伺服電機控制技術(shù)在鋁擠壓生產(chǎn)線中的應(yīng)用

張宗元，張　君，楊　建，陳永甲，柴　星，李　健

伺服電機控制技術(shù)在鋁擠壓生產(chǎn)線中的應(yīng)用

張宗元1，張君1，楊建1，陳永甲1，柴星1，李健2

（1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710042；2.忠旺集團，遼寧 營口 115000）

將伺服電機控制技術(shù)應(yīng)用于擠壓生產(chǎn)線中，是擠壓裝備生產(chǎn)的發(fā)展方向之一。通過介紹伺服電機控制技術(shù)在機械化設(shè)備、后部處理裝備的典型應(yīng)用，對伺服電機控制技術(shù)在擠壓液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的幾種形式進行了分析，探討了伺服電機控制技術(shù)在鋁擠壓生產(chǎn)線中的應(yīng)用和發(fā)展前景。

鋁擠壓生產(chǎn)線；伺服電機控制技術(shù)；智能化生產(chǎn)

伺服電機具有低頻特性好、速度響應(yīng)快、控制精度高、過載能力強、矩頻特性佳等優(yōu)點，且伺服電機控制系統(tǒng)集電子電力器件、控制、驅(qū)動、保護等為一體，設(shè)備體積小、集成度高、功耗低、質(zhì)量高，特別是交流伺服電動機屬于無刷結(jié)構(gòu)，提升功率與轉(zhuǎn)速快、維修幾率小。20世紀80年代以來，伺服電機控制技術(shù)日益成熟，可滿足大扭矩、低轉(zhuǎn)速等更多復(fù)雜工況的使用，已在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。擠壓生產(chǎn)線中驅(qū)動元件多為液壓缸、交流異步電機等，設(shè)備體積龐大、能耗高、精度及動態(tài)響應(yīng)差。隨著擠壓裝備生產(chǎn)朝著數(shù)字化、智能化、綠色化方向發(fā)展，將伺服電機控制技術(shù)應(yīng)用于擠壓生產(chǎn)線中，已成為擠壓裝備生產(chǎn)的發(fā)展方向之一。

1　伺服電機控制技術(shù)在機械化設(shè)備生產(chǎn)中的應(yīng)用

機械化設(shè)備的主要功能是完成擠壓機一系列輔助工作。提升機械化設(shè)備的自動化程度，可大大提高擠壓設(shè)備的智能化水平，減少固定非擠壓時間，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

1.1　送錠機械手

送錠機械手是將鋁錠輸送至擠壓中心的關(guān)鍵設(shè)備，對其承載能力、行走速度、行走精度均有一定要求。傳統(tǒng)送錠機械手是靠油缸驅(qū)動，受油缸行程限制，需使用動滑輪原理增加行程，如圖1所示。油缸驅(qū)動的送錠機械手結(jié)構(gòu)簡單、運載能力強，在擠壓設(shè)備中得到廣泛使用。但油缸驅(qū)動的送錠機械手是靠機械限位來控制前后極限位置，對設(shè)備沖擊大、噪音和振動大，故障率高，且無法準確?？吭谥虚g位置，無法滿足智能化生產(chǎn)需要。

1　直線導(dǎo)軌；2　送錠機械手；3　增程機構(gòu)；4　液壓缸。

得益于伺服電機及其控制技術(shù)的發(fā)展，近年來伺服電機控制的送錠機械手得到了廣泛應(yīng)用，其原理如圖2所示。送錠機械手的前進和后退由伺服電機驅(qū)動的齒輪齒條機構(gòu)完成，并在導(dǎo)軌上導(dǎo)向。伺服電機驅(qū)動的送錠機械手省去油缸、管路、閥塊等液壓設(shè)備，行程不受油缸行程限制，結(jié)構(gòu)更加簡單，設(shè)備重量大大降低；采用伺服控制技術(shù)控制送錠機械手前進、后退和停止，運行快速、平穩(wěn)，無沖擊、振動和噪聲，可降低擠壓設(shè)備固定非擠壓時間。此結(jié)構(gòu)機械手可以精確停靠在行程范圍內(nèi)的任意位置（包括前后極限位置），且位置精度小于0.1 mm，在擠壓生產(chǎn)中，機械手行程中間可增加錠端潤滑位及鋁錠溫度檢測等位置，可實現(xiàn)送錠機械手智能化控制。

1　直線導(dǎo)軌；2　送錠機械手；3　伺服電機；4　齒輪齒條結(jié)構(gòu)。

1.2　推錠裝置

推錠裝置的功能是將鋁錠從運錠小車推到送錠機械手上，一般有氣缸驅(qū)動、油缸驅(qū)動和電機驅(qū)動三種方式。在擠壓生產(chǎn)中，需要滿足不同長度鋁錠的工藝需求，特別是對于短行程前上料擠壓機而言，需要檢測鋁錠的長度，來實現(xiàn)工藝范圍內(nèi)不同長度鋁錠的上料自動化控制。如圖3所示，伺服電機驅(qū)動的推錠裝置，通過伺服電機+齒輪齒條結(jié)構(gòu)驅(qū)動推錠塊前進、后退，可實時監(jiān)測推錠塊位置，進而檢測出鋁錠長度。此結(jié)構(gòu)不僅可以檢測鋁錠長度以滿足機械化設(shè)備自動化生產(chǎn)需要，還可以實現(xiàn)推錠裝置的快速前進、慢速推錠、快速回程等功能，通過伺服控制技術(shù)提高設(shè)備運行效率，減少固定非擠壓時間。

1　伺服電機；2　推錠頭；3　直線導(dǎo)軌。

2　伺服控制技術(shù)在后部處理裝備生產(chǎn)中的應(yīng)用

2.1　牽引機

隨著擠壓生產(chǎn)逐漸向數(shù)字化、智能化發(fā)展，采用低頻特性好、速度響應(yīng)快、控制精度高、過載能力強、矩頻特性佳的伺服控制技術(shù)代替交流異步電機驅(qū)動、采用鏈條鋼絲繩傳輸牽引機運動、采用旋轉(zhuǎn)編碼器或者光柵編碼器來檢測牽引機的位置和速度的方式，成為了牽引機發(fā)展方向之一。這種結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)性能快、定位精度高，設(shè)備體積小，維修保養(yǎng)便利。

2.2　成品鋸

成品鋸是擠壓機后部處理設(shè)備中的重要設(shè)備，其作用是將擠壓制品切割成工藝要求長度的成品。傳統(tǒng)鋸床的鋸切部分為電機通過皮帶輪驅(qū)動鋸片，鋸切進給由液壓油缸驅(qū)動，如圖4所示。鋸切進給系統(tǒng)采用比例閥控制，以滿足鋸片控制的要求，使機構(gòu)能實現(xiàn)動作快捷，啟動和停止時平穩(wěn)且停位準確。在擠壓生產(chǎn)車間，成品鋸一般距離主機泵站系統(tǒng)較遠，受到距離或者空間限制，往往需要單獨設(shè)置液壓站，設(shè)備龐大、成本高，且此機構(gòu)無法實時檢測鋸片位置，啟動、快速進給、慢速鋸切、快速回程、停止等動作均靠接近開關(guān)檢測信號進行轉(zhuǎn)換。

隨著電機技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，伺服控制系統(tǒng)的性能得到改善和提高，可靠性和柔性也相應(yīng)增強，同時其調(diào)試功能也更為方便。直線電機驅(qū)動及伺服電機+滾珠絲杠或者伺服電機+齒輪齒條結(jié)構(gòu)的成品鋸結(jié)構(gòu)開始進入人們視野，如圖5所示。其采用伺服電機+齒輪齒條驅(qū)動的成品鋸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)被投入使用。該結(jié)構(gòu)不需要液壓站、管路、閥塊等液壓系統(tǒng)，體積小，集成度高，相比較油缸驅(qū)動方式運行更加平穩(wěn)，位置精度更加準確，推進了成品鋸高精高速技術(shù)發(fā)展。

1　直線導(dǎo)軌；2　伺服電機；3　成品鋸支座。

3　伺服電機液壓控制系統(tǒng)

目前擠壓機液壓系統(tǒng)大多為閥控式伺服液壓控制系統(tǒng)，一種是將定量泵作為動力源，通過改變比例閥或者伺服閥的開口大小改變被控對象（一般為液壓缸）的速度；一種是將變量泵作為動力源，變量泵斜盤傾角通過比例閥或者伺服閥來控制，進一步控制變量泵的流量，從而可以控制被控對象的速度。盡管閥控液壓伺服系統(tǒng)具有控制精度高、直線性好及靈敏度高等優(yōu)點，但設(shè)備可控性差，不能實現(xiàn)壓力和速度的自動實時控制，難以實現(xiàn)自動智能化生產(chǎn)。此外，其工作時噪音大、能耗高，尤其在保壓、待機時，由于泵卸荷和溢流，造成大量的能量浪費。變量泵液壓系統(tǒng)由于電機不能變速，仍然存在輕載損耗，且污染的液壓油容易造成比例閥或者伺服閥的磨損，影響設(shè)備控制精度。伺服電機液壓控制系統(tǒng)在節(jié)能降噪、改善整體液壓系統(tǒng)性能、提高效率和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于傳動液壓系統(tǒng)及閥控式伺服液壓系統(tǒng)，隨著伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展，伺服電機液壓控制系統(tǒng)必將在擠壓裝備生產(chǎn)中獲得發(fā)展。

3.1　交流伺服電機驅(qū)動變量機構(gòu)的泵

傳統(tǒng)閥控式伺服液壓控制系統(tǒng)中變量泵是通過控制比例閥或者伺服閥來改變變量泵斜盤傾角，從而進一步改變變量泵的流量。受到液壓沖擊及比例閥或伺服閥精度影響，變量泵流量存在一定波動且精度存在一定誤差。有一些生產(chǎn)廠家采用交流伺服電機+滾珠絲杠結(jié)構(gòu)來改變變量泵的斜盤傾角，其原理如圖6所示。該柱塞泵采用交流伺服電機通過滾珠絲杠螺母機構(gòu)來直接控制變量斜盤的傾角，進而實現(xiàn)柱塞變量泵流量的改變。此系統(tǒng)直接利用數(shù)字信號來控制液壓元件動作的控制方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高及控制方便等優(yōu)點。

1　伺服電機；2　滾珠絲杠結(jié)構(gòu)；3　斜盤；4　柱塞泵。

3.2　直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)

直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)的工作原理如圖7所示，采用交流伺服電機驅(qū)動定量泵，通過改變交流伺服電機轉(zhuǎn)速來控制泵的流量，從而實現(xiàn)被控對象的速度控制。直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)融合了交流伺服電機技術(shù)的優(yōu)勢，具有分辨率高、調(diào)速范圍寬、抗油液污染能力強、效率高、易于實現(xiàn)計算機控制等優(yōu)點。直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)的油箱體積可比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)減小30%以上，系統(tǒng)卸荷小、溢流少，能量損失低，該系統(tǒng)在高效節(jié)能方面也具有明顯優(yōu)勢，近年來在國際上被廣泛研究并應(yīng)用于航空航天、艦船、軋機、材料試驗機、印刷機、鋼廠連鑄等設(shè)備中。直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)在國內(nèi)多處于試驗階段，在一些小型液壓系統(tǒng)中被逐步應(yīng)用。

圖7　直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)

4　結(jié)論

伺服電機控制技術(shù)已經(jīng)融合催化加工技術(shù)，在擠壓裝備生產(chǎn)中被逐漸開始應(yīng)用，例如送錠機械手、成品鋸等均已實現(xiàn)伺服電機控制技術(shù)的應(yīng)用。隨著伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展以及擠壓裝備生產(chǎn)數(shù)字化、智能化、綠色化的需求越來越高，擠壓機機械化設(shè)備及后部處理設(shè)備必將像數(shù)控系統(tǒng)一樣全面采用伺服電機控制技術(shù)。

伺服電機液壓控制系統(tǒng)特別是直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)具有低頻特性好、速度響應(yīng)快、控制精度高、過載能力強、矩頻特性佳等優(yōu)點，在節(jié)能降噪、改善整體液壓系統(tǒng)性能、提高效率和穩(wěn)定性方面均優(yōu)于傳動液壓系統(tǒng)及閥控式伺服液壓系統(tǒng)，隨著伺服電機控制技術(shù)的發(fā)展，伺服電機液壓控制系統(tǒng)必將在擠壓裝備生產(chǎn)中獲得很大的發(fā)展。

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Application of servo motor control technology in aluminum extrusion production line

ZHANG Zongyuan1, Zhang Jun1, YANG Jian1, CHEN Yong-jia1, CHAI Xing1, LI Jian2

(1. China National Heavy Machinery Research Institute Co. Ltd.,Xi’an, Shaanxi 710042, China; 2. Zhongwang Group, Yingkou, Liaoning 115000, China)

The application of servo motor control technology is a new trend in aluminum extrusion production. The typical applications of servo motor control technology are introduced in mechanized equipment and rear processing equipment. The forms of servo motor control technology in extrusion hydraulic systems are analyzed. The application and development prospects of servo motor control technology in aluminum extrusion production lines are further discussed.

aluminum extrusion production line; servo motor control technology; intelligent production

TM383.4

A

2096–8736(2020)03–0045–05

張宗元（1987—），男，河北柏鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要研究方向為鍛壓設(shè)備與工藝。