VEC-VBF伺服應(yīng)用于鋼管定尺飛鋸機

一、 引言 
在企業(yè)已經(jīng)全球化的同時，各行各業(yè)的競爭也越來越激烈，各種行業(yè)機械的效能評比標準也逐漸地大幅提高?？蛻粼谠u估一臺加工機械的效能時，不但要檢驗產(chǎn)出成品的精準度是否合格；同時更要計算每臺機械每分鐘的生產(chǎn)效率是否比競爭者更快更高。因此，探討機械動作設(shè)計的合理化顯得尤為重要。高頻無縫焊管后段的飛鋸的控制系統(tǒng)過去一直依賴進口產(chǎn)品，價格貴，貨期長，且服務(wù)不及時，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)特別是電力電子產(chǎn)品技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，使飛鋸控制系統(tǒng)的解決方案變得“簡單易行”，基本上打破了過去長期整機依賴進口的局面。本文闡述深圳市威科達科技有限公司生產(chǎn)的VEC-VB追剪專用型在飛鋸行業(yè)的應(yīng)用。 

二、 鋼管飛鋸現(xiàn)狀 
中國的鋼管飛鋸行業(yè)普遍采用以下三種方式完成高頻無縫焊管后段的飛鋸： 
1、 運動控制器+直流驅(qū)動器+直流電機 
2、 運動控制器+變頻器+三相異步電機 
3、 運動控制器+伺服驅(qū)動器+伺服電機 
4、 專用型伺服驅(qū)動（內(nèi)置運動控制器）+伺服電機（或異步電機） 
第一種方式歷時最久，優(yōu)勢在于取代了走停式靜太裁切，提高了鋸切速度和精度；缺陷在于直流電機維護多、維護成本高。 
第二種方式用交流系統(tǒng)取代了直流系統(tǒng)，不僅具備直流系統(tǒng)的優(yōu)勢，同中降低了成本，減少了維護費用；但在精度和速度上遜色于第三種方式。 
第三種方式優(yōu)于前兩種方式，一方面保證了鋸切精度，另一方面提高了鋸切速度，后期使用的維護費用也低，但整體造價高。 
第四種方案中的專用型伺服驅(qū)動器是將原來的運動控制器寫成軟件集成在伺服驅(qū)動器內(nèi)，使“運動控制器”部分的故障率降為零，不僅完全具備第三種方式的全部優(yōu)勢，還具有造價低、供貨快、服務(wù)及時等優(yōu)勢。 
三、工作原理 
(1) 機械基本架構(gòu) 
在生產(chǎn)鋼管的生產(chǎn)線上，成品是連續(xù)不斷的生產(chǎn)出來的，成品且是硬性的材質(zhì)，必須將連續(xù)送來的材料，立刻裁切成一段段固定長度的成品。這時，便需要應(yīng)用“往復(fù)式同步動態(tài)裁切”的技術(shù)，或者稱之為“往復(fù)式飛剪(Reciprocal Fly Shear)”。因為在裁切的過程中(大約0.1~1秒)，如果硬質(zhì)材料與刀具之間有相互的位置變動，將會對刀具造成傷害;同時也勢必影響成品的質(zhì)量。 
采用如圖1所示的“往復(fù)式飛剪”機械結(jié)構(gòu)，便是解決這種問題的最佳方案。本機械結(jié)構(gòu)的裁切刀具并不是安置于固定點，而是安裝于可以移動的“切臺”上。透過導(dǎo)螺桿，“切臺”的位置由伺服馬達帶動;因此，在整個裁切的過程中，控制器可以隨時控制切臺的移動速度與位置，讓刀具與材料的相對位置永遠維持固定。運用這種方式才能確保每一個成品的定長精度及切口平整度，同時還能延長刀具的使用壽命。

圖1 往復(fù)式同步動態(tài)裁切的系統(tǒng)架構(gòu) 

(2) 往復(fù)式飛剪系統(tǒng)的基本組成單元及其功能 

a)往復(fù)式飛剪專用控制驅(qū)動系統(tǒng)(VEC-VBF) (Programmable Drive System-Fly Saw mode): 

接受PLC及HMI輸入的運轉(zhuǎn)命令及長度設(shè)定; 

檢測測量輪編碼器傳回的脈波，以獲得進料速度及進料長度; 

控制伺服馬達的運轉(zhuǎn)速度及同步定位動作; 

激活切刀(鋸片)加工裝置。 

b) HMI(Human Machine Interface):(人機接口) 

接受設(shè)定資料及顯示運轉(zhuǎn)狀態(tài) 

c) PLC:(可編程程序控制器) 

處理基本的接口、互鎖、連動信號 

d) Servo Motor:(無刷伺服馬達或感應(yīng)伺服馬達) 

帶動導(dǎo)螺桿的正逆轉(zhuǎn)動或停止 

e) Ball-Screw:(導(dǎo)螺桿或齒排) 

帶動切臺往復(fù)運動及停止 

f) Carriage with Cutting Mechanism:(鋸臺或切臺) 

包含切刀(鋸片)加工裝置之移動基臺 

g) Measure Roll with Encoder:(附編碼器的測量輪) 

直接緊密的接觸待切材料，靠材料的橫移而帶動編碼器產(chǎn)生脈沖信號 

(3) 運行速度曲線(如圖2所示)。 

(4) 切臺移動速度與加工動作的時序說明 

圖2 VEC-VBF系統(tǒng)基本運行速度曲線- 
圖2中，上下起伏的實線，清楚的表示出整個裁切循環(huán)過程中，切臺運行的速度曲線;而平直的虛線則代表穩(wěn)定的進料速度。整個循環(huán)分成五個不同的狀態(tài)，分析如下: 
a) 待機狀態(tài)(Standby) 
在一個循環(huán)開始時，若送料總長度尚未達到指定裁切長度，即屬于待機狀態(tài)。VEC-VBF隨時檢測輸入材料的長度及當(dāng)時送料速度。采取前置量檢測法，若長度到達前置量，則立刻指揮伺服馬達激活，進入加速狀態(tài)。 
b) 加速狀態(tài)(FrampUp) 
送料持續(xù)進行，VEC-VBF在檢測輸入材料的長度及當(dāng)時送料速度的同時，并指揮伺服馬達依照S曲線加速至與進料速度同步;務(wù)求在進入同步速度的瞬間，裁刀與材料的動態(tài)相對位置已經(jīng)整定完成。接著便進入同步狀態(tài)。 
c) 同步狀態(tài)(SyncZone) 
一旦進入同步狀態(tài)，VEC-VBF立刻送出同步信號(SYNC)給裁刀控制機構(gòu)，要求執(zhí)行切斷動作。同時，VEC-VBF 依然持續(xù)偵測進料長度及進料速度，隨時保持切刀與材料之間的動態(tài)相對位置永遠不變;如此才能確保裁切斷面的平整。當(dāng)裁切完成之后，切刀自動退出，并發(fā)出裁切完成信號(CUT-END)。VEC-VBF接收到本信號，則不再繼續(xù)維持同步，立刻進入減速狀態(tài)。 
d) 減速狀態(tài)(FrampDown) 
VEC-VBF指揮馬達依照S曲線減速直到完全停止。同時，仍然持續(xù)偵測并累計進料長度。一旦馬達完全停止，VEC-VBF立刻將切臺現(xiàn)在的位置記錄為本次裁切的最遠行程。接著立刻進入回車狀態(tài)。 
e) 回車狀態(tài)(ReturnHome) 
回車狀態(tài)其實可以看成是“NC走停式定長送料”的標準動作程序?；剀囘^程中，VEC-VBF仍持續(xù)偵測并累計進料長度?；剀囃瓿芍笙到y(tǒng)自動進入待機狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。

四、系統(tǒng)主器件選型注意事項 
VEC-VBF追剪系統(tǒng)基本架構(gòu)中所需的主要組件是（請參考圖1系應(yīng)用之基本圖）： 
1. 同步伺服或感應(yīng)伺服電機。 
必須依據(jù)系統(tǒng)扭力的需要，包括伺服電機、機械系統(tǒng)自身的慣量、效率、摩擦損耗等因素來選定適當(dāng)?shù)男问郊肮β省?nbsp;
一般選擇電機時需注意： 
1） 低慣量 
慣量愈低愈好，否則會損耗許多扭力去克服自身的慣量。 
2）適當(dāng)?shù)念~定轉(zhuǎn)速及減速比 
選定電機規(guī)格時應(yīng)配合減速機構(gòu)一并考慮，最佳的匹配是當(dāng)電機運行于最高轉(zhuǎn)速時，即是機臺切刀的最高合理運轉(zhuǎn)速度（考慮機械的承受力，及實際應(yīng)用上的要求）。尤其是當(dāng)選用的是感應(yīng)式異步電機加裝編碼器的方式搭配時，更是要考慮適當(dāng)?shù)臏p速比及電機的轉(zhuǎn)速配置；因為一般的異步電機的扭力輸出效率最大的區(qū)間是在額定轉(zhuǎn)速區(qū)附近，在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)扭力輸出效率相對較差；故若選擇1500rpm的電機，實際上僅運轉(zhuǎn)于約500~600rpm的速度區(qū)間，那么就必須改變減速比，使得電機運轉(zhuǎn)于1100~1400rpm，或改用750rpm的電機來使用，如此才能發(fā)揮電機應(yīng)有的扭力輸出效率。 
3）若能采用標準伺服電機，則將比使用一般感應(yīng)式異步電機有更好的表現(xiàn)。 
2. VEC-VBF驅(qū)動器。 
必須依據(jù)系統(tǒng)可能的最大扭力需要選定的伺服電機的最大電流額定來選定。驅(qū)動器必須有回升放電功能，可以外接放電電阻（內(nèi)含放電回路的機型）或外加煞車制動器再接放電電阻（無放電回路的機型）；詳細內(nèi)容請咨詢本公司技術(shù)服務(wù)咨詢?nèi)藛T。 
3. 主線速度測量編碼器。 
依據(jù)精度要求及機械參數(shù)來選定。 
編碼器的選定規(guī)格需注意： 
1）工作電壓5V 
2）輸出部是線驅(qū)動（Line Drive），差動式信號，增量型。 
3）有A，/A，B，/B的信號。 
4）配合測量輪的外徑及減速比，測量精度需能合乎裁切精度的要求。若采用1024ppr的編碼器，配合圓周為400mm的測量輪，增速比是1的話，其測量精度是(400/1024)*2=0.78mm，可應(yīng)用于±1mm精度要求的測量，但不適用于±0.8mm以下精度要求的測量。要提高測量精度，則必須提高編碼器精度，或增加增速比，以提高單位長度中的脈波輸出量。 
4. 人機界面。 
可規(guī)劃適合的操作畫面，以便于資料輸入，動作切換，系統(tǒng)監(jiān)視。上述基本組件即可達成VEC-VBF追剪系統(tǒng)最直接、經(jīng)濟的操控需求

五、結(jié)束語 
VEC-VBF系列追剪專用型伺服配異步電機精度可達2MM以內(nèi)，速度可達90M/MIN；VEC-VBF系列追剪專用型伺服配同步永磁電機精度可達1MM以內(nèi)，速度可達120M/MIN。專用型伺服在鋼管定尺飛鋸行業(yè)的成功應(yīng)用具有深遠意義，同時具有廣闊的發(fā)展前景。