西門子伺服在鎂擠壓機(jī)出口對(duì)中、牽引及切割定尺機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

孫姚江 梁曉剛

(上海寶信軟件股份有限公司 上海：201900)

寶鋼研究院引進(jìn)的鎂擠壓機(jī)成套設(shè)備主要包括擠壓機(jī)、牽引機(jī)、輔機(jī)、模具爐、時(shí)效爐等。其中，模具爐實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的加熱處理，時(shí)效爐完成對(duì)擠壓材料的熱處理，當(dāng)模具和材料到指定溫度后裝入擠壓機(jī)，擠壓機(jī)對(duì)材料進(jìn)行擠壓，擠壓后的材料由牽引機(jī)完成牽引和切割，切割時(shí)擠壓機(jī)需要停止擠壓，切割后的材料由輔機(jī)機(jī)完成冷卻、校直、裁切[1]。

該套擠壓機(jī)設(shè)備主要存在以下問(wèn)題：(1)作業(yè)效率低，牽引時(shí)擠壓機(jī)需要停止擠壓，另外切割完成后的材料需要進(jìn)入輔機(jī)矯直，需要行車和人員配合，矯直過(guò)程繁瑣；(2)成材率低，牽引機(jī)只有拉力，不穩(wěn)定，常引起褶皺、彎曲變形等缺陷，甚至出現(xiàn)殘次品，使得產(chǎn)品的成品率很低，另外牽引機(jī)沒有定尺能力，材料需要兩次切割，造成浪費(fèi)；(3)產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，牽引機(jī)高度不能自動(dòng)調(diào)整，人工調(diào)整的精度往往不夠，牽引機(jī)在高度方向上存在斜拉的情況，導(dǎo)致材料成型不穩(wěn)定以及壁厚有偏差[2-4]。

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合用戶實(shí)際需求，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，拆除原有牽引機(jī)，基于西門子S120伺服系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)牽引機(jī)，在擠壓機(jī)出口處增加對(duì)擠出料進(jìn)行自動(dòng)對(duì)中夾持、雙機(jī)連續(xù)牽引和定尺鋸切功能，同時(shí)要求在擠壓主機(jī)連續(xù)不中斷擠壓的情況下，對(duì)中牽引和定尺鋸切作業(yè)連續(xù)往復(fù)不間斷運(yùn)行。主要改造內(nèi)容包括:(1)新增擠壓機(jī)出口側(cè)擠出料的夾抓和對(duì)中裝置；(2)新增雙牽引系統(tǒng)，包括一臺(tái)主牽引機(jī)和一臺(tái)配有鋸切機(jī)的牽引機(jī)。本文對(duì)改造后的牽引機(jī)設(shè)備及西門子伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。

1 改造后的牽引機(jī)設(shè)備介紹

1.1 設(shè)備組成

改造后的牽引機(jī)分為主牽引車和切割牽引車，主牽引機(jī)完成擠壓機(jī)出料口接料，帶力牽引以及送料任務(wù)；切割牽引機(jī)完成定尺切割，以及主牽引車送料時(shí)臨時(shí)帶力牽引。牽引機(jī)設(shè)備圖組成如圖1所示。

圖1 牽引機(jī)的設(shè)備組成

圖1中，①為主牽引車抓斗，用于從牽引機(jī)接料，具有上升和下降、打開和關(guān)閉、壓緊和放松、撥料功能；②為抓斗壓緊氣缸，實(shí)現(xiàn)抓斗的壓緊和放松；③為抓斗張開氣缸，實(shí)現(xiàn)抓斗的打開和關(guān)閉；④為升降伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)抓斗的上升和下降；⑤為撥料裝置；⑥為主牽引車牽引伺服電機(jī)；⑦為切割牽引車對(duì)中結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)擠壓料的對(duì)中牽引；⑧為切割牽引車的翻板底座；⑨為副牽引車的翻板，具有伸出和退回、壓緊和松開功能；⑩為切割牽引車的割鋸，具有伸出和退回、切割功能。

1.2 工作流程

改造后的牽引機(jī)工作流程詳見圖2。擠壓機(jī)啟動(dòng)后將牽引車切換為自動(dòng)模式；牽引車自動(dòng)移動(dòng)至接料位，就位同時(shí)主牽引車抓斗(鉗口)下降至低位，即抓斗(鉗口)全開位置，準(zhǔn)備工作完畢，等待出料。

圖2 牽引機(jī)的工作流程

擠壓料進(jìn)入抓斗(鉗口)后觸發(fā)感應(yīng)開關(guān)，抓斗(鉗口)快速閉合，同時(shí)主牽引車啟動(dòng)，開始恒力牽引。主牽引車通過(guò)切割牽引車區(qū)域后，切割牽引車對(duì)中裝置夾持，翻板底座升起，翻板夾緊裝置(翻板壓頭)進(jìn)入預(yù)壓位。當(dāng)擠壓機(jī)出料長(zhǎng)度達(dá)到定尺長(zhǎng)度后，切割牽引車快速啟動(dòng)并與主牽引車實(shí)現(xiàn)速度同步，翻板夾緊裝置(翻板壓頭)快速壓緊。切割車割鋸伸出切割，隨后主牽引車立即提速，進(jìn)入卸料區(qū)后，抓斗(鉗口)打開卸料。

卸料后主牽引車快速返回，返回過(guò)程中抓斗(鉗口)打開準(zhǔn)備接料。主牽引車與切割牽引車相遇后快速反向，并與切割牽引車實(shí)現(xiàn)速度同步，抓斗(鉗口)快速閉合開始恒力牽引。切割牽引車壓頭松開，待對(duì)中裝置和翻板底座復(fù)位后切割牽引車快退至原位，等待下次定尺。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 控制系統(tǒng)

牽引機(jī)控制系統(tǒng)采用Siemens S7-315 PLC，使用step7 V5.5開發(fā)；運(yùn)動(dòng)控制采用Siemens S120伺服驅(qū)動(dòng)，使用Starter開發(fā)；HMI人機(jī)界面采用Siemens KTP1200 Baisc DP，使用TIA Portal V14開發(fā)。S7-315 PLC是可編程控制器，完成牽引機(jī)邏輯控制和數(shù)據(jù)計(jì)算；S120伺服系統(tǒng)由1個(gè)伺服控制器CU320-2DP、1個(gè)整流模塊、3個(gè)電機(jī)模塊、3個(gè)伺服電機(jī)組成；HMI人機(jī)交互界面是12寸觸摸屏。PLC、S120和HMI之間通過(guò)Profibus-DP通訊連接[5]，系統(tǒng)配置如圖3所示。

圖3 牽引機(jī)的控制系統(tǒng)配置圖

2.2 伺服系統(tǒng)

多軸伺服控制器CU320可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)6個(gè)伺服或4個(gè)矢量或8個(gè)V/F控制，伺服不能與矢量混配，伺服或矢量都能與V/F混配[6]。本系統(tǒng)CU320實(shí)現(xiàn)主牽引機(jī)的升降、走行和切割牽引車的走行3個(gè)伺服控制。整流單元是16kW的SLM智能型模塊，整流后直流母線電壓為1.32～1.41倍的輸入電壓。電機(jī)模塊和伺服電機(jī)配套使用，其中主牽引和切割牽引的配置18A的電機(jī)模塊，升降電機(jī)配置5A的電機(jī)模塊，3個(gè)電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

3 牽引力測(cè)試及標(biāo)定

牽引力的穩(wěn)定控制對(duì)于擠壓料的成型很重要，S120在牽引的時(shí)候控制方式為帶轉(zhuǎn)矩限幅的位置控制方式，其速度隨著擠壓速度變化而變化，但是其作用到擠壓料上的牽引力要保持不變。牽引力的關(guān)系為：

T0=TM-TF

(1)

式中T0為凈牽引力，TM為電機(jī)輸出的力，TF為動(dòng)摩擦力。對(duì)擠壓機(jī)雙牽引電機(jī)的靜摩擦力和動(dòng)摩擦力采集分析，可以有效提升凈牽引力的準(zhǔn)確度。

3.1 雙牽引電機(jī)的牽引力靜態(tài)標(biāo)定

使用500N測(cè)力計(jì)，使用鋼絲繩拉住對(duì)主牽引車和切割牽引車的進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定如圖4所示。

圖4 雙牽引電機(jī)的牽引力靜態(tài)標(biāo)定

主牽引機(jī)和切割牽引機(jī)的靜摩擦力標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 靜摩擦力標(biāo)定數(shù)據(jù)

設(shè)定值為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，測(cè)量值為測(cè)力計(jì)實(shí)際值。由表2可知主牽引車靜摩擦力在144N～165N之間，對(duì)其平均靜摩擦力Tf1=152N；切割牽引車靜摩擦力在250N～344N之間，對(duì)其平均靜摩擦力Tf2=296N。

3.2 雙牽引電機(jī)的牽引力動(dòng)態(tài)空載標(biāo)定

正常的牽引速度范圍是3m/min～10m/min，切割牽引車電機(jī)和主牽引車電機(jī)減速比和齒輪周長(zhǎng)相同，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍是63.7r/min～212.2r/min。在這個(gè)范圍內(nèi)對(duì)雙牽引電機(jī)空載時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。圖5、圖6為3m/min和10m/min時(shí)，雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流之間的關(guān)系。

圖5 在3m/min和10m/min時(shí)主牽引車轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

圖6 在3m/min和10m/min時(shí)切割牽引車轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

主牽引的動(dòng)摩擦力TF1與速度關(guān)系P1如下：

TF1=k1P1+b1

(2)

要克服靜摩擦力才能實(shí)現(xiàn)牽引，所以TF1存在最小值，即min(TF1)=Tf1=152N。

切割牽引的動(dòng)摩擦力TF2與速度關(guān)系P2如下：

TF2=k2P2+b2

(3)

同理，min(TF2)=Tf2=296N。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于寶鋼研究院鎂擠壓機(jī)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)装俅蔚膶?shí)驗(yàn)的實(shí)踐證明，基于西門子S120伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂擠壓機(jī)出口接料裝置的對(duì)中、牽引和定尺切割功能，保證鎂擠壓機(jī)的連續(xù)生產(chǎn)。伺服系統(tǒng)可在0～20m/min的擠壓速度下工作，其中3m/min～10m/min擠壓速度時(shí)牽引力精度為±5%，主牽引和切割牽引兩個(gè)牽引機(jī)交接過(guò)程中牽引力精度±3%，從第一次夾抓到牽引機(jī)速度平穩(wěn)這段過(guò)程中的牽引力精度±6%，當(dāng)接到最后一道次的停機(jī)指令時(shí)，牽引機(jī)從平穩(wěn)運(yùn)行減速至靜止這段過(guò)程中的牽引力精度±4%。定尺長(zhǎng)度7～8m時(shí)，擠壓速度3m/min時(shí)定尺精度為±2mm，擠壓速度10m/min時(shí)定尺精度為±5mm。牽引機(jī)和輔機(jī)的改造的應(yīng)用證明新系統(tǒng)的技術(shù)合理性，可以推廣到矯直和定尺切割雙應(yīng)用的行業(yè)。