shí)現(xiàn)S120主從控制方案.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.007