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SEW 伺服控制在全自动倒棱机进给系统上的应用

杨娟;钟存福;黄明初

【摘 要】 介绍了 SEW 伺服控制下全自动倒棱机进给系统的机械结构及其控制过程. 该 SEW 伺服控制系统主要包括 SEW 伺服控制器、 PLC、触摸屏,通过 PROFIBUS- DP 对倒棱机进给系统的位置和状态进行监控;利用 SEW 伺服控制器输出扭矩大、 运行速度准确稳定、快速定位等特点,克服了进给系统的误差,保证了进给系统的稳 定,从而提高 HFW 钢管坡口切割的质量和效率,满足倒棱机生产节奏的要求.
【期刊名称】 《钢管》

【年(卷),期】 2014(043)004
【总页数】 4 页(P68-71)

【关键词】 HFW 生产线;倒棱机;进给系统;SEW 伺服控制;PROFIBUS-DP;精确定位; 全自动
【作 者】 杨娟;钟存福;黄明初

【作者单位】 中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂,湖北荆州 434001; 中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂,湖北荆州 434001;中国石化集团 石油工程机械有限公司沙市钢管厂,湖北荆州 434001
【正文语种】 中 文

【中图分类】 TG502.35

平头倒棱机设计为高频焊( HFW)管管端的自动平头倒棱，其目的是切削钢管外

倒角或提供焊接用坡口，切削管端保证管端与同轴线的垂直度，为现场施工加工出 所需的坡口，以便进行组对和焊接。倒棱机设备中的进给系统是最为关键的部分， 它的运行状况决定着加工钢管的坡口精度和管端的光滑平整度[ 1 ]。
中国石化集团石油工程机械有限公司沙市钢管厂(简称沙市钢管厂) HFW 生产线 选购了国内最新设计的全自动倒棱机，其生产效率为 2 根/min。该全自动倒棱机 的动力头进给采取伺服减速电机驱动和滚珠丝杠进给的传动技术，按“空载快进 —粗进给—精进给—原地平整—快退”的顺序完成每根钢管的平头倒棱过程。本 文将重点介绍 SEW 伺服控制在全自动倒棱机进给系统上的应用。
1 进给系统机械结构
全自动倒棱机的进给传动系统包括 SEW 伺服电机、减速机、轴承座、联轴器及滚 珠丝杠等。进给系统中伺服电机和减速机的选型最为重要，如伺服电机的电机功率 和减速机的减速比[ 2 ]，选型时需要满足快进时进给速度大而输出扭矩小，工进 时进给速度小而输出扭矩大。经计算并试验验证，选用 7.5 kW 伺服电机及其自带 的减速机，减速比为 7 ，电机最大输出扭矩为 146 N · m，试生产后完全满足现场 要求[ 3-4 ]。全自动倒棱机进给系统的机械结构如图 1 所示。
图 1 全自动倒棱机进给系统机械结构示意
2 电气控制系统的设计
采用可编程逻辑控制器 S7-300 ( PLC )、 SEW 伺服控制器、伺服减速电机、触摸 屏等组成基于 PROFIBUS-DP 现场总线控制的系统[ 5-9 ]。其中 PLC 作为控制 单元， SEW 伺服控制器作为驱动单元，伺服减速电机作为执行单元，伺服电机内 置的编码器作为数据采集器，系统中的触摸屏可实现在线调速并实时显示工进速度 等其他参数。全自动倒棱机电气控制系统结构如图 2 所示。
图 2 全自动倒棱机电气控制系统结构
德国 SEW 公司提供的 MOVIDRIVE 系列伺服控制器内置有位置处理器，采用伺服

电机尾部的编码器作为位置信息源构成位置环[ 4 ]。该伺服控制系统是闭环控制， 具有控制可靠、响应快速、运行速度稳定等优点，并且伺服电机输出扭矩大，而这 些特点均是全自动倒棱机所必需的。
3 SEW 伺服控制设计和调试
3.1 SEW 伺服电机的程序设计
SEW 伺服变频器的 PROFIBUS-DP 现场总线控制，选择所要组态的过程值，选 “6PD”， PLC 接收从变频器 6 个过程输入字“6PI”，包括状态字、实际位置、 实际转速、有功电流、利用率； PLC 发送 6 个过程输出字“6PO”，包括控制字、 目标位置、设定速度、加速时间、减速时间[ 9 ]。 SEW 伺服变频器的硬件组态如 图 3 所示。 SEW 伺服控制系统通过软件 MT-Manager 进行参数设置[ 5 ]， SEW 伺服变频器的参数调试界面如图 4 所示。
图 3 SEW 伺服变频器的硬件组态
图 4 SEW 伺服变频器的参数调试界面
在 PLC 中， Step7 软件中调用一个伺服变频器 PROFIBUS-DP 总线控制功能 FC140 ，以此实现状态字、实际位置、运行速度、实时电流、故障的读取，控制字、 速度设定、目标位置的写入[ 10 ]。 SEW 伺服控制系统程序 FC140 具体如下： 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//故障复位
JOG_PLUS_MODE： =L0.2//点动正转
JOG_MINUS_MODE ： =L0.3//点动反转
REF_TRAVEL_MODE ： =L0.4//寻参模式
POSITIONING_MODE ： =L0.5//自动模式

SETPOINT_POS ： =MD222//设定位置值
SETPOINT_SPEED ： =MW216//设定速度值
START_RAMP ： =2000//加速时间
STOP_RAMP ： =1000//减速时间
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//实际位置显示
ACTUAL_SPEED ： =MW220//实际运行速度
ACTUAL_CURRENT ： =MW230//实际运行电流
3.2 倒棱机工进位置、速度的算法
伺服位置控制程序的具体步骤：定位时首先设定速度、定位位置，再给定控制字一 个值，使伺服进给系统运行起来。其中包含了进给运行轨迹、进给速度的运算，进 给电机运行轨迹如图 5 所示，其中 Vi 为回退速度。主轴箱完成每一根钢管的进给 流程：位于后退位置 d的进给电机在启动后 2 s 内匀加速到快进速度 Vh ，保持快 进速度匀速向前快进，然后减速至粗进给起始位置 b ，以粗加工速度 Vg 前进至精 进给起始位置 f，并减速至精加工速度 Vj ，原地平整 1 s。倒棱完毕进给电机快速 返回原点。现场调试后，将 c 与 b 之间的距离即减速距离在程序中设置为 20 mm。 图 5 进给电机运行轨迹

内部运算主要是通过进给轨迹算法子程序 FC27 来实现的。其基本思想是：将运行 轨迹分为快进区间、减速区间、粗加工区间、精加工区间。系统 PLC 循环扫描程 序，实时读取到当前实际位置( #ACTUAL POSITION )所处的范围， PLC 根据其 所处范围进行判断，进而赋予设定速度[ 11 ]。进给电机转速可通过公式( 1 )来 计算：

式中 Rx——进给电机转速， r/min；
N——进给电机减速比；
V——花盘线速度， m/min；
S——机头工进量， mm/r；
D——钢管管径， mm；
L——进给电机丝杠导程， mm。
在式( 1 )中， N、 D、 L 已知，根据经验确定 V、 S。实际计算后可得进给电机转 速为 18.8 r/min。以此为参考，在触摸屏上设置粗加工速度 Vg 和精加工速度 Vj。 从触摸屏上可更改快进速度 Vh、粗加工速度 Vg、精加工速度 Vj、后退位置、粗 加工开始位置和最终位置。在实际调试运行时，根据现场实际情况和经验，不断调 整系统运行位置、速度，以确保最佳效果，从而获取相关参数[ 12 ]。
进给轨迹的程序 FC27 具体如下：
CALL FC27
FINAL_POSITION ： =DB9.DBD2//进给电机的最终位置
FAST_SPEED ： =DB9.DBW0//快进速度
WORK_SPEED1 ： =DB9.DBW6//粗加工速度
ACTUAL_POSITION ： =MD210//实际位置
WORK_POSITION_START： =DB9.DBD14//工作启动位置

WORK_SPEED2 ： =DB9.DBW24//精加工速度
OUT_SPEED ： =MW216//设定速度
WORK INTERVAL ： =M413.0//进给点反馈
4 结 语
实践证明， SEW 伺服驱动系统具有输出扭矩大、运行速度准确稳定、可快速定位 等特点，有效地克服了进给系统的误差，降低了调型时间和劳动强度，并保证了进 给的稳定性，提高了坡口切割的质量和效率。同时，由于采用了 PROFIBUS-DP 现场总线技术，实现了倒棱机的数字化、自动化控制，同时具备实时监控能力，提 高了进给系统的稳定性和故障处理能力。通过一段时间的使用，该进给系统性能稳 定，运行可靠，满足了 HFW 生产线对倒棱机生产节奏的要求，在 HFW 倒棱机控 制系统上具有较好的推广价值。
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