1 引言

目前，在一些定位精度或動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求比較高的運(yùn)動(dòng)控制中，廣泛使用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。這種伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)軸后端部的光電編碼器進(jìn)行位置采樣，在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間構(gòu)成位置和速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其位置控制分辨高，可靠性好，已成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
定長(zhǎng)控制廣泛應(yīng)用在軋鋼生產(chǎn)中，其控制性能的優(yōu)劣直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。目前大多數(shù)老的生產(chǎn)線還是采用傳統(tǒng)的直流伺服控制，但新的生產(chǎn)線廣泛使用數(shù)字式的交流伺服系統(tǒng)，其優(yōu)越的性能已在生產(chǎn)中得到了充分的體現(xiàn)。

2 卷材橫剪機(jī)組的工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

高速卷材橫剪機(jī)組是一種常用的板金設(shè)備，通常它將0.2mm～4mm的金屬卷材按照用戶(hù)的要求橫切成板材。卷材橫剪機(jī)組主要有放料部分、活套部分、送料部分、剪切部分和碼垛部分組成。送料部分的運(yùn)動(dòng)是間歇運(yùn)動(dòng)，在送料運(yùn)動(dòng)停止期間，剪刀部分運(yùn)動(dòng)并將送料部分送來(lái)的材料橫向切斷。放料部分是連續(xù)運(yùn)動(dòng)的，而活套部分是協(xié)調(diào)送料部分和放料部分的速度。高速卷材橫切機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 卷材橫切機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

在卷材橫切機(jī)組中卷材的橫切是在材料停頓時(shí)刻進(jìn)行的，也就是說(shuō)，切刀刀口分離時(shí)，定長(zhǎng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)，長(zhǎng)度由內(nèi)含脈沖發(fā)生器的伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，觸發(fā)開(kāi)始后，系統(tǒng)直接以預(yù)設(shè)的加減速率、最高速度、s曲線以及目標(biāo)長(zhǎng)度為基本參數(shù)，計(jì)算出運(yùn)轉(zhuǎn)速度曲線，直接驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)至定位。當(dāng)輸送的長(zhǎng)度到達(dá)規(guī)定長(zhǎng)度時(shí),卷材停止運(yùn)動(dòng)，切刀刀口閉合，將卷材切斷。依次循環(huán)，自動(dòng)地將卷材切割成規(guī)定長(zhǎng)度的板材。其速度曲線如圖2所示 。

圖2 速度控制曲線

3 系統(tǒng)的構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方式

根據(jù)位置控制方式的不同，可分為兩種:

(1) 位置半閉環(huán)控制
在這種控制方式下，伺服電機(jī)上的反饋元件既是速度反饋元件又是位置反饋元件。根據(jù)設(shè)定的加速度、運(yùn)行速度、減速度和長(zhǎng)度，在伺服控制器中，定位功能模塊自動(dòng)的完成速度和位置的控制。這種控制方式的缺點(diǎn)是不能消除牽引輥打滑和機(jī)械傳動(dòng)間隙產(chǎn)生的長(zhǎng)度誤差。

(2) 位置全閉環(huán)控制
在位置全閉環(huán)控制方式中，增加了測(cè)量輪。在測(cè)量輪上安裝了增量式光電編碼器，伺服電機(jī)上的編碼器為速度反饋元件，測(cè)量輪上的編碼器為位置反饋元件。這樣，伺服控制器可消除牽引輥打滑和機(jī)械傳動(dòng)間隙產(chǎn)生的長(zhǎng)度誤差。但位置系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩。
經(jīng)綜合考慮，作者采用半閉環(huán)的控制方式，為此在設(shè)計(jì)程序時(shí)考慮機(jī)械傳動(dòng)間隙，通過(guò)軟件來(lái)消除

3.2 系統(tǒng)的硬件組成及性能

本系統(tǒng)的硬件部分主要有一臺(tái)可編程的twinline型伺服驅(qū)動(dòng)器和一臺(tái)5.7″觸摸屏組成，其型號(hào)分別為:tlc6382f332141和xbtg2110。
tlc6382f332141能同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)及處理輸入與輸出信號(hào)。輸入與輸出信號(hào)與軸的運(yùn)動(dòng)并行的循環(huán)方式進(jìn)行。運(yùn)動(dòng)的形式可以自由決定，并可與外部事件同步進(jìn)行?？捎?種編程語(yǔ)言進(jìn)行編程。具有如下的運(yùn)動(dòng)控制功能:
(1) 相對(duì)與絕對(duì)型“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”定位
(2) 具有多種反饋模塊，可方便的構(gòu)成位置半閉環(huán)/位置全閉環(huán)控制系統(tǒng)
(3) 電子減速器
(4) 內(nèi)置邏輯運(yùn)算功能和算術(shù)運(yùn)算功能
(5) 所有參數(shù)的讀取與記錄
(6) 加速與減速的調(diào)節(jié)
(7) 移動(dòng)過(guò)程中改變速度
(8) 在線調(diào)試
(9) 通過(guò)canopen方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信
(10) 點(diǎn)動(dòng)功能
(11) 32k的存儲(chǔ)空間
(12) 18i/7o
(13) 電子凸輪箱
xbtg2110是一個(gè)5.7″的觸摸屏, 通過(guò)它可以和伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊, 對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改和輸出的監(jiān)視。

3.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

圖3是以tlc6382f332141交流伺服控制器為核心的卷材橫切機(jī)組定長(zhǎng)電氣控制系統(tǒng)的主要部分。卷材的校平、牽引由tlc6382f332141型交流伺服控制器來(lái)完成，切割由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)切刀(刀口的分離/閉合)來(lái)完成。

圖3 電氣控制原理圖

twinline型交流伺服系統(tǒng)采用位置半閉環(huán)控制方式，伺服電機(jī)所帶的反饋元件為光電式增量編碼器，剪切長(zhǎng)度的的設(shè)定值由人機(jī)界面設(shè)定，實(shí)際長(zhǎng)度可從人機(jī)界面上讀出，其它的一些故障輸出及狀態(tài)信號(hào)都可從人機(jī)界面上顯示。
點(diǎn)動(dòng)功能可從人機(jī)接口啟動(dòng)，也可從操作臺(tái)直接啟動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)正向、停止和反向三種運(yùn)動(dòng)，通過(guò)操作臺(tái)的按鈕可進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)的正反轉(zhuǎn)操作。正常運(yùn)行情況下的伺服控制系統(tǒng)的速度設(shè)置可通過(guò)一個(gè)電位器進(jìn)行設(shè)置，此電位器和22端子相連，22端子是一個(gè)模擬量輸入端口，此外也可由觸摸屏進(jìn)行速度設(shè)置。
伺服控制器的開(kāi)關(guān)量信號(hào)定義如下:
17端:正向點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)置
18端:反向點(diǎn)動(dòng)速度設(shè)置
19端:啟動(dòng)
20端:單/聯(lián)動(dòng)
21端:料檢測(cè)
29端:刀停止
30端:送料
22端:速度設(shè)置
9端:液壓閥輸出
液壓馬達(dá)的控制是伺服控制器根據(jù)切刀的位置及牽引控制的狀態(tài)在其內(nèi)部經(jīng)邏輯運(yùn)算得到控制信號(hào)，并由伺服控制器輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)液壓閥實(shí)現(xiàn)。
驅(qū)動(dòng)器可擴(kuò)展一個(gè)canopen通訊模塊，通過(guò)它可以和上下位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換以及狀態(tài)的監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

與目前工業(yè)中應(yīng)用的其它定長(zhǎng)控制系統(tǒng)相比，本設(shè)計(jì)方案采用的是全數(shù)字式的交流伺服控制系統(tǒng)，且省去了專(zhuān)用的plc，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，且降低了成本; 友好的人機(jī)界面使系統(tǒng)使用方便、容易操作、維護(hù)量小等特點(diǎn); canopen總線是目前比較流行的一種通訊總線，絕大部分公司的產(chǎn)品都支持，所以本系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)和其它系統(tǒng)的兼容;實(shí)際生產(chǎn)中長(zhǎng)度的設(shè)定范圍最小150mm，長(zhǎng)度設(shè)定分辨率0.1mm，電器的控制精度為0.02mm，由于機(jī)械制造精度的影響，長(zhǎng)度實(shí)際精度能達(dá)到0.12mm，這已足以保證實(shí)際生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)
[1] 郭慶鼎,王成元等. 交流伺服系統(tǒng)[m]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.
[2] 施耐德電氣公司. twinline伺服控制系統(tǒng)用戶(hù)手冊(cè)[z]. 2002.

作者簡(jiǎn)介
孔 漢(1978-) 男 碩士研究生 目前主要從事運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究和工程設(shè)計(jì)工作。