伺服系统在锯机上的应用

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2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。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。据此设计了控制系统的总体方案，选用西门子S7-300的PLC，西门子交流伺服驱动系统。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：锯机；伺服系统；PLC

1 引言

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[1]。

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]。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[3]。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。

2 锯机设备特点

我国机械行业的水平却和国外有相当大的差距，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。

具有冷切切割工艺的全自动锯机主要特点有：

（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；

（5）控制系统采用PLC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。

3 锯机设备控制原理

该控制系统由三部分组成：人机界面HMI，可编程控制系统，伺服驱动系统。锯机设备的控制主要分为两部分：锯片的控制和锯车的控制。其中锯片的控制为锯片的进给运动。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RS485通讯线送入PLC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。该控制系统的控制原理框图如图1所示：

锯片的运动控制要求在实际操作中，可通过HMI人机界面向可编程控制器（PLC）传送配方数据PLC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PLC，以达到监控设备运行速度的目的。

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减速机，电机内置编码器。伺服控制器采用位置控制方式，由PLC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AB相脉冲给PLC的脉冲输入端口。

4 伺服系统的选择

所谓伺服系统（servo mechanism）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[4]。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。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PLC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。

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西门子控制系统，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，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。

（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。

（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（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度才能达到要求， 负载惯量JL须限制在电机惯量JM的2.5倍以内，即JL< 2.5JM。

（3）转矩的确定

1）空载加速转矩

一般是在执行部件以阶跃信号从静止加速到一定速度时才会产生空载加速转矩。通常情况下，该转矩的大小不能超过驱动系统最大输出转矩的80%。

2）切削负载转矩

在正常工作状态下，切削负载转矩Tms应小于或是等于电机额定转矩TMS的80%[5]。

（4）计算负载力矩

由伺服电机的工作特性可知，负载转矩的确定是需要条件限制的：1）当设备空载运行时，在不超过额定速度的情况下，加在伺服电机轴上的负载转矩也要限制在电机连续额定转矩的范围内；2）最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。

5 结语

本文所设计的设备与传统的锯切设备相比，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。另外，该套设备的自动化程序高，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，投入大批量的生产是完全可行的。

参考文献

[1] 郭庆鼎，王成元，交流伺服系统.第1版.北京：机械工业出版社，1993

[2] 张绍庆.冷切钢管用锯片试制成功.重型机械.1980（3）：1-2

[3] 国际切管机行业分析公司.切管机：国际切管机战略贸易讲演.2010

[4] 赵荣.采用永磁同步电机的伺服系统研究.哈尔滨工程大学硕士学位论文.2008.12-15

[5] 韩纯洁.苏制AT-600B2车削中心数控改造的研究与应用.西安电子科技大学学位论文.2007