SEW伺服控制在全自動倒棱機進給系統上的應用

楊 娟，鐘存福，黃明初

（中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

平頭倒棱機設計為高頻焊（HFW）管管端的自動平頭倒棱，其目的是切削鋼管外倒角或提供焊接用坡口，切削管端保證管端與同軸線的垂直度，為現場施工加工出所需的坡口，以便進行組對和焊接。倒棱機設備中的進給系統是最為關鍵的部分，它的運行狀況決定著加工鋼管的坡口精度和管端的光滑平整度［1］。

中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠（簡稱沙市鋼管廠）HFW生產線選購了國內最新設計的全自動倒棱機，其生產效率為2根/min。該全自動倒棱機的動力頭進給采取伺服減速電機驅動和滾珠絲杠進給的傳動技術，按“空載快進—粗進給—精進給—原地平整—快退”的順序完成每根鋼管的平頭倒棱過程。本文將重點介紹SEW伺服控制在全自動倒棱機進給系統上的應用。

1 進給系統機械結構

全自動倒棱機的進給傳動系統包括SEW伺服電機、減速機、軸承座、聯軸器及滾珠絲杠等。進給系統中伺服電機和減速機的選型最為重要，如伺服電機的電機功率和減速機的減速比［2］，選型時需要滿足快進時進給速度大而輸出扭矩小，工進時進給速度小而輸出扭矩大。經計算并試驗驗證，選用7.5 kW伺服電機及其自帶的減速機，減速比為7，電機最大輸出扭矩為146 N·m，試生產后完全滿足現場要求［3-4］。全自動倒棱機進給系統的機械結構如圖1所示。

圖1 全自動倒棱機進給系統機械結構示意

2 電氣控制系統的設計

采用可編程邏輯控制器S7-300（PLC）、SEW伺服控制器、伺服減速電機、觸摸屏等組成基于PROFIBUS-DP現場總線控制的系統［5-9］。其中PLC作為控制單元，SEW伺服控制器作為驅動單元，伺服減速電機作為執行單元，伺服電機內置的編碼器作為數據采集器，系統中的觸摸屏可實現在線調速并實時顯示工進速度等其他參數。全自動倒棱機電氣控制系統結構如圖2所示。

圖2 全自動倒棱機電氣控制系統結構

德國SEW公司提供的MOVIDRIVE系列伺服控制器內置有位置處理器，采用伺服電機尾部的編碼器作為位置信息源構成位置環［4］。該伺服控制系統是閉環控制，具有控制可靠、響應快速、運行速度穩定等優點，并且伺服電機輸出扭矩大，而這些特點均是全自動倒棱機所必需的。

3 SEW伺服控制設計和調試

3.1 SEW伺服電機的程序設計

SEW伺服變頻器的PROFIBUS-DP現場總線控制，選擇所要組態的過程值，選“6PD”，PLC接收從變頻器6個過程輸入字“6PI”，包括狀態字、實際位置、實際轉速、有功電流、利用率；PLC發送6個過程輸出字“6PO”，包括控制字、目標位置、設定速度、加速時間、減速時間［9］。SEW伺服變頻器的硬件組態如圖3所示。SEW伺服控制系統通過軟件MT-Manager進行參數設置［5］，SEW伺服變頻器的參數調試界面如圖4所示。

圖3 SEW伺服變頻器的硬件組態

圖4 SEW伺服變頻器的參數調試界面

在PLC中，Step7軟件中調用一個伺服變頻器PROFIBUS-DP總線控制功能FC140，以此實現狀態字、實際位置、運行速度、實時電流、故障的讀取，控制字、速度設定、目標位置的寫入［10］。SEW伺服控制系統程序FC140具體如下：

CALL FC 140//SEW伺服控制程序

DRIVE_IO_ADDRESS：=320//伺服控制器外部起始地址

ENABLE_RAPID_STOP ：=L0.0//使能

RESET：=L0.1//故障復位

JOG_PLUS_MODE：=L0.2//點動正轉

JOG_MINUS_MODE ：=L0.3//點動反轉

REF_TRAVEL_MODE ：=L0.4//尋參模式

POSITIONING_MODE ：=L0.5//自動模式

SETPOINT_POS ：=MD222//設定位置值

SETPOINT_SPEED ：=MW216//設定速度值

START_RAMP ：=2000//加速時間

STOP_RAMP ：=1000//減速時間

COMMUNICATION_OK：=M236.1

FAULT_OF_AXIS ：=M235.0

WARNING_OF_AXIS：=M235.1

INVERTER_READY：=M235.2

REFERENCED：=M236.2

TARGET_POS_REACHED：=M237.1

AXIS_INTERLOCKED：=M237.0

FAULT_NO：=MW214

ACTUAL_POSITION ：=MD210//實際位置顯示

ACTUAL_SPEED ：=MW220//實際運行速度

ACTUAL_CURRENT ：=MW230//實際運行電流

3.2 倒棱機工進位置、速度的算法

伺服位置控制程序的具體步驟：定位時首先設定速度、定位位置，再給定控制字一個值，使伺服進給系統運行起來。其中包含了進給運行軌跡、進給速度的運算，進給電機運行軌跡如圖5所示，其中Vi為回退速度。主軸箱完成每一根鋼管的進給流程：位于后退位置d的進給電機在啟動后2 s內勻加速到快進速度Vh，保持快進速度勻速向前快進，然后減速至粗進給起始位置b，以粗加工速度Vg前進至精進給起始位置f，并減速至精加工速度Vj，原地平整1 s。倒棱完畢進給電機快速返回原點。現場調試后，將c與b之間的距離即減速距離在程序中設置為20 mm。

圖5 進給電機運行軌跡

內部運算主要是通過進給軌跡算法子程序FC27來實現的。其基本思想是：將運行軌跡分為快進區間、減速區間、粗加工區間、精加工區間。系統PLC循環掃描程序，實時讀取到當前實際位置（#ACTUAL POSITION）所處的范圍，PLC根據其所處范圍進行判斷，進而賦予設定速度［11］。進給電機轉速可通過公式（1）來計算：

式中Rx——進給電機轉速，r/min；

N——進給電機減速比；

V——花盤線速度，m/min；

S——機頭工進量，mm/r；

D——鋼管管徑，mm；

L——進給電機絲杠導程，mm。

在式（1）中，N、D、L已知，根據經驗確定V、S。實際計算后可得進給電機轉速為18.8 r/min。以此為參考，在觸摸屏上設置粗加工速度Vg和精加工速度Vj。

從觸摸屏上可更改快進速度Vh、粗加工速度Vg、精加工速度Vj、后退位置、粗加工開始位置和最終位置。在實際調試運行時，根據現場實際情況和經驗，不斷調整系統運行位置、速度，以確保最佳效果，從而獲取相關參數［12］。

進給軌跡的程序FC27具體如下：

CALL FC27

FINAL_POSITION ：=DB9.DBD2//進給電機的最終位置

FAST_SPEED ：=DB9.DBW0//快進速度

WORK_SPEED1 ：=DB9.DBW6//粗加工速度

ACTUAL_POSITION ：=MD210//實際位置

WORK_POSITION_START：=DB9.DBD14//工作啟動位置

WORK_SPEED2 ：=DB9.DBW24//精加工速度

OUT_SPEED ：=MW216//設定速度

WORK INTERVAL ：=M413.0//進給點反饋

4 結 語

實踐證明，SEW伺服驅動系統具有輸出扭矩大、運行速度準確穩定、可快速定位等特點，有效地克服了進給系統的誤差，降低了調型時間和勞動強度，并保證了進給的穩定性，提高了坡口切割的質量和效率。同時，由于采用了PROFIBUS-DP現場總線技術，實現了倒棱機的數字化、自動化控制，同時具備實時監控能力，提高了進給系統的穩定性和故障處理能力。通過一段時間的使用，該進給系統性能穩定，運行可靠，滿足了HFW生產線對倒棱機生產節奏的要求，在HFW倒棱機控制系統上具有較好的推廣價值。

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