王紅斌

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

管端加工鏜銑機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王紅斌

(浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313008)

介紹一種新型管端加工鏜銑機床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，該系統(tǒng)包括機組邏輯控制、伺服系統(tǒng)控制和HMI控制管理三部分?？刂葡到y(tǒng)采用不同通訊方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；采用伺服系統(tǒng)自動調(diào)整主軸中心位置，刀盤中心與坯料圓心重合，誤差小于0.01 mm；采用主軸箱切削速度控制，使切削速度控制精度可達到0.5%；優(yōu)化速度環(huán)的比例增益Kp和積分作用時間Ki，機床運行平穩(wěn)。

管端加工；切削速度；控制系統(tǒng)

0 前言

隨著鋼管生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展以及用戶對鋼管質(zhì)量要求的提高，特別是由于用戶對交貨鋼管端部狀態(tài)的特殊要求，鏜銑機床已成為鋼管生產(chǎn)線上不可或缺的設(shè)備。鏜銑機床設(shè)備主要用于對鋼管端部的加工，包括內(nèi)外倒角、去毛刺、平端面等，以滿足API、ASTM等相關(guān)標準要求。2014年，由中國重型機械研究院股份公司設(shè)計的國內(nèi)第一臺高精度三坐標管端加工鏜銑機床在浙江湖州久立集團投入使用，該設(shè)備采用交流電氣伺服系統(tǒng)實現(xiàn)機頭進給，調(diào)整刀具，大大提高了產(chǎn)品精度和加工效率。本文主要對久立集團φ508管端加工鏜銑機床電氣系統(tǒng)進行介紹。

1 φ508管端加工鏜銑機床設(shè)備參數(shù)

該設(shè)備主要由機械設(shè)備、電氣設(shè)備、液壓設(shè)備組成。設(shè)備主要參數(shù)如下：

產(chǎn)品規(guī)格φ89～φ508 mm

產(chǎn)品長度 11700～12500 mm

產(chǎn)品材質(zhì) X42-X70(L290-L485)

產(chǎn)品壁厚 5～25 mm

坡口角度 32.5°

鈍邊厚度 1.7 mm

坡口粗糙度Ra1.6 mm

生產(chǎn)效率 60根/小時

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計與組成

φ508管端加工鏜銑機床電氣控制系統(tǒng)包括機組邏輯控制、伺服系統(tǒng)控制和HMI控制管理三部分板塊，它實現(xiàn)了主軸箱切削速度控制，進給伺服電機位置控制，伺服系統(tǒng)自動調(diào)整主軸中心位置，機組自動化控制等。HMI 系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)庫功能，可根據(jù)不同規(guī)格坯料調(diào)取機組對應(yīng)工藝參數(shù)，并和上位系統(tǒng)、機組CPU建立網(wǎng)絡(luò)通訊，實時監(jiān)控機組運行狀況。

2.1 系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)的CPU選用了力士樂公司MLC40運動控制器，該控制器即可實現(xiàn)邏輯控制，也集成了運動控制功能。MLC 通過Profibus-DP通訊將各個分散控制從站連接起來，實現(xiàn)機組的單動、上下料半自動、機頭半自動鏜銑、機組全自動運行；伺服控制系統(tǒng)采用整流-逆變分體方案，一臺整流單元(HMV)拖動六臺逆變單元(HMS)工作，可將電機制動時產(chǎn)生的反向電流回饋到電網(wǎng)，伺服系統(tǒng)和MLC采用Sercos光纖通訊；HMI人機界面選用研華工業(yè)用計算機，和MLC通過以太網(wǎng)通訊。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成Fig.1 System network

2.1.1 Profibus-DP通訊

MLC與各個DP分散站、變頻器通訊采用Profibus-DP協(xié)議?？蓪崿F(xiàn)設(shè)備的手動、分段自動和整機全自動的控制，并可監(jiān)控機組中所有數(shù)字、模擬量檢測開關(guān)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)；變頻電機的實時電流、轉(zhuǎn)速等重要參數(shù)均可通過通訊網(wǎng)絡(luò)反饋到MLC上，參與電氣控制并通過HMI人機界面顯示出來；液壓站、潤滑站的啟?？刂?，關(guān)鍵的壓力、流量、液位檢測信息均可回饋至MLC。

2.1.2 Sercos光纖通訊

MLC與伺服控制系統(tǒng)通訊采用Sercos協(xié)議。Sercos(串行實時通信協(xié)議)是一種用于數(shù)字伺服和傳動系統(tǒng)的現(xiàn)場總線接口和數(shù)據(jù)交換協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)處理器與伺服控制系統(tǒng)之間的實時數(shù)據(jù)通訊。協(xié)議以光纖作為傳輸導(dǎo)體，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)所有控制單元的串行閉環(huán)連接，在周期時間內(nèi)完成實時數(shù)據(jù)和命令的交換，周期時間可根據(jù)系統(tǒng)控制精度自由調(diào)節(jié)，最小250/500us，最大65ms；波特率范圍在(2、4、8、16)MB之內(nèi)，在MDT和AT中可配置的數(shù)據(jù)最大數(shù)量均為32字節(jié) ，但設(shè)定量取決于周期時間的設(shè)定。這種高速率的通訊方式可保證伺服電機有極高響應(yīng)，更精確的位置、速度控制。

2.1.3 Ethernet以太網(wǎng)通訊

MLC與HMI、上位控制系統(tǒng)通訊采用Ethernet以太網(wǎng)協(xié)議，該協(xié)議現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域中。它采用TCP/IP協(xié)議，主站和從站都分配有各自的IP地址，從而實現(xiàn)各站之間的數(shù)據(jù)通訊。HMI系統(tǒng)選用研華工業(yè)計算機，它存儲空間大，可大量保存設(shè)備和工藝參數(shù)，并能做到不同規(guī)格坯料自動調(diào)取加工參數(shù)，縮短加工時間，提高工作效率。此外，通過機組各個從站反饋給MLC的信息，HMI可隨時顯示、調(diào)用當前或歷史故障報警記錄。

2.2 主軸箱電氣控制系統(tǒng)

主軸箱電氣控制系統(tǒng)主要由三部分組成，包括切削主運動；主軸中心自動調(diào)整；主軸箱自動進給。其各部分控制原理如下：

2.2.1 切削主運動

主切削電機選用交流變頻電機，功率55 kW，基速1000轉(zhuǎn)/min，采用變頻無級調(diào)速和三檔手工調(diào)速組合，滿足多種材質(zhì)和全規(guī)格最佳切削速度要求。由于坯料大多是厚壁、大直徑的不銹鋼管，如果機頭切削速度震蕩過大，會在切削坡口產(chǎn)生較大的震蕩波紋，因此對機頭切削速度要求誤差不大于正負1%；工料加工完成后，主電機停止運行，根據(jù)工藝要求，停機時刀架需停留在45°～60°范圍內(nèi)，這就要求主電機能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確的制動停車。根據(jù)以上要求，主電機控制單元選用了西門子6SE70矢量型變頻器，并外置制動單元和制動電阻，通過安裝在變頻電機尾部的增量型編碼器實時回饋速度實際值，形成速度調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，速度控制精度可達到0.5%；根據(jù)編碼器實時反饋的位置實際值，可計算出刀具的實際位置，通過提前減速在低速范圍內(nèi)，當編碼器實際值等于設(shè)定值時 ，主電機快速制動停車，可以準確控制刀具的停車位置。

2.2.2 主軸中心自動調(diào)整

由于坯料圓度不一，尺寸差別較大，根據(jù)來料不同要求刀盤主軸中心可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍3 mm，刀具有仿形浮動功能，倒角角度固定。刀盤主軸中心X、Y坐標的調(diào)整通過伺服電機控制，伺服電機直聯(lián)滾珠絲杠，通過絲母帶動運動體在直線導(dǎo)軌上運動，使得刀盤主軸中心和坯料圓心重合，位置調(diào)整誤差0.01 mm，調(diào)整結(jié)束后由液壓機構(gòu)來鎖緊，從而保證了主軸精度和剛性。X、Y軸的機械調(diào)整機構(gòu)如圖2所示。

圖2 X、Y軸機械調(diào)整機構(gòu)Fig.2 X, Y axis mechanical adjusting mechanism

負載重量M=5 000 kg,絲杠螺距PB=20 mm，絲杠直徑DB=63 mm，絲杠重量MB=200 kg，摩擦系數(shù)μ=0.2，機械效率η=0.9，負載移動速度V=30 mm/min；加速時間t1，勻速時間t2，減速時間t3。

根據(jù)上述機械結(jié)構(gòu)、參數(shù)可計算出所需伺服電機的參數(shù)，具體計算公式如下：

負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量JW= 2M·(PB/2π)；

絲桿轉(zhuǎn)動慣量JB=MB·DB/8；

總負載慣量JL=JW+JB；

電機所需轉(zhuǎn)速N=V/PB；

克服摩擦力所需轉(zhuǎn)矩Tf=M·g·μ·PB/(2πη)；

負載加速時所需轉(zhuǎn)矩TA1=M·a·PB/(2πη)；

絲桿加速時所需要轉(zhuǎn)矩TA2=JB·α/η=JB·N·2π/(60t1η)；

加速所需總轉(zhuǎn)矩TA=TA1+TA2；

加速扭矩Ta=TA+Tf；勻速扭矩Tb=Tf；減速扭矩Tc=TA-Tf

實效扭矩Trms=sqrt[(Ta2·t1+Tb2·t2+Tc2·t3)/(t1+t2+t3)]

伺服電機額定扭矩T>Tf且T>Trms

伺服電機最大扭矩Tmax>Tf+TA

依據(jù)上述計算，選用了力士樂公司MSK系列同步交流伺服電機，該電機具有大轉(zhuǎn)矩低慣量，響應(yīng)速度高的特性。伺服電機自身安裝一臺絕對值編碼器，既可以作為電機控制的反饋系統(tǒng)，又可以實時提供主軸中心的絕對位置，系統(tǒng)斷電后可保持數(shù)據(jù)，不會丟失。在進給時內(nèi)層調(diào)整的伺服電機通過內(nèi)渦輪、蝸桿副驅(qū)動內(nèi)偏心轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)一個坐標的進給，外層調(diào)整的伺服電機在通過外渦輪、蝸桿副驅(qū)動外偏心轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)另一個坐標的進給控制的同時對內(nèi)層調(diào)整時在另一坐標產(chǎn)生的位移進行補償，運用插補原理可以實現(xiàn)復(fù)雜曲面加工。

在實際應(yīng)用中，通過這兩臺伺服電機調(diào)節(jié)刀盤中心與坯料圓心重合，誤差小于0.01 mm，很少發(fā)生損傷刀具的情況。

2.2.3 主軸箱自動進給

主軸箱采用經(jīng)典重載機床支撐結(jié)構(gòu)，適用于連續(xù)重載切削。主軸箱進給移動由伺服電機、安全扭矩聯(lián)軸器及高精度帶預(yù)緊滾珠絲杠來實現(xiàn)，保證了切削的穩(wěn)定性。主軸箱運動軌跡如圖3，其中：曲線1代表位置曲線；曲線2代表速度曲線；曲線3代表加速度曲線正常切削工作時，主軸箱從零位開始高速前進，在極短的時間內(nèi)高速前進至加工工位，此時進入加工階段，主軸箱低速進給，根據(jù)不同工藝設(shè)置不同進給距離。坯料端面加工完成后，主軸箱快速回退至零位，切削結(jié)束。主軸箱機械結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，與調(diào)節(jié)主軸中心伺服電機不同的是，主軸箱進給伺服電機要求在啟動后極短的時間內(nèi)，高速運行，快速響應(yīng)；正常切削時，要求低速進給，穩(wěn)定無震蕩；切削結(jié)束后，高速回退，準確停車。在現(xiàn)場應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，如果把電機特性調(diào)節(jié)過軟，主軸箱精進給時會有震蕩；如果把電機特性調(diào)節(jié)過硬，在主軸箱加減速時會對機械設(shè)備造成過大沖擊，因此需要對電機速度環(huán)關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化。速度環(huán)控制原理如圖4所示。參數(shù)1代表比例增益參數(shù)2代表積分時間。

圖3 主軸箱運動軌跡Fig.3 Moving trail of spindle box

圖4 速度環(huán)控制原理Fig.4 Speed loop control principle

伺服驅(qū)動器的控制由多種回路構(gòu)成，其中包含有速度控制器、電流控制器、位置控制器。速度環(huán)控制根據(jù)速度給定值和編碼器反饋回來的速度實際值，進行實時計算，通過速度閉環(huán)控制完成對電機速度的精確調(diào)節(jié)。對速度環(huán)的比例增益Kp和積分作用時間Ki進行調(diào)節(jié)，極大影響著伺服電機響應(yīng)時間和穩(wěn)定性，控制器的輸出由比例和積分環(huán)節(jié)組成，控制器自調(diào)節(jié)后，Kp=0.1，Ki=5，主軸箱正常精進給時，震蕩明顯，坯料表面有波紋狀。在主軸箱運行在不同工況下時，將這兩個參數(shù)反復(fù)調(diào)節(jié)，最終確定當Kp=3.7，Ki=15.5時，主軸箱在各種工況下均能滿足要求。因此，伺服電機特性的調(diào)節(jié)在進給系統(tǒng)中是非常主要的。

3 結(jié)語

本文介紹了久立集團φ508管端加工鏜銑機床的電氣控制系統(tǒng)，重點說明了系統(tǒng)構(gòu)建的通訊結(jié)構(gòu)和伺服系統(tǒng)的選型及應(yīng)用。該設(shè)備自從2014年投入使用至今運行良好，解決了不銹鋼復(fù)合管的管端加工問題，其產(chǎn)品已在國內(nèi)外的石油、海底探測等眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

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Design and application of electrical control system of boring and milling machine for pipe end

WANG Hong-bin

(Zhejiang Jiuli Hi-tech Metals Co., Ltd., Huzhou 313008 , China)

This paper introduces the design and application of a new type of electric control system for boring and milling machine tool. The system consists of three parts, including logic control, servo control and HMI control. The use of different communication mode to realize the data communication in the control system; the servo system to automatically adjust the position of the spindle center, coincidence of the cutter center and the work-piece center, the error is less than 0.01 mm. The spindle box controls the cutting speed, and control precision can reach 0.5%. Through optimizing the speed loop proportional gainKPand the integral action timeKi, the machine could run stability.

pipe end processing; cutting speed；control system

2016-04-12；

2016-05-16

王紅斌(1981-)，男，電氣工程師，研究方向：機械制造及其自動化。

TG333

A

1001-196X(2016)04-0053-04