西門子840Dsl的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制在攪拌摩擦焊中實(shí)現(xiàn)軸向力的恒定控制

蔡智亮　張華德

(上海航天設(shè)備制造總廠, 上海 200245)

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西門子840Dsl的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制在攪拌摩擦焊中實(shí)現(xiàn)軸向力的恒定控制

蔡智亮張華德

(上海航天設(shè)備制造總廠, 上海 200245)

攪拌摩擦焊在焊接中軸向壓力采用人工干預(yù)的方法使得整個(gè)過(guò)程缺乏有效的壓力監(jiān)控。因此采用數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向力的閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)客戶驗(yàn)證，取得顯著效果。

840Dsl；電機(jī)轉(zhuǎn)矩；同步動(dòng)作

隨著攪拌摩擦焊裝備技術(shù)的逐漸普及，焊接軸向力的控制已成為在焊接生產(chǎn)中的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。原先基于位移控制的開環(huán)狀態(tài)，需要人工對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)的狀態(tài)使得整個(gè)生產(chǎn)效率低下，焊接質(zhì)量缺乏有效的控制。因此對(duì)攪拌摩擦焊焊接過(guò)程的軸向壓力進(jìn)行檢測(cè)并加以控制，對(duì)保證焊接過(guò)程穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量具有重要的意義。

本文采用一種通過(guò)讀取西門子1FK系列同步電動(dòng)機(jī)的扭矩并通過(guò)換算公式來(lái)得出攪拌頭軸向力，通過(guò)力和位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接軸向力的穩(wěn)定控制。該項(xiàng)目為了獲得良好的實(shí)時(shí)控制故采用840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，其中1FK系列同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)為2.5%(1FT系列的為1%)，選用NCU720.3+S120的形式其最快單軸采樣周期為31.25 μs，整個(gè)系統(tǒng)插補(bǔ)周期可達(dá)125 μs?？刂颇Ｊ讲捎梦鏖T子數(shù)控提供的運(yùn)動(dòng)同步動(dòng)作，運(yùn)算周期以插補(bǔ)節(jié)拍的方式來(lái)實(shí)時(shí)完成。

1　控制系統(tǒng)構(gòu)成與控制原理

1.1主要硬件配置

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)采用的是西門子數(shù)控中高端的840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)屬于PC嵌入NC式結(jié)構(gòu)形式這一類型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，有些開放功能需要選購(gòu)。該數(shù)控系統(tǒng)主要由操作單元、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制單元及輸入輸出單元組成。操作單元包括了機(jī)床控制面板(MCP)和操作面板(OP)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的編程和操作。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括了電源模塊、各個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)，其中電源模塊采用饋能制動(dòng)方式，該配置稱為調(diào)節(jié)型電源模塊(Active Line Module縮寫為ALM)；主軸電動(dòng)機(jī)采用1PH7系列的異步電動(dòng)機(jī)，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)采用1FK系列的永磁同步電動(dòng)機(jī)?？刂茊卧Q為NCU，用于插補(bǔ)運(yùn)算的處理并通過(guò)DRIVE-CLIQ接口與各個(gè)驅(qū)動(dòng)器及操作面板進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。輸入輸出單元采用PP72/48模塊為72路數(shù)字輸入48路數(shù)字輸出，通過(guò)PROFIBUS-DP連接遠(yuǎn)程I/O模塊ET 200M。項(xiàng)目中采用的1FK系列的永磁同步電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，控制精度高，在數(shù)控系統(tǒng)中可以通過(guò)高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)調(diào)整焊接軸向的位置從而實(shí)現(xiàn)焊接軸向力的控制。

1.2控制原理

該項(xiàng)目通過(guò)讀取軸向伺服電動(dòng)機(jī)在焊接過(guò)程中的扭矩來(lái)獲得一條較為準(zhǔn)確的受力曲線，再根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出一段可修正的焊接控制區(qū)域范圍。

西門子S120驅(qū)動(dòng)器具有較好的控制性能，具有擾動(dòng)力矩抑制技術(shù)。在實(shí)際工況中永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)會(huì)受到多種擾動(dòng)，主要分為以下兩類:一類是來(lái)自負(fù)載等效擾動(dòng)力矩，另一類來(lái)自電動(dòng)機(jī)本體擾動(dòng)力矩。負(fù)載力矩包括有切削進(jìn)給等效負(fù)載力矩、工作臺(tái)慣性加速等效力矩、工作臺(tái)摩擦等效力矩。電動(dòng)機(jī)本體擾動(dòng)力矩包括有電動(dòng)機(jī)電樞繞組齒槽力矩、轉(zhuǎn)子摩擦轉(zhuǎn)矩等。這些擾動(dòng)可以通過(guò)常規(guī)PID算法對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行抑制。但常規(guī)PID算法存在擾動(dòng)抑制調(diào)節(jié)延遲，要提高伺服性能，而S120驅(qū)動(dòng)器具有較好的擾動(dòng)觀測(cè)器加調(diào)節(jié)控制技術(shù)，使擾動(dòng)力矩的影響在控制內(nèi)環(huán)得到抑制[1-2]。在整個(gè)焊接過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，因此增加840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的選項(xiàng)：內(nèi)部驅(qū)動(dòng)變量分析(6FC5800-0AM41-0YB0)，參照西門子數(shù)控的閉環(huán)控制模型(圖1)及同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理可知：

Te=CmφRist

(1)

式中：Te是電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，φR是氣隙磁量；ist是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量。因此只要控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量ist就可以控制同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

從公式(1)得出電動(dòng)機(jī)的電流和扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在數(shù)控系統(tǒng)中讀取需要控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩其控制周期可參照電流環(huán)的周期來(lái)設(shè)置。再通過(guò)減速器經(jīng)聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠帶動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，攪拌頭的上下移動(dòng)都是通過(guò)滑塊來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖2)。從而可以得出攪拌頭在焊接過(guò)程中軸向的反作用力傳遞給了絲杠形成力平衡，即絲杠的推力就近似等于攪拌頭軸向受的力[6]。絲杠推力F為：

F=2πM/L

(2)

式中：L為絲杠導(dǎo)程；M為電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器輸出的力矩，M=95%Te×n(T為電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩，n為減速比)。注：一級(jí)減速器傳遞效率為95%～98%。由式(2)可以推出Z軸軸向力的大小(忽略摩擦力)。

由于攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中攪拌頭軸向頂鍛力是會(huì)受到溫度和材料變形的影響發(fā)生一定的變化，此外由于焊接不同材料時(shí)其軸向力與調(diào)整位置的關(guān)系也是不同的，因此在實(shí)際工程控制應(yīng)用中需增加非線性特性的控制環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目中所解決的是力和位置的關(guān)系，根據(jù)攪拌摩擦焊的實(shí)際工作情況中可以得出采用多項(xiàng)式函數(shù)擬合來(lái)逼近實(shí)際的非線性曲線較為合理。

2　西門子數(shù)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1指令功能簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目主要是控制力(扭矩)-位置的關(guān)系來(lái)達(dá)到攪拌頭穩(wěn)定受力的工作狀態(tài)。[3]通過(guò)對(duì)攪拌摩擦焊機(jī)攪拌頭的軸向壓力與Z向位移進(jìn)給之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)攪拌頭的位置來(lái)保持施加在工件上的力在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。該功能需要通過(guò)在西門子數(shù)控同步動(dòng)作指令、多項(xiàng)式定義、分析功能以及AC(adaptive control)調(diào)節(jié)組合來(lái)完成。

同步動(dòng)作可以使用由條件定義，其求值運(yùn)算以實(shí)時(shí)(插補(bǔ)節(jié)拍)方式進(jìn)行。這些動(dòng)作是對(duì)實(shí)時(shí)事件的反應(yīng)且執(zhí)行并不是在程序段交接處進(jìn)行。此外，同步動(dòng)作還包含動(dòng)作有效級(jí)的說(shuō)明和對(duì)編程實(shí)時(shí)變量的詢問(wèn)頻率，以及對(duì)啟動(dòng)動(dòng)作的執(zhí)行頻率說(shuō)明。因此一個(gè)動(dòng)作可以一次或者也可以循環(huán)(插補(bǔ)節(jié)拍)方式進(jìn)行觸發(fā)[4]。同步動(dòng)作的形式：ID/IDS=n關(guān)鍵字 條件 DO 動(dòng)作1 動(dòng)作2。其中：LID/IDS為識(shí)別號(hào)范圍在1～255；關(guān)鍵字為需要開始動(dòng)作的詢問(wèn)次數(shù)，沒(méi)有的話動(dòng)作不受條件限制；條件為實(shí)時(shí)變量的邏輯聯(lián)系，可使用的實(shí)時(shí)變量在解釋節(jié)拍中(IPO-節(jié)拍)進(jìn)行分析；DO為觸發(fā)同步動(dòng)作；動(dòng)作1和動(dòng)作2為同步動(dòng)作所要執(zhí)行的內(nèi)容[5]。

多項(xiàng)式定義形式：FCTDEF(多項(xiàng)式編號(hào)，LLIMIT,ULIMIT,a0,a1,a2,a3)。其中：FCTDEF為定義分析函數(shù)；多項(xiàng)式編號(hào)為3階多項(xiàng)式序號(hào)；LLIMIT為功能值下限；ULIMIT為功能值上限；a0,a1,a2,a3為多項(xiàng)式系數(shù)。

分析功能(SYNFCT)以及AC調(diào)節(jié)：SYNFCT通過(guò)加工同步的方式讀取實(shí)時(shí)變量(例如模擬輸出，實(shí)際值等)并且利用某個(gè)最多三階的分析多項(xiàng)式(FCTDEF)來(lái)計(jì)算功能值(例如修調(diào)量，速度，軸位置等等)。計(jì)算結(jié)果被發(fā)送給實(shí)時(shí)變量并且使用FCTDEF來(lái)限制上下限。AC調(diào)節(jié)即自適應(yīng)控制，可以根據(jù)分析功能定義的函數(shù)特性，也就是通過(guò)讀取Z軸的輸出扭矩即MYMAA_TORQUE[Z]，根據(jù)多項(xiàng)式定義的軌跡來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)MYMAA_OFF [Z],也就是Z軸的位置偏差。

2.2應(yīng)用分析

要實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制功能首先需要建立用戶自定義數(shù)據(jù)，包括：攪拌摩擦焊攪拌頭位置補(bǔ)償上限、下限，設(shè)置偏置點(diǎn)，設(shè)置扭矩點(diǎn)，焊接時(shí)間，焊接速度，主軸速度，焊接頂鍛力，一次項(xiàng)系數(shù)，二次項(xiàng)系數(shù)，三次項(xiàng)系數(shù)等。

在數(shù)控程序中建立焊接軌跡程序，在該程序中放置“恒壓力控制”啟動(dòng)子程序、工件加工程序、“恒壓力控制”關(guān)閉程序。其中在子程序“恒壓力控制”中包括了多項(xiàng)式定義、同步動(dòng)作指令、軸疊加運(yùn)動(dòng)、AC調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。

由圖3所示扭矩ΔT與Z軸位置的關(guān)系就可以實(shí)現(xiàn)恒定的壓力閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證得出以下結(jié)論：

Pz=Pz′+dz

(3)

式中：Pz為Z軸實(shí)際位置，Pz′為程序位置指令，dz為位置偏差,且dz=(a1·dT)+(a3·dT)3，(dT=ΔT=Tz-Tb)。

在多項(xiàng)式非線性方程dz=(a1·dT)+(a3·dT)3中:a1表示力控制中線性控制因子，設(shè)置范圍在5×10-4至5×10-3；a3表示力控制中立方控制因子，設(shè)置范圍在0至1×10-9)；此外可以根據(jù)不同的攪拌頭通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證來(lái)設(shè)置相應(yīng)的a1和a3。

3　運(yùn)行效果

基于上述原理由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)攪拌頭“恒壓力控制”的功能。圖4、5所示為使用該功能和沒(méi)有使用該功能的焊接效果，在焊接長(zhǎng)度較長(zhǎng)、型材較薄的工件時(shí)效果尤為顯著。

數(shù)據(jù)的采集可以通過(guò)SinuComNc軟件來(lái)讀取、記錄。通過(guò)分析數(shù)據(jù)的趨勢(shì)來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)控制系數(shù)來(lái)達(dá)到最佳的控制效果。

圖6中可以直觀地看到實(shí)現(xiàn)力值控制的區(qū)域只能在相對(duì)較穩(wěn)定的焊接軌跡部分進(jìn)行。即攪拌頭插入母材的初始階段和最后的提升階段不易采用“恒力值”控制且對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程不具有代表性；在焊接穩(wěn)定后的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)“恒力值”控制可以較好地保證焊接的質(zhì)量[6]。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)1FK系列的同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制穩(wěn)定了攪拌摩擦焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，合理調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)IPO設(shè)置來(lái)保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)特有的同步功能、多項(xiàng)式分析以及AC調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊設(shè)備“恒壓力控制”的目的，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證和客戶體驗(yàn)獲得了一致肯定。

[1]趙俊生，樊文欣.電機(jī)與電氣控制及PLC[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009

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(編輯孫德茂)

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Synchronous motor torque control in Siemens 840Dsl realizes constant control on axial force in FSW

CAI ZhiliangZHANG Huade

(Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer, Shanghai 200245, CHN)

Using methods of manual intervention on axial pressure in FSW makes the entire process lack of effective pressure monitoring. Therefore, this article uses CNC system to control the torque of synchronous motors to achieve closed-loop control of the axial force. Significant effects have been achieved through customers’ verification.

840Dsl; motor torque; synchronized actions

TP23

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.013

2015-11-30)

160629