伺服系統(tǒng)在飛剪機(jī)上的應(yīng)用
本文介紹了伺服系統(tǒng)，通過針對(duì)飛剪應(yīng)用開發(fā)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋進(jìn)行高速、高精度的定長(zhǎng)剪切。本文描述了伺服的關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 鋼筋橫切 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)器 伺服系統(tǒng)
一、飛剪應(yīng)用介紹
飛剪應(yīng)用于鋼鐵加工行業(yè)，是指在鋼筋送料過程中驅(qū)動(dòng)剪切刀運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼材的定長(zhǎng)剪切。因?yàn)轱w剪運(yùn)動(dòng)在剪切過程中不需停止送料，并能在加工過程中自由修改剪斷長(zhǎng)度和送料速度，所以大大提高鋼筋剪切的加工效率。
包米勒提供全系列大功率范圍的同步/異步伺服電機(jī)以及高性能B maXX 系列伺服系統(tǒng)。B maXX系列伺服驅(qū)動(dòng)器由驅(qū)動(dòng)級(jí)PLC 控制，該驅(qū)動(dòng)級(jí)PLC 通過背板總線與伺服驅(qū)動(dòng)器快速同步存取/訪問數(shù)據(jù)，并支持IEC 61131-3 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Baumueller 公司專為飛剪、旋切和追剪等應(yīng)用開發(fā)了系列功能塊，方便實(shí)現(xiàn)這三類應(yīng)用。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1 為包米勒飛剪應(yīng)用的系統(tǒng)構(gòu)成。其送料單元由送料驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制，負(fù)責(zé)平穩(wěn)無打滑的送料；剪切單元由剪切伺服系統(tǒng)控制，它根據(jù)設(shè)定的切斷長(zhǎng)度和送料的速度，驅(qū)動(dòng)剪切刀對(duì)鋼筋進(jìn)行定長(zhǎng)剪切。伺服系統(tǒng)控制參數(shù)如切斷長(zhǎng)度、送料速度等由人機(jī)界面輸入；材料的速度和位置由編碼器反饋到剪切驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。編碼器信號(hào)來源分為被動(dòng)式和主動(dòng)式：
■ 被動(dòng)式：由安裝在測(cè)量輪上的編碼器反饋材料速度和位置；
優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量輪由材料帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，檢測(cè)值為材料的實(shí)際速度和位置；缺點(diǎn)是信號(hào)波動(dòng)較大。
■ 主動(dòng)式：由送料電機(jī)編碼器反饋材料速度和位置；
優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)平穩(wěn)，波動(dòng)??；缺點(diǎn)是當(dāng)材料與送料輪之間打滑時(shí)送料電機(jī)編碼器反饋信號(hào)不能準(zhǔn)確反應(yīng)材料實(shí)際速度和位置。
三、包米勒旋切、飛剪模塊
包米勒用于飛剪的主要功能塊如下：
TM_SyncRot_Init：根據(jù)控制要求初始化旋切/飛剪功能；
TM_SyncCam_Init：設(shè)置同步區(qū)的曲線；深圳市粵鴻遠(yuǎn)科技
TM_MasterEncoder：根據(jù)編碼器反饋值計(jì)算出材料的速度和位置；
TM_SyncRot：根據(jù)材料的速度和位置生成當(dāng)前軸的位置設(shè)定值和速度設(shè)定值；
TM_DriveEncoder：根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值控制當(dāng)前軸的運(yùn)動(dòng)。
此外，包米勒在控制剪切刀飛剪運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，能實(shí)現(xiàn)一些特殊的工藝要求，如在同步區(qū)剪切速度與送料速度之間存在固定的比例；設(shè)定加減速切換點(diǎn)；套色標(biāo)剪切等。
四、運(yùn)動(dòng)方式
剪切單元采用偏心軸方式傳動(dòng)，并采用機(jī)械同步定位軸，保證上下兩個(gè)刀座定向、同速、定位，使剪切刀固定刀座作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中剪切刀速度和送料速度同步的區(qū)域稱為同步區(qū)，同步區(qū)內(nèi)上下刀刃咬合的區(qū)域?yàn)榧羟袇^(qū)域，同步區(qū)之外的運(yùn)動(dòng)區(qū)域稱之為補(bǔ)償區(qū)。
包米勒飛剪應(yīng)用中剪切刀運(yùn)動(dòng)軌跡分為同步區(qū)和補(bǔ)償區(qū)，其運(yùn)動(dòng)方式也分為同步運(yùn)動(dòng)和補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。同步運(yùn)動(dòng)為剪切電機(jī)在同步區(qū)與材料速度和位置實(shí)現(xiàn)同步，其間上刀刃和下刀刃咬合，完成對(duì)鋼板的剪切過程；而離開同步區(qū)后，根據(jù)切斷長(zhǎng)度的不同，剪切刀需要加速或者減速來補(bǔ)償，以適用不同的切斷長(zhǎng)度，即為補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。根據(jù)切斷長(zhǎng)度的不同，有三種不同的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)方式：
1）長(zhǎng)料切斷
剪斷長(zhǎng)大于兩倍刀刃周長(zhǎng)情況下，在剪切周期中刀刃在剪斷動(dòng)作完成后減速并停止在設(shè)定點(diǎn)，然后加速進(jìn)入同步區(qū)。
2）中料切斷
剪斷長(zhǎng)大于刀刃周長(zhǎng)但小于兩倍刀刃周長(zhǎng)情況下，剪斷動(dòng)作完成后減速但不停止在設(shè)定點(diǎn)，過設(shè)定點(diǎn)加速進(jìn)入下一次剪切。
3）短料切斷
剪斷長(zhǎng)小于刀刃周長(zhǎng)情況下，剪斷動(dòng)作一旦完成馬上加速到設(shè)定點(diǎn)，然后減速進(jìn)入下一次剪斷。
五、在飛剪項(xiàng)目上的應(yīng)用
當(dāng)未設(shè)置同步區(qū)附加曲線時(shí)，剪切刀的默認(rèn)運(yùn)動(dòng)方式為旋切，剪切刀在同步運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切刀轉(zhuǎn)速和送料速度一致，在中料切斷時(shí)的曲線實(shí)測(cè)如下：
但是對(duì)于鋼筋剪切，假如剪切刀在同步運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切刀轉(zhuǎn)速和送料速度一致，則在剪切時(shí)剪切刀在送料方向上的分量與送料速度不一致，將會(huì)造成堵住鋼筋或者拖拽鋼筋的情況，所以切割鋼筋時(shí)需要剪切刀速度在送料方向的分量和送料速度在同步區(qū)一致。這時(shí)需要在同步區(qū)附加一段曲線來實(shí)現(xiàn)上述功能。
同步區(qū)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型如圖3，其中r= 60mm（ r 為偏心軸半徑）， ? sync =80°（0°～80°為同步區(qū)），? cut = 60°（10°～70°為剪切區(qū)域），同步區(qū)之外的區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)償區(qū)。這里同步區(qū)大于剪切區(qū)域，是因?yàn)樾枰幸欢ň嚯x來平滑速度的變化，否則會(huì)造成較大的機(jī)械沖擊。
圖3 同步區(qū)運(yùn)動(dòng)模型
材料在同步時(shí)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度： Ssync=2rsin()=77.135mm (1.1)
材料在剪切時(shí)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度： Scut=2rsin()=77.135mm (1.2)
設(shè)定材料進(jìn)入同步區(qū)的位置為原點(diǎn)，則：
剪切起始位置： xOcut= = 8.567mm (1.3)
剪切結(jié)束位置： x1cut =Ssync−x0cut=68.567mm (1.4)
可得關(guān)系式： a(x)=arcsin()+ (8.567 ≤ x ≤ 68.567)(1.5)
其中 α(x)－剪切刀在同步區(qū)的角度；
x －材料在同步區(qū)的位置；
r －剪切刀半徑；深圳市粵鴻遠(yuǎn)科技有限公司
速度關(guān)系式： = (8.567 ≤ x ≤ 68.567) (1.6)
為了讓剪切刀實(shí)現(xiàn)平滑的加減速運(yùn)動(dòng)，在同步區(qū)的0°～10°、70°～80°各附加一段過渡曲線，以使速度平滑過渡，減小機(jī)械沖擊，附加過渡曲線后的同步區(qū)剪切刀速度曲線如下：
圖4 同步區(qū)運(yùn)動(dòng)曲線
添加同步區(qū)曲線后，在中料剪切時(shí)完整的剪切刀速度曲線實(shí)測(cè)如圖5 所示，該運(yùn)動(dòng)曲線能完全滿足飛剪運(yùn)動(dòng)控制需求，且機(jī)械沖擊小，控制精度高。
圖5 飛剪運(yùn)動(dòng)曲線
結(jié)論
經(jīng)過測(cè)試運(yùn)行，機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)正常穩(wěn)定，剪切口平整，在不同的剪切長(zhǎng)度和高速送料時(shí)都達(dá)到了良好的精度，大大提高了客戶的生產(chǎn)效益。