彭澤豐，雷兆鋒

（廣東冠邦科技有限公司，佛山，528312）

1 前言

近年來，在凸輪拉拔機(jī)后直接配定尺追剪鋸的企業(yè)之所以較為普遍，一則是可以省掉放卷機(jī)構(gòu)的投入成本，二則也減少了車間場地的占用成本。同時(shí)通過控制系統(tǒng)切換工作模式，設(shè)備既可以工作在拉拔收卷模式，也可以工作在拉拔定尺模式。一機(jī)多用，性價(jià)比高，適用性強(qiáng)。

然而，在凸輪拉拔機(jī)后面直接配定尺追剪鋸，在實(shí)際生產(chǎn)中一直存在定尺長度精度不高而且有時(shí)長度正負(fù)偏差大和鋸片容易破碎導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加這樣兩大問題。如何去徹底解決好這些問題也是目前行業(yè)應(yīng)用中的一大難點(diǎn)。

在這里，我們通過在這種設(shè)備搭配中，長期使用Lenze9400伺服系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)的LJ30拉拔定尺鋸的使用情況為例，對如何改善上述問題所取得的一些經(jīng)驗(yàn)，在本文中進(jìn)行了探討和分享。

2 凸輪拉拔機(jī)的工作原理及在實(shí)際生產(chǎn)中的常見問題

凸輪拉拔機(jī)組主要由放卷機(jī)構(gòu)、預(yù)矯直機(jī)、制頭機(jī)、液壓凸輪拉拔主機(jī)、剪頭裝置、冷卻裝置、夾送預(yù)彎機(jī)構(gòu)、收料機(jī)構(gòu)、移料機(jī)構(gòu)以及液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。其中，凸輪拉拔主機(jī)是由一臺直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、裝在同一軸上的兩個(gè)尺寸完全相同、相位差180°的雙面圓柱凸輪，帶動(dòng)兩臺拉拔小車作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。前拉拔小車上帶有夾鉗，當(dāng)兩臺拉拔小車交替地從入口側(cè)向出口側(cè)移動(dòng)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對管坯的連續(xù)拉拔。

凸輪拉拔機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到以下一些現(xiàn)象：

（1）兩臺小車存在交替換手的過程，速度越快或兩臺小車交替換手的區(qū)間調(diào)整的不好，則換手過程中被拉管材的停頓現(xiàn)象表現(xiàn)越突出。

（2）任意一臺拉拔小車中的液壓抱鉗如果出現(xiàn)打滑現(xiàn)象時(shí)，也會造成被拉管材明顯的抖動(dòng)和停頓現(xiàn)象；

（3）兩臺拉拔小車中的任意一臺的抱鉗因液壓、機(jī)械、或電磁閥換向等原因，出現(xiàn)松開、夾緊有卡阻或滯后時(shí)，則會出現(xiàn)互相推拉現(xiàn)象，造成被拉管材正反方向上的拉扯、抖動(dòng)現(xiàn)象；

以上這些現(xiàn)象，也是凸輪拉拔機(jī)拉拔原理上難以避免的缺點(diǎn)。

3 拉拔定尺追剪鋸機(jī)組的工藝流程與技術(shù)參數(shù)

定尺追剪鋸機(jī)組主要由鋸切小車（鋸片、液壓馬達(dá)、抱緊氣缸等）、驅(qū)動(dòng)裝置（包括伺服電機(jī)、減速機(jī)、齒輪齒條等）、床身、測速裝置以及液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成。

拉拔定尺追剪鋸則是由上述拉拔機(jī)機(jī)組和定尺追剪鋸機(jī)組兩大機(jī)組串聯(lián)組合而成。設(shè)備工藝流程如圖1示。

圖1 設(shè)備工藝流程

以我們提供的LJ30拉拔定尺鋸為例，客戶要求的主要技術(shù)參數(shù)如下：坯料規(guī)格φ30X1.5mm硬態(tài)紫銅管，定尺長度范圍3000-9000mm，定尺速度0-80m/min，定尺精度0-±5mm。

4 拉拔定尺追剪鋸控制系統(tǒng)的硬件配置

從滿足客戶需求和節(jié)省制造成本兩方面出發(fā)，我們選擇西門子CPU313C-2DP（6ES7313-6CF03-0AB0）作為本系統(tǒng)的中央控制單元，通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與西門子6RA80直流調(diào)速器（拉拔主機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)）、西門子G120變頻器（放卷、彎曲、收卷、臥矯、立矯的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為交流變頻電機(jī)）、倫茨Lenze9400伺服驅(qū)動(dòng)器（追剪小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)為倫茨同步伺服電機(jī)）、以及西門子ET200遠(yuǎn)程IO站（操作箱、操作臺）和西門子TP700觸摸屏（操作箱、操作臺）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)場總線抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，穩(wěn)定可靠。

5 控制系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)

拉拔定尺追剪鋸控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分三大部分。第一部分是PLC控制程序的設(shè)計(jì)。基于西門子SIMATIC STEP 7 V5.5 SP4軟件編程平臺來進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，主要包括：

（1）負(fù)責(zé)對來自操作箱、操作臺等遠(yuǎn)程IO站的操作指令進(jìn)行采集和響應(yīng)，完成對整個(gè)機(jī)組的工藝自動(dòng)化操作，包括對各個(gè)執(zhí)行元件的啟、停控制、機(jī)組工作模式的選擇等主令操作；

（2）負(fù)責(zé)對液壓、潤滑、冷卻等泵站和其他輔助交流電機(jī)、電磁閥等設(shè)備的信號采集和控制；

（3）負(fù)責(zé)對拉拔主機(jī)直流調(diào)速傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)速控制；

（4）負(fù)責(zé)對放卷、彎曲、收卷、鋸前臥矯和立矯的變頻調(diào)速傳動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)速控制；

（5）負(fù)責(zé)對追剪伺服驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和啟?？刂?、鋸工作模式選擇等；

（6）搭建通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)建立PROFIBUS-DP通訊程序；

（7）負(fù)責(zé)與觸摸屏進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；

（8）系統(tǒng)故障檢測程序和分類報(bào)警程序；

（9）工藝聯(lián)鎖、設(shè)備安全聯(lián)鎖程序；

（10）程序具備拉拔收卷生產(chǎn)模式和拉拔定尺生產(chǎn)模式兩套控制功能。

第二部分是觸摸屏程序的設(shè)計(jì)?；谖鏖T子博圖TIA_Portal_STEP_7_Pro_WINCC_Pro_V14SP1軟件平臺進(jìn)行界面編程，主要包括：機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視；工藝參數(shù)的設(shè)定和顯示；設(shè)備檢測元件的狀態(tài)顯示；交、直流傳動(dòng)調(diào)速裝置和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)視；機(jī)組故障信息的提示和報(bào)警等。

第三部分是倫茨伺服驅(qū)動(dòng)器Lenze9400運(yùn)動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)?；趥惔腅ngineer_V220SP2軟件平臺來編寫運(yùn)動(dòng)控制程序，程序直接存儲在伺服驅(qū)動(dòng)器中。這也是本文要講述的重點(diǎn)。程序包括：

（1）外部測速編碼器的信號采集和處理程序；

（2）長度設(shè)定值處理程序；

（3）鋸車前進(jìn)、后退、抬鋸、落鋸手動(dòng)控制程序；

（4）鋸車回原點(diǎn)程序；

（5）凸輪曲線設(shè)計(jì)；

（6）自動(dòng)定尺控制程序；

（7）外部IO信號處理程序；

（8）故障報(bào)警、狀態(tài)、數(shù)據(jù)輸出等信息程序。

在這里，凸輪曲線設(shè)計(jì)的是否合理，非常關(guān)鍵。針對不同定尺長度設(shè)計(jì)了兩條凸輪曲線，一條用于2500～4000mm范圍內(nèi)的定尺，一條由于4000～11000mm范圍內(nèi)的定尺。如圖2示。

從凸輪曲線可以看出，外部測量編碼器為Master軸（即曲線X坐標(biāo)軸），鋸車驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)為Slave軸（即曲線Y坐標(biāo)軸Drive Axis）。鋸切小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)說明：

（1）待機(jī)狀態(tài)：拉拔機(jī)組運(yùn)行進(jìn)料中，通過鋸前測速編碼器測量進(jìn)料長度和速度，若達(dá)到設(shè)定長度，立即啟動(dòng)加速進(jìn)入追蹤狀態(tài)。

圖2 凸輪曲線

圖3 倫茨Lenze9400驅(qū)動(dòng)器程序參數(shù)

（2）追蹤狀態(tài)：按照設(shè)定的S曲線加速至與進(jìn)料速度同步狀態(tài)。

（3）同步狀態(tài)：進(jìn)入同步狀態(tài)，立刻送出同步信號給鋸切控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行管材切斷動(dòng)作。完成切割后，接收到抬鋸到位檢測開關(guān)發(fā)訊，立刻進(jìn)入減速狀態(tài)

（4）減速狀態(tài)：按照設(shè)定的S曲線減速直至停止，同時(shí)，仍然在持續(xù)偵測并累計(jì)進(jìn)料長度。

（5）返回狀態(tài)：一旦減速到停止?fàn)顟B(tài)，立刻開始返回運(yùn)動(dòng)，回到起始位置，隨即自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。

因此，從原理上講，伺服電機(jī)軸與外部測量編碼器按照設(shè)定的凸輪曲線，始終保持位置上的一一跟隨，只要來料速度穩(wěn)定，定尺追剪鋸本身的精度是非常高的。

6 針對凸輪拉拔機(jī)后搭配定尺追剪鋸的兩個(gè)問題的解決措施

前面我們列舉了凸輪拉拔機(jī)在生產(chǎn)中出現(xiàn)的幾種現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是造成定尺追剪鋸定尺長度精度不太高而且有時(shí)長短不一、正負(fù)偏差大，以及鋸片容易破碎導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加這兩大問題的主要原因。為此，我們通過多個(gè)工程項(xiàng)目的實(shí)踐摸索，從以下幾個(gè)方面做了一定的改善工作：

（1）在拉拔機(jī)彎曲出口與追剪鋸入口之間，我們從以前給設(shè)備配備的三輥臥矯和五輥立矯，改為目前的臥矯和立矯均為七輥主動(dòng)矯直。目的是提高進(jìn)料的直線度，提高定尺精度。

（2）將鋸前測量編碼器的安裝位置，從之前裝在鋸前入口與臥立矯之間，改為裝在臥矯與立矯的中間。利用七輥臥矯、七輥立矯的夾持作用，可以有效減緩拉拔機(jī)抱鉗打滑、拉拔換手停頓引起的速度突變的影響。

（3）測量輪由一大一小的兩個(gè)被動(dòng)輪及壓緊氣缸組成，我們把測量編碼器裝在直徑大一些的被動(dòng)飛輪上，利用飛輪的儲能原理，來減緩進(jìn)料速度輕微波動(dòng)的影響。

（4）將測量編碼器由最早使用的2048plus/圈改為目前使用的4096plus/圈、抗干擾特性更強(qiáng)的增量式編碼器，來提高測量傳感器的精確度。

（5）在倫茨Lenze9400驅(qū)動(dòng)器程序中，對測量信號利用L_SdSpeedFilter功能指令增加了速度濾波功能。通過合理的參數(shù)設(shè)置，在不影響定尺精度的情況下，可以有效減輕進(jìn)料速度波動(dòng)的影響。

（6）伺服電機(jī)減速機(jī)由以前設(shè)備配置的國產(chǎn)減速機(jī)改為直接使用傳動(dòng)精度較高的Lenze減速機(jī)。

（7）對鋸車中的夾緊裝置進(jìn)行了改進(jìn)，增大了抱緊夾持力。

（8）鋸片液壓馬達(dá)在滿足轉(zhuǎn)矩的情況下，從2400r/min改用為3000r/min，盡量縮短切割時(shí)間，減少鋸片破碎的幾率。

（9）凸輪拉拔機(jī)從開始的一個(gè)徑向凸輪實(shí)現(xiàn)兩臺小車換手，改為通過配置兩個(gè)互成180°的徑向凸輪，來調(diào)整兩臺小車換手的重合區(qū)間，盡可能較小停頓現(xiàn)象。這是從源頭上想辦法，也是最重要的舉措。

（10）鋸片選用質(zhì)量好的帶伸縮縫的合金鋸片，也能減少鋸片易破碎的幾率。

7 結(jié)束語

我們在多個(gè)類似項(xiàng)目的設(shè)備調(diào)試和售后跟蹤中，通過上述從系統(tǒng)硬件、軟件和設(shè)備自身等多個(gè)方面的持續(xù)改進(jìn)，使得凸輪拉拔機(jī)后直接搭配定尺追剪鋸這種生產(chǎn)配置的定尺精度已完全能夠滿足客戶的技術(shù)要求，鋸片非正常原因損壞的頻次也明顯下降。對于相關(guān)行業(yè)的類似設(shè)備搭配的應(yīng)用，具有較好的參考價(jià)值。但對于如何在拉拔機(jī)發(fā)生問題，造成來料速度出現(xiàn)劇烈波動(dòng)時(shí)，找到更有效的保護(hù)鋸片少受影響，定尺長度少受影響的措施方面，也還有待我們?nèi)ミM(jìn)一步的研究和發(fā)現(xiàn)。