淺析伺服系統(tǒng)及其在浮法線的應(yīng)用

王剛

【摘 要】伺服系統(tǒng)以其高效穩(wěn)定，并調(diào)速范圍、轉(zhuǎn)矩方面等的特性得到工業(yè)上的認(rèn)可，并且使得伺服系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，論文通過(guò)解析伺服系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)來(lái)介紹其在浮法線中的應(yīng)用。

【Abstract】The servo system has got industrial recognition for its characteristics of high efficiency and stability，the speed range， torque and so on. And the servo system is widely used in the field of industrial production. The paper introduces the application of servo system in the float line through analyzing its principle and structure.

【關(guān)鍵詞】浮法線； 伺服系統(tǒng)； 應(yīng)用

【Keywords】 float line； servo system； application

【中圖分類號(hào)】TQ171.6 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）05-0122-02

1 玻璃浮法線

玻璃浮法線除原料配料系統(tǒng)以外，主要由熔窯、錫槽、退火窯、成品加工線四部分組成。

1.1 熔窯

原料配料系統(tǒng)將已配好的混合料通過(guò)皮帶運(yùn)輸?shù)姆绞酵度氲饺鄹G，經(jīng)過(guò)天然氣等燃料的燃燒，對(duì)混合料進(jìn)行高溫熔化形成玻璃液，玻璃液流至爐腰經(jīng)攪拌器攪拌均勻后進(jìn)入工作段，并調(diào)整玻璃液溫度至其成型所需的溫度范圍。

1.2 錫槽

錫槽中充滿熔化的錫液，玻璃液進(jìn)入錫槽后浮在絕對(duì)水平的錫液面上，經(jīng)冷卻后，形成平整的玻璃帶。為有效地控制玻璃的厚度，錫槽兩側(cè)設(shè)有調(diào)整厚度的拉邊機(jī)以及檢測(cè)玻璃厚度的設(shè)備和高溫?cái)z像頭，內(nèi)窺鏡和外窺鏡等。

1.3 退火窯

為消除玻璃帶中的應(yīng)力和提高玻璃的質(zhì)量，玻璃板帶需進(jìn)入退火窯進(jìn)行退火處理。

1.4 成品加工線

退火后的玻璃板帶進(jìn)入成品加工線，經(jīng)缺陷檢測(cè)儀、縱切橋、橫切橋、掰斷輥、清邊機(jī)、按不同尺寸分片，然后由堆垛機(jī)或機(jī)器人自動(dòng)取片。切下的玻璃邊及不合格的玻璃經(jīng)破碎通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)送入碎玻璃回收系統(tǒng)。[1]

在成品加工線上，伺服系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，接下來(lái)通過(guò)介紹伺服系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步了解其在浮法線上的應(yīng)用。

2 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是一個(gè)跟蹤-反饋-使能-再跟蹤-再反饋反復(fù)控制的控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)能夠使物體的位置等反饋值能夠跟隨給定值變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的工作原理是按照來(lái)自系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制指令的要求，對(duì)功率等進(jìn)行計(jì)算處理，使驅(qū)動(dòng)設(shè)備（伺服電機(jī)）的輸出力矩和速度控制得到有效的精確地控制。在大多情況中，伺服系統(tǒng)所采集的被控制量是機(jī)械位移、位移速度、加速度等，其作用效果是使驅(qū)動(dòng)設(shè)備輸出的機(jī)械位移值準(zhǔn)確地跟蹤有控制指令給定的位移值。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與其他形式的反饋控制系統(tǒng)在原理上沒(méi)有太大區(qū)別。伺服系統(tǒng)中控制伺服電機(jī)的位移、轉(zhuǎn)速等主要靠脈沖，伺服系統(tǒng)給伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，伺服電機(jī)接收脈沖信號(hào)，伺服電機(jī)每接收1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角位移，從而實(shí)現(xiàn)精確的位移控制，同時(shí)，伺服電機(jī)本身也可以發(fā)出脈沖信號(hào)，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)由伺服電機(jī)的編碼器發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖信號(hào)，這樣，就能夠和伺服電機(jī)接收到的脈沖信號(hào)形成了對(duì)應(yīng)并通過(guò)比較，這樣伺服系統(tǒng)就會(huì)檢測(cè)發(fā)送了多少脈沖信號(hào)給伺服電機(jī)，同時(shí)又接收到由伺服電機(jī)發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)數(shù)量，所以伺服系統(tǒng)就能夠很精確的控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)精確定位。 [2]

在成品生產(chǎn)線中，對(duì)玻璃的切割、掰斷、清邊、取片等動(dòng)作都需要精準(zhǔn)的計(jì)算，而這種計(jì)算是由伺服系統(tǒng)接收的控制指令觸發(fā)，由伺服系統(tǒng)的控制部分計(jì)算，然后由驅(qū)動(dòng)部分執(zhí)行，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。這些計(jì)算最終到執(zhí)行部分的時(shí)候大多可以用一個(gè)詞來(lái)概括——定位，玻璃的傳輸和切割刀下刀的位置，以及清邊時(shí)間的判斷等等都需要對(duì)玻璃進(jìn)行定位計(jì)算。在設(shè)備良好的情況下，定位準(zhǔn)確，玻璃的成品率高，反之，定位不準(zhǔn)，則成品率低。

2.1 判定伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)

衡量伺服系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有伺服系統(tǒng)的精度及伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、伺服系統(tǒng)響應(yīng)特性和工作頻率四大方面，特別是伺服系統(tǒng)的精度方面尤為重要，直接關(guān)系到設(shè)備的運(yùn)行狀況是否正常。

頻帶寬度由伺服系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性來(lái)決定，用來(lái)反映伺服系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟蹤效果的快速性和及時(shí)作出相應(yīng)響應(yīng)的實(shí)效性。頻帶寬度越大，伺服系統(tǒng)的實(shí)效性越好。伺服系統(tǒng)的頻帶寬度會(huì)受到外界因素的影響，這樣會(huì)造成伺服系統(tǒng)的響應(yīng)特性降低，導(dǎo)致控制效果不好，頻帶寬度主要受控制對(duì)象和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性特性所限制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性越大，頻帶寬度就會(huì)越窄，系統(tǒng)響應(yīng)特性就會(huì)越低。一般的伺服系統(tǒng)的頻帶寬度小于15赫即可滿足使用要求，大型設(shè)備的伺服系統(tǒng)的頻帶寬度要嚴(yán)格控制在1～2赫以下，以免在設(shè)備使用過(guò)程中造成不良影響。伺服系統(tǒng)的精度主要取決于所采用的檢測(cè)元件的精度。檢測(cè)元件精度越高，伺服系統(tǒng)的精度也會(huì)越高，反之亦然。因此，在伺服系統(tǒng)的應(yīng)用中，必須采用具有高精度的檢測(cè)元件。不然會(huì)造成設(shè)備功能的浪費(fèi)。

在浮法線生產(chǎn)過(guò)程中，伺服系統(tǒng)性能的優(yōu)良與否直接影響玻璃的定位功能的準(zhǔn)確性，以及生產(chǎn)線的工作效率和生產(chǎn)出的成品的質(zhì)量。

2.2 伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，伺服控制系統(tǒng)一般由控制器，執(zhí)行環(huán)節(jié)，檢測(cè)環(huán)節(jié)， 被控對(duì)象，比較環(huán)節(jié)五大部分組成。①控制器?？刂破魍ǔＳ捎?jì)算機(jī)或PID控制電路構(gòu)成的控制主板，其主要任務(wù)是將執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送控制信號(hào)和采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)比較元件對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行做差處理，并將得到的偏差信號(hào)進(jìn)行變換和處理，來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠按照控制器發(fā)送的指令進(jìn)行動(dòng)作。②執(zhí)行環(huán)節(jié)。執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是接收控制器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)并按控制信號(hào)的要求，將輸入的能量（電能）轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸機(jī)構(gòu)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制指令進(jìn)行動(dòng)作。③檢測(cè)環(huán)節(jié)。檢測(cè)環(huán)節(jié)的作用是輸出的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量以及接收反饋回來(lái)的信號(hào)，并將這兩種信號(hào)處理并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所能識(shí)別的信號(hào)，一般包括傳感器及其轉(zhuǎn)換電路。④被控對(duì)象。被控對(duì)象參數(shù)一般都是位移，速度，加速度，力，力矩等可以查看或感受到的參數(shù)量。⑤比較環(huán)節(jié)。比較環(huán)節(jié)是將控制器發(fā)出的控制信號(hào)與檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)到的反饋信號(hào)進(jìn)行做差比較，以獲得兩種信號(hào)之間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié)，通常由專門(mén)的電路或控制器來(lái)完成。[3]

3 伺服系統(tǒng)在浮法線中的應(yīng)用

3.1 切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)由縱切割橋、橫切割橋、主掰斷組成。切割橋的切割刀由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，縱切刀的位置在玻璃換規(guī)格的時(shí)候才會(huì)改變，改變的距離由玻璃規(guī)格決定，玻璃的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給切割系統(tǒng)，然后由伺服系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行縱切割刀擺位；橫切刀的下刀和抬刀的位置以及切割刀行走的速度均是由伺服系統(tǒng)執(zhí)行，當(dāng)切割刀行走到下刀的位置時(shí)進(jìn)行下刀動(dòng)作，到達(dá)抬刀的位置進(jìn)行抬刀動(dòng)作，這里的位置都是由伺服系統(tǒng)傳送給切割系統(tǒng)，然后由切割系統(tǒng)決定動(dòng)作執(zhí)行，切割刀的行走速度由玻璃板帶速度決定，而執(zhí)行者仍是伺服系統(tǒng)。

3.2 清邊系統(tǒng)

清邊系統(tǒng)由清邊機(jī)和縱頂機(jī)構(gòu)組成。清邊機(jī)的壓輪負(fù)責(zé)按照玻璃帶的邊部刀印來(lái)敲掉玻璃邊，縱頂機(jī)的頂輪構(gòu)負(fù)責(zé)按照玻璃帶中間的刀印頂開(kāi)玻璃。刀印的位置通過(guò)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)由切割系統(tǒng)傳遞給清邊系統(tǒng)，然后由清邊系統(tǒng)控制壓輪和頂輪的擺位，當(dāng)然，擺位過(guò)程是由伺服系統(tǒng)執(zhí)行的。

3.3 傳輸系統(tǒng)

從退火窯出來(lái)的玻璃帶經(jīng)過(guò)切割系統(tǒng)切割，主掰斷之后，每片玻璃在輥道上的運(yùn)輸過(guò)程都是由伺服系統(tǒng)執(zhí)行，玻璃在輥道上的加速、減速、定位等動(dòng)作在時(shí)間和位置上，伺服系統(tǒng)都能很好地加以控制并且時(shí)時(shí)提交反饋，玻璃的位置將直接參與主掰斷之后的所有動(dòng)作，所以，伺服系統(tǒng)控制的玻璃的位置是十分重要的。

3.4 取片

取片的前提是玻璃的定位，當(dāng)玻璃定好位置時(shí)，取片機(jī)構(gòu)才能很準(zhǔn)確的吸起玻璃，然后整齊的擺放。取片機(jī)構(gòu)目前大多采用堆垛機(jī)和機(jī)械手，堆垛機(jī)的機(jī)構(gòu)龐大但是效率比機(jī)械手要低一些，通常做厚板或大板玻璃時(shí)，用到的多，機(jī)械手小巧靈活，速度快。

堆垛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多使用變頻器控制，機(jī)械手仍是使用伺服系統(tǒng)控制。每取一片玻璃進(jìn)行擺放時(shí)，已擺放好的玻璃的厚度就會(huì)增加一片玻璃的厚度，這就需要取片機(jī)構(gòu)下次吸起玻璃進(jìn)行擺放時(shí)要把上一次的玻璃的厚度計(jì)算進(jìn)去，根據(jù)伺服系統(tǒng)的精確性能，可以盡可能地避免在擺放玻璃時(shí)對(duì)玻璃造成的擦傷。

【參考文獻(xiàn)】

【1】劉志海，李超.浮法玻璃工藝手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

【2】顏嘉男.伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

【3】錢(qián)平.伺服系統(tǒng)（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.