（机械电子工程专业论文）plc及伺服系统在冷切切割设备中的应用.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 本文以钢管切割生产线中的自动定长切割设备为研究对象，提出了锯片在高 速旋转的过程中变速进给切削的新理念，研究开发了可以变速、定长切割，具 有设备可靠性高、结构简单、易于调试等特点的冷切割设备控制系统。 系统采用三个交流伺服电动机，一个控制锯车的速度和位移，一个控制 锯片的进给，另一个控制锯片的高速旋转，使锯片在整个进给过程中，不但 能够进行定长切割，还能够根据切削面积和材质的不同而实现变速运动。克 服了传统加工方式中存在的高能耗、锯片抖动剧烈、工作效率低、锯片使用 寿命短、钢管端面质量差等问题，并据此设计了控制系统的总体方案，即采 用p l c 作为核心控制器，触摸屏作为人机交互媒介，同时上位机利用组态软 件实现系统状态的监控。系统选用s 7 2 0 0 的p l c ，安川i i 系列交流伺服驱动 系统、威纶通公司的m t 5 0 6 触摸屏和力控组态软件作为核心组件。 针对该套设备的特点，文中介绍了伺服控制的原理、控制模式以及应用方法， 详细分析了锯片在高速旋转中变速切削的机理和数学建模过程、配方数组的 建立、p l c 控制伺服驱动器实现相应速度曲线的方法、系统中的监控画面和组 态画面的建立等问题。 整个系统可以通过p l c 根据配方数组的数据，控制锯车伺服电机和锯片伺服 电机的速度和位移，并通过旋转编码器向伺服驱动器和p l c 发出反馈脉冲信号， 同时由组态软件监控系统的工作状态，从而形成闭环控制系统。该系统自动化程 度高，可靠性高，钢管的切削质量高，锯片的使用寿命长。 关键词：切割设备；p l c ；伺服系统；调速；定尺切割 a b s t r a c t i n “sp a p e r m ea u t o m a t i cj f i x e d 1 e n g c hc u t t i n ge q u i p m e n to f t h es t e e lp i p ec u t t i n g p r o d u c t i o nl i l l es e r v e da sm e r e s e a r c ho b je c t ，t h en e wi d e at ot h ev a r i a b l es p e e df e e do f t l l es a wb l a d ei nm ep r o c e s so fh i g h s p e e dr o t a t i n gw a sp r o p o s e d ，a i l dm e c o l dc u t t i n g e q u i p m e n tc o n n 0 1s y s t e mw a ss t u d i e da 1 1 dd e v e l o p e d 、) l ，h i c hh a st l l ev 撕a b l es p e e d i n g 狮dt h ef i x e d 1 e n g c l lc u t t i n ga n d 、) v r h i c hh a ss u c ht h e s ec h a r a c t 砸s t i c s a sm eh i 曲 e q u i p m e n tr e l i a b i l i t y ，t 1 1 es i n l p l es t r u c 饥l r e ，a n d l ee a s yd e b u g 酉n g t h es y s t e ma d o p t st h r e ea cs e r v om o t o r s ，o n eo f 讹c hc o n t r d l sm es p e e do f a i l d m ed i s p l a c e m e n to fm es a wc a r ，o n eo fw h i c hc o n t r o l st h ef e e do fs a w s ，a i l do n eo f w h i c hc o n t r 0 1 st h eh i g h s p e e dr o t a t i n go fs a w s ，a n dm a k e st h eb l a d e ，i nt h ew h 0 1 ef e e d p r o c e s s ，t on o to n l yd ot h ef i x 1 e n g t l lc u t t i n gb u ta l s ot od ot h ec h a l l g es p e e da c c o r d i n g t ot l l ec u t t i n ga r e aa n dd i 氐r e n tm a t e r i a l s s u c hp r o b l e m si nm e t r a d i t i o n a lp r o c e s s i n ga s t h eh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h eb l a d ej i t t e r ，t h e1 0 we m c i e n c y ，m es h o r tb l a d e1 i f e ，a n d t h ep o o rq u a l i t ys t e e lf a c em e m o d sw e r eo v e r c a m e ，a 芏l dt h eo v e r a l ls c h e l l l eo ft h e c o n t r o ls y s t 锄w a sa c c o r d i n g l yd e s i 印e d ，n 锄e l y ，t h a tm ep l ca d o p t e da st l l ec o r e c o n t r o l l e r a i l dt h et o u c hs c r e e na c t e do na nb l l m a j l c o m p u t e ri n t e r a c t i v em e d i u m ，a j l d m e a i l w h i l e ，l eh o s tc o m p u t e ru s e dm ec o n f i g u r a t i o ns o r w a l r et oa c h i e v et h em o n i t o r t o t h es v s t 锄s t a t u s t h es y s t e mc h o s et h es 7 2 0 0p l c ，y a s k a w a i is e r i e sa cs e o d r i v es y s t e m ，m t 5 0 6t o u c hs c r e e no fw e i l u na n dl i k o n gc o n f i g u r a t i o ns o 脚a r ea sm e c o r ec o m p o n e n t i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee q l l i p m e n t ，t h ep r i n c i p l e ，c o n 协o lm o d ea n d a p p l i c a t i o no fs e r v ow e r ei n t r o d u c e d ，s u c ht h e s ep r o b l e m st ot h eb l a d ei nt h eh i g h - s p e e d r o t a t i n ga st h ev a r i a b l e s p e e dc u t t i n gm e c h a l l i s m ，t h em a t h 锄a t i c a lm o d e l i n g ，也e e s t a b l i s h i n e n to ft h ea r r a yf o m l u l ap r o c e s s ，m em e m o dt oa c h i e v em e 印p r o p r i a t e v e l o c i t vc u l v eo fp l cc o n t r 0 1s e od r i v e ，a n dm ee s t a b l i s h m e n to fs y s t e mm o n i t o ra i l d t h ec o n f i g u r a t i o ns c r e e n ，w e r ea i l a l y z e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h ee n t i r es y s t e mc o n t r o l st h es p e e d 距dd i s p l a c e m e n to ft h es a wc a rs e r v om o t o r a 1 1 dt h eb l a d es e om o t o ra c c o r d i n gt ot h ed a t ao fa r r a yf o r m u l at l l r o u g hp l c ，a n d s e n d sf e e d b a c kp u l s es i 朗a l st ot h es e r v o “v e ra i l dp l cb yr o t a r ye n c o d e r ，a n d l o 叩c o n 昀ls y s t e m o n eh a st h eh i 驰a u t o m a t i o n d e g r e ea 1 1 d t l l e r e l i a b i l i t y ，m e 1 1 i 曲。q u a l i t ys t e e lc 皑i n g ，a i l dt l l e1 0 n gl i f eb l a d e k 。yw o r d s ：i c u t t i n ge q u i p m e n t ；p l c ；s e r v os y s t e m ；s p e e dr e g u l a t i o n ；s c a l ec u t t i n g 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 冷切切割设备 本课题的冷切切割设备也可称为金属圆锯机，在金属锯切的过程中，锯片锯 齿锯切工件时产生的热量通过锯齿转移到锯屑上，锯切的工件和锯片保持冷却， 故名冷锯切，又可简称为冷切【l j 。 冷切割是一种不加热、不发生火花、不打磨、没有震动、不向材料加应力、 保证爆炸物或者石油化学管道没有爆炸危险的状态下切割物体的冷切割工艺。冷 切割的目的是保持现有材料特性。冷切割工艺的特点如下： ( 1 ) 工件精度高，没有毛刺，减少下道工序的加工强度； ( 2 ) 工件不会因为摩擦产生的高温改变材质； ( 3 ) 锯片消耗少，使用寿命长； ( 4 ) 锯切过程没有火花，没有灰尘，没有噪音； ( 5 ) 环保节能。 在钢管的连续生产过程中，对钢管进行冷态切割，其速度快慢与切断质量的 好坏，直接影响着钢管机组生产能力的发挥和钢管的质量【2 1 。 随着焊管生产技术水平的发展，切割设备的种类和结构也是多种多样的，大 体可以分为五类：锯片式、滚压式、冲剪式、飞刀式和感应加热拉断式。这几种 不同的形式，虽然也都各有所长，但是从总体方面考虑，比如设备结构简单与否， 加工制造和维修难易程度，连续生产保证和高效生产，金属消耗率，投资金额， 见效速度等等，因此，该套设备采用锯片式切割还是比较理想的。具有冷切切割 工艺的全自动切管机主要特点有： ( 1 ) 节能效果好。使用锯片旋转，管材不动，节省了管材旋转所需要的动力； ( 2 ) 加工精度高、噪音小： ( 3 ) 可靠性高、精度维持性好、稳定性高； ( 4 ) 维护方便、易于调试； 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 控制系统采用p l c 控制平台，自动化程度高，控制功能强，完全实现钢 管切断加工的生产自动化； ( 6 ) 锯切效率高且运行成本低，降低了操作工人的劳动强度。 1 1 2 可编程控制器 随着自动化控制系统的不断发展，能够实现位置或运动精确控制的方法也是 多种多样，总结起来主要有以下几种方法：嵌入式控制、可编程控制器( p l c ) 控 制、工控机控制以及c n c 等电气控制方案。 可编程控制器是以微处理器核心，综合计算机控制技术、自动控制技术和通 信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过近几十年的发展，在工业生 产中已获得极其广泛的应用。在工业自动化领域，可编程控制器( p l c ) 作为自动 控制的三大技术支柱( p l c 、机器人、c a d c 创) 之一，已成为大多数自动化系 统的设备基础【3 】。这些可编程控制器已经广泛应用于各种机械工业、汽车工业、钢 铁工业电力工业等领域，其应用的深度和广度已经成为衡量一个国家工业自动化 程度高低的标志。 可编程控制器作为机电一体化的特有产品，它拥有丰富的i o 接口模块，灵活 方便的模块化结构，且体积小、重量轻、运行时间短，具有较高的可靠性和非常 强的抗干扰能力。随着自动化技术的发展，p l c 的应用范围也在不断地扩大，它 不仅代替继电器作为逻辑控制单元进行控制，同时还可应用在一些需要应用过程 控制，运动控制，数据处理，通信联网的工业控制场合【4 1 。 本课题主要研究的就是可编程控制器在运动控制方面的应用。可编程控制器 既可以用于旋转运动，也可用于直线运动的控制，它可以驱动伺服电机完成单轴 或多轴的位置控制或速度控制。体积小，运算速度快，可靠性高，在机床控制中 已经得到了广泛的应用。现如今全球一些主要的p l c 生产厂家的产品都可实现运 动控制功能。本文所要介绍的内容就是可编程控制器作为上位机应用于锯切切割 设备控制的例子。 1 1 3 伺服控制系统 伺服产品在我国还属于技术含量较高的领域，目前主要应用在机床、工业机 器人、纺织机械、印刷机械等行业，在机床方面的应用最为广泛。伺服和其他控 制器的主要区别在于能够快速、平滑、精确地执行上位机的控制指令。通常伺服 第l 章绪论 都含有内部反馈装置，它能够将电机的运转情况反馈给伺服驱动器，为整个伺服 提供闭环的控制，从而大大提高了系统的控制精度【5 】。 在机床的控制系统中，伺服发挥着非常大的作用。机床的电机驱动大致可分 为进给驱动、主轴驱动和辅助驱动。进给轴在工作时对位置控制的要求很高，需 要具备以下特点：较宽的调速范围、高转矩、转矩和转速波动范围小、功率密度 高且便于维护。这就对电机的要求较高，伺服电机恰恰能够解决这些问题。本课 题的研究即是选用安川公司的伺服控制系统来完成的。 1 2 本课题的选题意义 目前我国大陆地区正在成为“世界工厂”，我国的制造业面临着极大的机遇与 挑战，不具有先进加工手段的企业是不可能在今后的激烈市场竞争中生存下来的 【6 1 。而加强一种产品的自动化程度，使其能够降低工人的劳动强度，提高加工效率， 延长使用寿命便是提高产品竞争力的关键。 本课题所研究的冷切切割设备是应用于管材加工的专用加工设备，适合于各 种型材钢管的全自动切削。此类设备是以可编程序控制器( p l c ) 、伺服控制系统 作为核心控制组件的控制系统，它的整个切割过程都能够自动完成，而且，它能 够根据所切管材的不同生成不同的速度曲线，使钢管表面的切削质量大大提高， 在同行业中具有较强的竞争力。另外，p l c 的应用可使系统的控制和调试更为简 单，运行更为可靠，不仅避免了传统的继电器逻辑控制线路体积庞大、故障率高、 维护困难的缺点，又克服了单片机控制系统成本高，接口处理及编程相对复杂等 缺点。 该套设备与传统的切割设备相比，其结构简单、稳定性高、抗干扰能力强、 再加之伺服系统功率大，跟踪能力强，定位精度高，几乎没有零点漂移，另外， 该套设各的自动化程序高，操作简单方便，性价比高，不但能够提高钢管的切削 质量，还能降低操作员的工作强度，已经完全可以替代国外引进的高自动化切割 设备，投入大批量的生产是完全可行的。 本课题的研究目的是设计一套具有设备可靠性高，结构简单，易于调试等特 点的冷切切割设备。使之能够在钢管切割过程中，根据所切割管材的尺寸、厚度 等参数的不同自动调速，并可完成定尺切割。 沈阳理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ - _ _ - _ - 一- _ - - - - _ _ - - _ _ _ - _ 一 1 3 国内外研究现状及存在的问题 国外自动切管机技术现状：( 1 ) 高速高精与多轴加工成为自动切管机的主流； ( 2 ) 多任务和多轴加工全自动切管机越来越多地应用到各个行业；( 3 ) 机床与 机器人的集成应用日趋普及，且结构形式多样化，应用范围扩大化，运动速度高 速化，多传感器融合技术实用化，控制功能智能化，多机器人协同普及化；( 4 ) 智能化加工与监测功能不断扩充，车问的加工监测与管理可实时获取机床本身的 状态信息，分析相关数据，预测机床的状态，提前进行相关的维护，避免事故的 发生，减少机床的故障率，提高机床的利用率；( 5 ) 最新的机床误差检测与补偿 技术能够在较短的时间内完成对机床的补偿测量，与传统的激光干涉仪相比，对 机床误差的补偿精度能够提高3 4 倍，同时效率得到大幅度提升；( 6 ) 最新的 c a d c a m 技术为多轴多任务全自动切管机的加工提供了强有力的支持，可以大幅 度提高加工效率。( 7 ) 刀具技术发展迅速，众多刀具的设计涵盖了整个加工过程， 并且新型刀具能够满足平稳加工以及抗振性能的要求u 儿。 在国际切管机市场中，金属切削切管机子行业所占的份额最大，2 0 0 8 年为 6 8 2 8 ；预计该子行业在2 0 l o 2 0 2 0 年期间的综合年增长率也最快，达到8 5 0 ， 这是国际切管机行业分析公司在2 0 1 0 年发表的演讲切管机：国际切管机战略贸 易讲演中指出的。演讲中同时指出2 0 0 5 。2 0 15 年的十年时间，世界切管机市场预 计将保持8 5 0 的综合年增长率，并且到2 0 1 0 年其市场规模已超过6 8 8 亿美元。 中国是最大的切管设备消费国，切管机的消费额占到切管类设备总消费额的4 0 以上，而且比例正在逐年扩大，日本和美国排名其后。 然而我国机械行业的水平却和国外有相当大的差距，自动切管机也不例外。 想要尽可能短的时间内缩短距离，就必须不断努力提升自己也要不断的研究分析 国外的全自动切管机的技术特点。国外数控系统的发展趋势主要体现在以下几个 方面：数字化平台、高速化运行、高精度加工、较多的复合功能、智能化控制、 伺服驱动高性能控制。 在国外由于数控加工技术发展较早，控制技术完善，加工精度高，其它相应 技术成熟、完善。因此发展速度非常快，甚至有相当一部分发达国家的加工精度 和加工质量要高于国际标准，其他一些国家也基本上都能达到国际标准。 第1 章绪论 而我国焊管生产设备起步较晚，一些关键设备还比较陈旧。随着钢铁行业的 飞速发展，对钢铁加工行业也提出了相应的要求。全国各地加工业也开始着眼于 技术开发。本课题的研究是一种可在进给过程中自动调速的冷切切割机床，它的 自动化程度高，速度可调，经济成本低，已经可以替代一些进口的产品。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 冷切切割设备的基本结构和总体方案的设计。针对冷切切割设备的工作 特点和具体工作要求进行控制系统的选型； ( 2 ) 根据锯片和锯车的运动轨迹建立数学模型，确定轨迹参数和运动曲线； ( 3 ) 伺服驱动系统的选择及电机型号的确定； ( 4 ) 设计系统程序控制方案，包括触摸屏画面、p l c 程序和组态模拟画面； ( 5 ) 系统程序的总体调试，并进行运动仿真，曲线模拟，确保其能够安全投 入使用。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章总体设计方案 随着高精度机械产品的不断发展，对产品所需配件的加工精度和生产效率的 要求越来越高【1 1 。传统的生产设备由于种种原因己经不能满足其生产要求，因此在 工业生产中高精度自动切割机床的应用越来越广泛，实现了机床的自动调速，自 动定位，自动切割，有效地提高了产品的加工精度及生产效率，提高了生产过程 的机械化和自动化程度，适合较大规模生产，具有十分广阔的应用前景。 2 1 概述 利用齿轮齿条进给原理，实现锯片在高速旋转的过程中纵向进给，工进 时钢管夹持不动，锯片旋转切削的新理念。有效地改善了传统切割设备钢管 高速旋转加工方式中存在的高能耗、锯床抖动剧烈、工作效率低、锯片使用 寿命短、钢管端面质量差、操作工人劳动强度大、无法大批量生产等问题。 本套设备可实现锯车追踪、钢管夹持、锯片进给、定长切割、松开等功 能，并自动循环，从而实现连续自动化加工，大幅度提高了工作效率，使企 业的连续化大批量生产的想法得以实现。 2 1 1 控制系统的基本要求 冷切切割设备采用p l c 控制伺服驱动器，由伺服驱动器驱动电机，通过编码 器进行脉冲反馈的方式实现半闭环控制。该套设备机械自动化程度高，系统稳定 性强，在工业领域中，经常称之为金属圆锯机。本课题所研究的这套切割设备主 要以切割管材为主。该控制系统的具体要求如下所述： ( 1 ) 设备能够对运行中的钢管进行定长切割； ( 2 ) 在工作过程中锯片的转速应根据不同的材质、壁厚等工况进行调速； ( 3 ) 对j 于固定的材质和尺寸的型材，在不同的切割部位也应适当对转速进行 调整； ( 4 ) 锯片的进给过程也分成：快进、工进、快退三个部分； ( 5 ) 在工进的部分里，还要根据切割管材的不同部位调节工进的速度；应该 以“慢一快一慢”的变速方式工进；他们的运转速度和进给位置均由p l c 来控制； 第2 章总体设计方粟 ( 6 ) 所有的参数都通过h m i 进行输入，每个参数针对不同规格材质型材具 有不同的数值，从而形成一系列的配方数组，每个数组具有自己的名字，并且附 带简要说明。 2 1 2 控制系统设计的基本原则 ( 1 ) 对于冷切加工工艺切割设备的控制系统而言，不仅要求能实现自动控制， 高速度、高精度地完成对被切管材型材的锯切。还要求保证安全、操作方便、维 护方便。在正常情况下，触摸屏界面能够接收到并显示出系统的运行情况，以确 定本系统的工作状态，方便现场操作者的完成正常工作。在手动控制时要能够对 切割设备的每个运动步骤单独进行控制，为切割设备的调试和维修工作提供方便 【2 】 o ( 2 ) 必须保证控制系统的安全可靠，对于电气系统来说，衡量其性能是否合 格的重要标准是看电气控制系统的可靠性，不能保证机械系统安全可靠工作的电 气控制系统，绝对不能长期的投入生产运行，一旦控制系统安全性存在纰漏轻者 会影响工件制造精度，使废品量上升，增加成本，重者会发生重大安全事故，危 机现场人员生命安全。因此在控制系统设计的设计过程中，要考虑各种各样有可 能发生的情况，对于有可能出现的不安全现象一定要加以控制，比如说以报警、 互锁、急停等方式来控制危险情况和提醒操作者，使操作过程变得万无一失。 ( 3 ) 控制系统简单化，为了降低制造成本，使得维护方便、操作简单，应在 能够满足对机械系统控制要求并保证其可靠性的前提下，尽量使控制系统简单化。 ( 4 ) 留有控制余量，在设计控制系统的过程中，应该考虑到日后生产工艺的 变化、生产规模的扩大、控制量或者反馈信号增加及后期维护中带来的系统输入 输出量增加等情况，因此在选用p l c 时，对p l c 输入输出点数等容量应当适当留 有余量，以便在条件改变或有元件损坏时可以及时修复。p l c 容量还应包括：机 架插槽数、存储器容量等。 2 2 冷切切割设备的控制原理 该控制系统由三部分组成：人机界面h m i ，可编程控制系统，伺服驱动系统。 冷切切割设备的控制主要分为两部分：锯片的控制和锯车的控制。其中锯片的控 制分为两部分锯片进给运动和锯片的旋转运动。 锯车的控制过程是指，当操作员调节好钢管速度后，启动锯车进入自动锯切 沈阳理工大学硕士学位论文 _ - _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ - i 一_ - _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ - i - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - 一 状态。操作员可通过人机界面输入锯车加速度，并设定钢管的切割长度，数据通 过r s 4 8 5 通讯线送入p l c 进行处理，要求锯车与钢管速度同步时，钢管达到设定 长度，此时进行锯切动作，锯切完成后，锯车返回，进入下一段切割等待状态。 该过程中管速的测量由测管速编码器完成。 锯片的运动控制要求在实际操作中，可通过h m l 人机界面向可编程控制器 ( p l c ) 传送配方数据p l c 对输入数据进行处理，生成和管材型号相匹配的速度 曲线，并经离散化后向各轴伺服驱动器发出脉冲，控制信号以驱动伺服电机旋转， 再通过各电机轴后端部的光电编码器进行采样，将位置与速度分别反馈给伺服驱 动器从而使整个系统之间构成半闭环控制系统。另外，也需要将速度信号反馈给 p l c ，以达到监控设备运行速度的目的。 该控制系统的控制原理框图如图2 1 所示： 速度反馈 图2 1 控制系统原理框图 本控制系统相当于一个三轴控制系统，核心控制器采用可编程控制器( p l c ) ， 数组参数由人机界面即触摸屏传送给p l c 。各伺服控制系统均由一个伺服驱动器 和一个伺服电机组成，其中锯车和锯片进给轴的伺服电机均配有一个增量式旋转 编码器和一个减速机。伺服控制器采用位置控制方式，由p l c 向驱动器发送脉冲 和方向信号，经由伺服控制系统驱动齿轮转动以带动齿条，齿条往返移动，带动 工作台( 锯车和锯片) ，工作台的运行速度通过旋转编码器反馈a b 相脉冲给p l c 的脉冲输入端口。锯片及锯片旋转驱动系统跟随齿条上下移动，锯片旋转驱动系 统同样采用伺服控制系统，但它的伺服电机不带有减速机，当锯片接近管材时， 第2 章总体设计方案 电机带动锯片高速旋转，完成切割过程。 图2 2 控制系统示意图 2 3 本章小结 本章介绍了冷切切割设备的总体设计方案，阐述了系统的控制要求，及设计 原则，并通过系统原理框图分析了系统的控制原理。 沈阳理工大学硕士学位论文 第3 章冷切切割设备的伺服控制 本课题自动切割系统驱动主要有锯车的进给驱动、锯片的进给驱动和锯片高 速旋转的驱动，这三个驱动均采用交流伺服控制，由p l c 作为上位控制器，根据 要求选择不同的模式，驱动电机旋转，由编码器将伺服电机的实际旋转脉冲数反 馈到伺服驱动单元和控制器中作运算处理，从而构成闭环控制系统。 3 1 伺服控制系统 当今世界制造业即将进入全盘自动化的时代，自动化制造系统的实施标志着 人类进入了现代文明生产的新纪元。传统的电机控制只能对电机的转速进行控制， 这样的技术已经不能满足现代控制的要求。随着控制理论与技术渐渐发展成熟， 交流伺服控制系统已广泛应用于工业领域。交流伺服系统与传统的电机控制系统 相比，可靠性高、响应时间短、控制精度高、调速范围大、动态性能好，逐渐成 为工业自动化领域中运动控制的主流。在定位控制中，驱动装置的精度决定了整 套设备对速度控制和位置控制的精度，高精度的驱动装置是必不可少的，本课题 所研究的冷切切割设备就是采用交流伺服控制的技术来完成的。 3 1 1 伺服系统概述 ( 1 ) 伺服系统的定义【3 】 所谓伺服系统( s e r v om e c h a n i s m ) 是使物体的位置、方位、状态等输出被控 制量能够跟随输入目标( 或给定值) 的任意变化的自动控制系统。它的主要任务 是使系统按照控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装 置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。 ( 2 ) 伺服控制系统的特点吼 1 ) 静态和动态精度高且调速范围宽； 2 ) 动态响应特性高； 3 ) 指令信号跟踪能力强、反应灵敏； 4 ) 定位准确且轨迹控制精度高； 5 ) 抗干扰能力强； 第3 章冷切切割设备的伺服控制 6 ) 无低速爬行现象。 ( 3 ) 伺服系统的分类 在工业领域，驱动系统中所采用的电动机，大致可细分为以下几种【5 】： 1 ) 交流伺服电动机：包括同步型交流伺服电动机及异步型交流伺服电动机等： 2 ) 直流伺服电动机：包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电 动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机； 3 ) 步进电动机：包括永磁感应步进电动机及反应式步迸电动机等。 3 1 2 闭环控制系统 伺服系统按照控制方式可分为开环控制系统和闭环控制系统，其中闭环控制 系统分为全闭环控制系统和半闭环控制系统。 开环控制没有检测装置，其驱动电机般为步进电机。这种控制方式的最大 特点是控制方便、结构结单、价格便宜，但由于机械传动的误差不经过反馈校正， 所以位移精度不高。 闭环控制系统多采用直流或交流伺服电机驱动。全闭环控制系统往往采用光 栅尺一类的直线位移检测元件，静态定位精度非常高，但是由于传动环节的摩擦 特性、刚性和间隙均为非线性，且响应时间大、系统设计复杂、成本较高、稳定 性差，在工业控制中应用并不广泛。半闭环控制系统主要采用编码器作为检测元 件安装在伺服电机端部。由于大部分机械传动环节都包括在系统闭环环路内，因 此可获得较稳定的控制特性【6 1 。虽机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可 采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度。在本课题的研究中，机床采用的就 是此种半闭环式控制方式，足以满足控制要求。 半闭环控制系统是在开环控制系统的伺服机构中装有角位移检测装置，通过 检测伺服机构检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原 指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差 值消除为止的控制系统【7 1 。这种伺服机构所能达到的精度、速度和动态特性优于开 环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 伺服控制系统一般都是三环控制，即是电流环、速度环、位置环 8 。如图3 1 所示： 沈阳理工大学硕士学位论文 控 制 指 令 i _ 一土一一f 二= 二= 二二二。二二= 二二f ! ，。一二鬲二二一一? ：广 广 i i l 一一i i 偏移量 计数器 鲥嚣悄瓣广l 滋徽 ：i ；il 匠二二i ：i 贺器 i l j 图3 1 伺服三环控制结构框图 最内层的便是电流环，该环在伺服驱动器内部完成，它的输入设定值由外层 的速度环给出，将这个输入给定值同霍尔元件反馈给电机的各相的输出电流值进 行比较，即p i d 调节，直到二者的差值趋近于零。事实上，该环实现的便是转矩 的控制，有时也称其为转矩控制环，由于它是在驱动器内部完成，因此运算时间 最短，响应：最快。 电流环的外层是速度环，速度环的输入由上层的位置环给出，反馈值由编码 器给出，二：耆经过p i d 控制器，将比较值传送给电流控制部分。这里的p i d 调节 主要是比例p 和积分i 的调节，没有微分d 的调节。 最外层控制环为位置环，它包含了电流环和速度环，它的输入给定值是由指 令控制器给出，反馈值同样来自于编码器脉冲信号，二者经过偏移量计数器运算 后进行比例调节，输出值送给电流环作为输入。由于该环需要进行的计算量最大， 因此运算时间最长，响应最慢。 编码器位于伺服电机轴端，电机轴旋转产生脉冲信号，该脉冲信号即为编码 器采样值，它的频率与电机旋转快慢有关和电机电流无关，因此，编码器或者说 电机不参与电流环的输入、输出与反馈。 3 2 伺服系统的选择 伺服驱动装置是控制系统的核心，因此，伺服电机的选择非常重要。首先要 选出满足给定负载要求的电动机，然后再参照价格、重量、体积等技术指标选择 最经济适用的电机。本文所采用的交流伺服系统为安川公司的i i 系列的控制系 统，其处理速度与控制精度均已达到了当今世界的先进水平，且其性价比较高， 对于本控制系统来说是非常合适的。 选择了伺服系统的品牌以后，还要对伺服电机和伺服驱动器的型号进行确定， 第3 章冷切切割设备的伺服控制 以保证所选的电机能够胜任所要承担的工作，同时也可避免浪费。在进行选型时， 也有很严格的要求，其计算方法如下： ( 1 ) 确认电机的转速以及编码器分辨率； ( 2 ) 折算出电机轴上的负载力矩； ( 3 ) 计算负载惯量，惯量的匹配，对于精度和响应速度都是有一定影响的； ( 4 ) 计算并选择再生电阻，对于伺服来说，一般在两千瓦以上，且要外配； ( 5 ) 选择电缆，编码器电缆是双绞屏蔽的，如安川伺服等日本品牌的增量式 编码器是4 芯，而绝对值式是6 芯。 3 2 1 伺服电机参数的确定 本课题对钢管切削精度和切削质量要求较高，因此采用安川i i 系列的交流同 步伺服电机，其励磁方式为永磁，下面介绍几个选择伺服电机时需要考虑的般 性问题。 ( 1 ) 最高转速问题 对于伺服电机的选择，首先需要考虑的问题就是锯片在快速进给或快速退回 阶段的最大进给速度和工进阶段的最高转速( 即切入时的初始速度) 。快速运行阶 段的电机转速不能高于电机的额定转速。 本系统的机械传动装置采用的是齿轮齿条，电机运转速度在快速退回时达到 最大，由此可得以下式子： n ：导掣l o s n 额 ( 3 1 ) m 。 ” 式中： n 额电机的额定转速，印m ； n 一快退时电机的转速，r p m ； v 。齿条运行速度，州m i n ； u一机械传动比； m d 一齿轮周长，m m 。 ( 2 ) 惯量的匹配 电机的负载惯量是指电机转动所驱动的对象惯量的总和，即各运动对象惯量 的矢量和，式( 3 2 ) 给出了负载惯量的计算公式。为了保证系统能够具有较高的 灵敏度和稳定性，必须给以足够的角加速度才能达到要求，负载惯量j 须限制在 沈阳理工大学硕士学位论文 _ _ - _ l _ _ _ - _ _ - _ 一- _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ _ - - _ - - _ _ - - _ _ _ - _ _ - _ - _ - _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - - _ - _ - _ _ _ - _ _ 一 电机惯量j m 的2 5 倍以内，即j l o 时，伺服电机正转，当v 0 时，伺服电机反转。 3 3 3 扭矩模式 就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的 响应最快【1 3 】。如果用户对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩， 当然是用转矩模式。当然对于一些高端专用的上位控制器，采用转矩方式控制， 把速度环也从驱动器上移开，这样可以提高整个系统的响应速度，但是价格昂贵， 不符合设计基本原则中的经济适用。 沈阳理工大学硕士学位论文 在采用转矩控制方式时，电机轴输出转矩大小的设定有两种途径：一是通过 模拟量的输入控制，二是直接地址赋值的方式来设定。例如3 v 电压对应5 n m 的 扭矩，那么当给定模拟量信号为1 5 v 时电机轴的输出即为2 5 n m 的额定转矩，以 此值做为分界点，当电机轴转矩小于2 5 n m 时电机正转，电机轴转矩等于2 5 n m 时电机不转，大于2 5 n m 时则电机反转( 一般产生在有重力负载的情况下) 。 如需要改变设定转矩的值可以随时通过改变外部模拟量的大小来完成，如采 用通讯方式控制，还可通过改变相应地址数值来实现。伺服系统的转矩控制模式 主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉 光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会 随着缠绕半：径的变化而改变【1 4 】。由于本课题主要是对速度和位置的控制，因此在 这里对转矩控制方式不加过多的描述。 3 4 本章小结 本章主要介绍了伺服驱动系统在冷切切割设备中的应用，包括伺服驱动器的 工作原理、如何选型、选型时需要计算的数据，以及伺服系统的三种控制方式， 位置模式、速度模式、转矩模式的工作原理及应用，着重讲述了位置模式的控制 原理及电子齿轮比的设置。 第4 章冷切切割设备的运动模型 第4 章冷切切割设备的运动模型 本套冷切切割设备运动过程包括四个部分，锯车对钢管的追踪运动、锯片的 进给运动、锯片的高速旋转运动和钢管的前进过程。其中，锯片的高速旋转运动 和钢管的前进过程较为简单，不需要建立数学模型即可实现其控制。下面主要介 绍的是锯片的进给运动和锯车的运动。 4 1 锯片运动分析与数学建模 在实际切割过程中，锯片为纵向切割，为了设计方便，在绘制切割模型图 时，将切割模型进行9 0 度旋转。按照要求整个进给过程分为三个阶段：快进、工 进、快退。图4 1 中a b 为快进阶段，即为锯片快速接近钢管的阶段；b e 为工进 阶段，即锯片切割钢管阶段，这时需要锯片的转速根据钢管材质、壁厚的不同等 工况进行调速，因此在工进阶段前应该有一个速度转换的时间，此时间即是快进 减速时间；e a 为快退阶段，即锯片快速回到原点的阶段。 图4 1 锯片进给过程剖面示意图 如图所示a 点为切割原点，在确保切割准备工作( 夹紧、夹紧延迟) 完成后， 锯片从原点a 出发，先加速到速度v o ，再以速度v d 匀速前进，然后减速到v ，时刚 沈阳理工大学硕士学位论文 - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ l _ l - _ - l - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ 一 好到达钢管附近。图中s o 为快进加速阶段，s 1 为快进匀速阶段，s 2 为快进减速 阶段。由于这个过程简单易控，可由p l c 的p t o 指令完成，同样的快退阶段也可 由p t o 指令完成。图中s 3 为快退加速阶段，s 4 为快退减速阶段，快退匀速阶段 即是s 3 与s 4 之间的一段过程。 机床的运动过程可大致分为两个部分：快速进给过程和工进过程。快速进给 包括快速接近工件和快速退回，这两个阶段运动过程简单，可以通过可编程控制 器直接编写一段梯形曲线来完成，这一部分内容在第五章程序设计中进行详细介 绍。另外，机床进给轴的工进阶段和锯片旋转驱动系统的运动曲线的建立过程是 相同的，在这里以机床进给轴工进阶段的运动模型为例进行详细的分析。 工进阶段的切割速度需要根据切割位置的不同有所变化，锯切的速度和锯切 位置的关系并非线性，因此需要对冷切切割设备的工进过程进行详细的分析。由 于钢管中空的特点，在工进过程中，锯片和钢管的接触面积会跟随位置的变化而 有所不同，锯片进给速度和锯片与钢管相交弧线的弧度直接相关，图4 2 所示为锯 片在开始切入钢管管壁时的横向剖面图，其中弧线即红色虚线部分为锯片与钢 管相交弧线，仅为弧线所对应的锯片圆心角，为钢管与锯片相切割弧线所对应的 圆周角，r 为锯片半径，为钢管外径，d ，和仍分别为锯片和钢管的圆心，b 为 锯片与钢管外圆的切点，g 为线段m n 与a a 之间的垂直交点，f 为锯片与钢管 内圆的切点。根据图4 1 可计算出锯片位置和锯片进给速度之间的关系。 鼻l二_ ? 多1辨、 。l j p 图4 2 锯片工进过程剖面示意图 第4 章冷切切割设备的运动模型 如图4 2 所示，在三角形加，d ：中，伽，d 2 = 等，那么由余弦定理可知， c o s 竺：里! 竺：9 丝二垒丝： ( 4 1 ) c o s 一= o 2 2 。一 叶一l 2 2 d l q d l m 设原点a 到钢管圆心a 的距离为j ，锯片从原点a 开始所移动的位移为s ， 则： c 。s 竺：! 兰! 二堑窒二! ( 4 2 ) 2 2 尺( s l s ) 式中： r 一一锯片半径瑚i m ； r 一钢管外径m m 。 在锯片切入钢管之前，锯片进给速度初值已经给定，锯片进给速度与锯片和 管材所接触部分的弧长，( s ) 成线性关系，而这个比例系数则根据管材材质的不同 选定的。 v = 一k ，( j ) + v 2 ( 4 3 ) 式中：l ( s ) 一锯片与管材所接触部分的弧长，m m ； k 一与管材材质有关的常数； v ，一工进速度1 ，m “s ，其值通过人机界面输入。 当彳b j 么b + 厂一r 时， 1 ，：1 ，一2 艘a r c c o s ! 兰! 二垡一堡! ( 4 4 ) 2 尺( s l j ) 式中：r 一钢管内径，m m 。 当么b + r r s 4 b + ，+ r 时， v ：v ，一2 觑盯c c 。s 虹型! 坠羔一掀。s 虹型! 坠! 】 ( 4 5 ) 2。 2 r ( s ，一s )2 r ( s 一j ) 。 当彳b + 广+ r - s 么b + 2 r 时， v ：v 一2 觑牡c c 。s 虻塑窒二! ( 4 6 ) 由以上公式不难描绘出锯片的工进速度随位移变化的运动曲线，如图所示： 沈阳理工大学硕士学位