伺服系統(tǒng)在金屬制品行業(yè)中的應(yīng)用

劉 軍，楊曉海，李志強(qiáng)，戴峭峰，胡金蓮，陳麗艷

（1.江 蘇法爾勝泓昇 重工有限公司，江蘇江陰 214400；2.無錫法爾勝悅能動力有限公司，江蘇江陰 214400；3.江蘇法爾勝精細(xì)鋼繩有限公司，江蘇江陰 214400）

1 伺服系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

伺服控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它可以使輸出能夠精確跟隨某個目標(biāo)過程，通常用來控制指定對象的轉(zhuǎn)角或位移，可以使被控對象能夠精確呈現(xiàn)出輸入的控制指令的要求。

伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)依靠脈沖進(jìn)行定位，能根據(jù)發(fā)出的脈沖數(shù)和檢測到電機(jī)實際旋轉(zhuǎn)的角度反饋回來的脈沖來實現(xiàn)精確控制，并能根據(jù)發(fā)出和接受到的脈沖情況實現(xiàn)閉環(huán)控制，在設(shè)備操作性和精度上大大優(yōu)于開環(huán)控制的電氣驅(qū)動系統(tǒng)。

1.2 發(fā)展歷程

1.3 特點

交流伺服電機(jī)工作原理類似單相異步電機(jī)，但由于其轉(zhuǎn)子繞組電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于異步電機(jī)，性能特點明顯。

1.3.1 優(yōu)點

（1）轉(zhuǎn)矩可控性高。交流伺服電機(jī)因其結(jié)構(gòu)異于異步電機(jī)，轉(zhuǎn)矩特性更為優(yōu)異，轉(zhuǎn)矩控制精度更高，更具有遠(yuǎn)大于異步電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，能快速響應(yīng)伺服控制器發(fā)出的控制訊號，電機(jī)啟動快且有力，應(yīng)用范圍大。

（2）無慣性自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。伺服電機(jī)收到停止信號后，能立即停轉(zhuǎn)，可很好滿足某些需要對電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出動作要求較高的場合，如閥門控制、流量控制等。在金屬制品行業(yè)某些需要對執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確定位的設(shè)備上表現(xiàn)優(yōu)異，如排線密排定位，閥門鎖定等。

（3）運行平穩(wěn)、噪聲小。

1.3.2 缺點

（1）成本略高，購買價格高于同功率異步電機(jī)，伺服電機(jī)必須搭配對應(yīng)型號伺服控制器使用，維修成本高，維修難度大，部分需要更換的部件（如碳刷等）價格相對高。

（2）安裝要求高，伺服電機(jī)安裝時應(yīng)避免敲擊，不能安裝在振動噪聲大的設(shè)備上，拆卸更換時需要更加仔細(xì)。

(5) 區(qū)域逗留人數(shù)：進(jìn)出車站周邊區(qū)域并逗留的人流量，與車站客流量直接相關(guān)，也是以上各個因素的直觀反映。該指標(biāo)可以通過手機(jī)運營商的信令數(shù)據(jù)獲得。本文擬通過某運營商工作日一天(00:00—24:00)內(nèi)手機(jī)數(shù)據(jù)推測站點周邊區(qū)域人員數(shù)量。

（3）功率低，無法大規(guī)模應(yīng)用在動力驅(qū)動等大功率場合。

2 熱處理生產(chǎn)線應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

伺服系統(tǒng)因其精確定位，轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用在金屬制品行業(yè)的熱處理等生產(chǎn)線設(shè)備，用于溫度或流量控制，能實現(xiàn)溫度精確控制，可靠性高、維護(hù)方便。

2.2 案例

公司熱處理生產(chǎn)線使用Honeywell M7284Q1009 系列伺服電機(jī)，配合Honeywell UDC3200 系列溫控表使用，能實現(xiàn)熱處理生產(chǎn)線溫度精確控制，有效滿足金屬制品熱處理生產(chǎn)線工藝要求。具體使用控制流程見圖1，現(xiàn)場使用實例見圖2。

圖1 伺服系統(tǒng)溫度控制流程

3 拉絲機(jī)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

目前金屬制品行業(yè)中，拉絲機(jī)普遍使用的張力控制依靠模擬量傳感器，檢測張力臂聯(lián)動的凸輪，通過檢測凸輪和模擬量傳感器之間的位置來反饋張力情況。目前有試驗方案直接利用張力臂聯(lián)動伺服電機(jī)，利用伺服電機(jī)刻度精確，反饋及時的特點，排除中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)精確及時的張力反饋。

3.2 案例

圖2 伺服系統(tǒng)溫度控制實例

目前流行的凸輪配合模擬量傳感器的方案存在一定缺點，傳感器信號傳輸易受到干擾，過分依賴凸輪和模擬量傳感器相對位置，對于初次安裝或每次維修更換，均需反復(fù)校正位置，如圖3 所示。新方案選用伺服電機(jī)與張力臂直接聯(lián)動，張力臂動作直接傳導(dǎo)至伺服電機(jī)，伺服電機(jī)將讀取的信號利用通信傳輸?shù)姆绞絺魅隤LC 等中央處理部分，減少過渡部件，排除干擾因素。伺服電機(jī)傳輸?shù)男盘柛鼮闇?zhǔn)確，且反饋及時，更能滿足張力控制需求，如圖4 所示。

圖3 原拉絲機(jī)張力反饋方案

圖4 伺服電機(jī)張力反饋方案

4 管絞機(jī)應(yīng)用

目前金屬制品行業(yè)中，捻制成繩設(shè)備中放絲阻尼多采用機(jī)械阻尼和磁力阻尼兩種方式，其中機(jī)械阻尼應(yīng)用最為廣泛，常見有阻尼塊式和阻尼帶式的方式，基本上均為彈簧等緩沖結(jié)構(gòu)配合阻尼塊（帶）使用，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，如圖5所示。但是普遍存在放線張力不穩(wěn)定，需要隨時調(diào)節(jié)，且張力值每次調(diào)節(jié)之后只能維持大概范圍，并不能達(dá)到某一準(zhǔn)確數(shù)值。公司嘗試將伺服系統(tǒng)使用在放線阻尼裝置上，已獲得成功，如圖6所示。

將伺服電機(jī)與放線阻尼盤連接，根據(jù)放線速度和放線圈徑的改變，計算并輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)矩，以通信方式與中控環(huán)節(jié)交換數(shù)據(jù)，能保持放線張力為恒定值，可實現(xiàn)放線張力實時顯示和隨時調(diào)節(jié)，能有效滿足各種金屬制品生產(chǎn)工藝的需求，對于提高生產(chǎn)質(zhì)量，開發(fā)產(chǎn)品新規(guī)格起到促進(jìn)作用。

5 收卷系統(tǒng)應(yīng)用控制

5.1 收卷轉(zhuǎn)矩控制

圖5 機(jī)械式放線阻尼

目前金屬制品行業(yè)較為流行的收卷方式為恒轉(zhuǎn)矩收卷和恒張力收卷，其中恒轉(zhuǎn)矩收卷有力矩電機(jī)形式和變頻器轉(zhuǎn)矩模式帶普通異步電機(jī)。恒張力收卷一般采用加裝張力臂檢測收卷實時張力，參考前端牽引或放線速度，根據(jù)檢測到的張力反饋數(shù)值進(jìn)行微調(diào)，控制變頻器進(jìn)行速度控制。

恒轉(zhuǎn)矩收卷和恒張力收卷各有利弊，恒轉(zhuǎn)矩收卷系統(tǒng)較為穩(wěn)定，控制簡單，但是只能實現(xiàn)收卷轉(zhuǎn)矩恒定。隨著收卷工字輪從空盤到滿盤，收線力臂發(fā)生變化，根據(jù)公式，力矩=力力臂，收卷張力始終處于變化，故恒轉(zhuǎn)矩收卷多應(yīng)用于對收線張力要求不高的情況；恒張力收線控制精確，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要加裝檢測收卷在線張力的裝置，張力檢測裝置會增加鋼絲鋼繩繞卷，影響鋼絲鋼繩質(zhì)量。

圖6 伺服系統(tǒng)放線阻尼

目前，公司部分收卷設(shè)備中嘗試使用伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制收線，利用伺服系統(tǒng)精確可控的優(yōu)點，參考力矩電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩模式，根據(jù)時刻變換的收卷力臂進(jìn)行計算，隨時調(diào)整伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩大小，能實現(xiàn)收卷張力恒定；利用伺服系統(tǒng)能實現(xiàn)實時通信的優(yōu)點，可及時反饋并顯示出鋼絲鋼繩在線張力值，滿足不同工藝需求。不必頻繁利用手持工具檢測鋼絲鋼繩在線張力，可以根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格不同工字輪設(shè)置相應(yīng)工藝卡，預(yù)存在中控系統(tǒng)，使用時只需選擇該選項即可，快捷方便，受到操作人員和工藝調(diào)試人員好評。

5.2 排線應(yīng)用

伺服系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在金屬制品收卷系統(tǒng)排線部分中，以其動態(tài)性能好，可控性高的優(yōu)點展現(xiàn)出很大應(yīng)用前景。排線伺服系統(tǒng)能對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電機(jī)位置等各個指標(biāo)進(jìn)行精確控制，可實現(xiàn)金屬制品絲、股、繩等各類產(chǎn)品的密排效果。

以往金屬制品排線有機(jī)械排線和電氣排線兩種形式，機(jī)械排線較為穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，但是無法調(diào)節(jié)精確速度，只能通過更改傳動比按擋位修改排線速度，應(yīng)用范圍較小，多適用于單一產(chǎn)品單一工藝的車臺，無法廣泛應(yīng)用；電氣排線有變頻器驅(qū)動和專用排線控制器控制直流電機(jī)，能實現(xiàn)實時速度調(diào)節(jié)，但很少能實現(xiàn)絲股繩密排，鋼絲鋼繩會在工字輪兩端排布不均勻，極易出現(xiàn)堆積或稀疏的情況，當(dāng)前公司某型號密排回倒機(jī)收卷和放絲均采用伺服排線系統(tǒng)（圖7），能實現(xiàn)鋼繩密排，效果明顯，如圖8 所示。

圖7 應(yīng)用了伺服系統(tǒng)的密排回倒機(jī)

圖8 鋼絲繩密排效果

自動排線密排系統(tǒng)，能自動實時檢測排線的平整度，并能根據(jù)實際情況，自動調(diào)整排線的換向位置，使排線平整度控制在工藝規(guī)定的合理范圍內(nèi)。降低操作工的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，同時能大幅提高排線質(zhì)量，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

排線機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計采用伺服驅(qū)動的高精度滾珠絲杠排線，高精度收線張力程序開發(fā)采用特殊的收線張力控制算法，將收線張力控制在既不能過小也不能過大的一定范圍內(nèi)，以便傳感器檢測排線的平整度。

6 結(jié)語

伺服系統(tǒng)已在金屬制品行業(yè)中占據(jù)了非常重要的位置，是當(dāng)今主流金屬制品設(shè)備不可或缺的一部分。伺服系統(tǒng)大幅提高了金屬制品設(shè)備精度和工藝適用度，極大方便工人操作，同時促進(jìn)金屬制品行業(yè)設(shè)備開發(fā)的發(fā)展。未來，伺服系統(tǒng)必將在動力驅(qū)動和精確控制等方面展現(xiàn)更廣泛、更深入的應(yīng)用。