伺服控制系统在定心机上的应用

（天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津 300384）

在无缝钢管加工设备中，由于大量地采用伺服控制，使得先前较复杂的控制过程变得简单，其中管坯定心设备就属于比较典型的伺服控制。所谓的定心，就是在管坯端面的中心处，用钻头打一个深度约40 mm、直径为30 mm的孔。管坯的前端面定心是为了提高穿孔后钢管的同心度，同时减少穿孔顶头咬入时的压力，防止出现前卡，后端面定心是为了防止出现后卡。管坯的定心方法主要有热定心和冷定心两种。其中热定心是在对管坯加热后，通过外力用錾子打孔定心，它的优点是设备简单、快捷，缺点是不便于人工观察效果，并且一旦定心机出现故障，管坯冷却后，则不能进入下道工序，造成生产浪费；冷定心是在对管坯加热前，通过机械方式用钻头进行钻孔，优点是定心精度高、便于人工检查，缺点是设备较复杂。天津钢管集团股份有限公司在对管坯的加工处理方面选用控制精度高的冷定心设备（这种冷定心设备在下面的陈述中简称为定心机）。定心机中的电气控制系统主要由伺服控制系统组成，而伺服控制系统由伺服驱动器和伺服电动机组成并结合PLC控制可实现对钻头的精确控制，与传统控制方式相比较，伺服控制可以完成位置、速度和力矩的闭环控制，大幅度提高精度［1-2］，从而可以使定心机在钢管轧制过程中大大降低“铁耳”对钢管内壁的损伤，提高钢管内表面质量及芯棒的使用寿命。

1 定心机的组成及工作原理

460机组的定心机由意大利的LAZZARI公司提供，定心设备主要由定心机座、定心机头、机头进给装置、坯子夹紧装置、气动、液压及润滑等装置组成。定心机在由机座组成的床身上作水平运动。安装在机头上的主驱动旋转电机是一个三相异步电动机，它通过1个万向轴驱动2个钻头。2个钻头根据不同坯料的直径可在垂直方向进行手动调节。主驱动旋转电机的额定功率为45 kW，额定转速为1 475 r/min；机头进给装置是由一个交流伺服电动机、滚珠丝杠组成的进给系统。交流伺服电动机额定功率为5.6 kW，额定转速为3 000 r/min，最小进给速度是0，最大为100 mm/s；坯子夹紧装置安装在钻机的主体结构上。该装置由2个杠杆带动垂直的“V”型块，连杆由2个液压缸驱动。垂直夹具的行程可以用来夹紧不同直径的坯料。

定心机工艺参数如下：抗拉强度为最大1 200 N/mm2；坯子外径为坯子直径公差为±1.4%；管坯长度为最小1 150 mm，最大5 000 mm；钻头直径为最小；钻孔深为最小20mm，最大50 mm；钻头进给速度为最小500 r/min，最大2 000 r/min。

管坯通过链式运输机被送到对齐辊道，对齐辊道前有对齐挡板，挡板的作用是使管坯端面与钻孔机前位置在一条直线上。管坯和钻孔机头部对齐后由步进移钢机送至定心机前的“V”型鞍座。“V”型鞍座共有4段，每一段鞍座由0.55 kW三相异步电动机进行驱动，每一段鞍座下均装有位移传感器，传感器对当前坯料位置进行测量，并将测量的数值传输给PLC，PLC计算当前的坯料圆心值，并和预先的设定值（由操作台根据坯料的外径尺寸预先设定）进行比较，鞍座根据计算后的差值调整坯料的圆心和钻头间的对齐位置，形成闭环负反馈系统。精确了坯料的圆心位置。

2 伺服控制系统在定心机上的应用

2.1 定心机中的伺服控制方式

综上所述，圆心位置确定后，定心机前的夹紧系统夹紧坯子，由定心机的进给伺服控制系统完成对管坯的定位操作，定位原理如图1所示，丝杠与安装钻头的空心轴相连作为此系统中的被移动机械设备，此机械设备的另一端通过皮带与旋转电动机相连接，以实现钻头的旋转运动。同时，丝杠的另一端与交流伺服电动机相连接，实现钻头的轴向进给运动。交流伺服控制系统由艾默生CT公司的Unidrive SP2403伺服驱动器（伺服控制器）、交流伺服电动机以及反馈元件（反馈用正交编码器，与伺服电动机固化在一起）及编程操作接口等组成，Unidrive SP2403伺服驱动器将运动控制模块和驱动器固化在一起，实现对伺服电动机的控制及对执行机构的速度和位置提供精确与稳定的控制［3-4］。

图1 定心机进给伺服系统结构原理图Fig.1 Centering the servo system structure diagram

图2所示是定心机的设备结构图。Unidrive SP2403伺服驱动器中的运动控制模块接收通过编码器电缆传送过来的伺服电动机正交编码器信号。

图2 定心机结构图Fig.2 Centering structure diagram

这种交流伺服电动机的轴端装有测定轴速和换向点的正交编码器，其中正交编码器主要用于将伺服电动机的转速以及转子的实际位置反馈给Unidrive SP2403伺服驱动器，以及控制电动机线圈的切换顺序。而在丝杠的尾端安装MTS公司GH-M-0450M-D60-1-A0位移传感器，确定被移动的机械设备（钻头）所在的实际位置，从而控制伺服电动机在不同的位置以不同的进给速度运行。此位移传感器可以使由于传动装置和丝杠中的间隙（2个或多个齿轮间的间隙）所导致的误差而引起的旋转轴的位置和电机轴的位置不一致问题得到解决。

Unidrive SP2403伺服驱动器的运动控制模块由1个微处理器和1个用于处理高速编码信号的DSP组成。运动控制模块为交流伺服电动机驱动单元提供1个控制转动速度和方向的信号，驱动单元把它转换为适当的电压和电流（功率）去驱动伺服电动机运转。运动控制模块的编码输入电路——接收器电路，实际上就是伺服驱动器与正交编码器输出之间的接口电路。正交编码器输出6路RS-422/RS-485信号（A，A*，B，B*，Z，Z*），通过电缆传送至运动控制模块的接收电路。接收电路把信号转换为逻辑电平信号，并把信号送至运动控制模块进行处理。

2.2 定心机中的PLC组态及伺服控制过程

定心机的整个电气控制系统主要由西门子S7 300 PLC控制器、Nidec ASI公司的GT系列变频器和交流电动机、艾默生CT公司的Unidrive SP系列伺服驱动器和交流伺服电动机以及传感器等元件组成［5］。

图3所示是S7-300PLC的硬件组态，由CPU、数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、ET200站等组成。系统采用Profibus DP网络将变频器和伺服驱动器相连接，以实现PLC与伺服驱动器及变频器之间的数据交换和传输。ET200站中装有模拟量输入模块，检测钻头位置的传感器通过该模块将钻头的位置信号传送给PLC，PLC通过Profibus DP网络将钻头所在位置和交流伺服电动机的给定速度等数据传输给伺服驱动器，以实现钻头在不同位置、进给速度的精确控制。

图3 定心机PLC硬件组态图Fig.3 Centering PLC hardware configuration diagram

整个系统的伺服控制过程如下所述：PLC计算出交流伺服电动机和旋转电动机的给定转速等参数，通过Profibus DP网络传送给伺服驱动器和变频器，计算如下：

定心机旋转电动机速度给定为

式中：Vref_rot为旋转电动机给定速度，r/min；Vset_rot为操作面板上设定的钻头旋转速度，m/min；R1为传输比，取值1.454 545×103；Dhole_set为操作面板上设定的孔的直径，mm。

定心机交流伺服电动机速度给定为

式中：Vref_feed为伺服电动机给定速度，r/min；Qset为操作面板上设定的钻头单齿切削量，mm/r；Vset_rot为操作面板上设定的钻头旋转速度，m/min；R2为传输比，取值7.0×103；Dhole_set为面板上设定的孔的直径，mm；S为丝杠每转1圈设备位置变换值，取值10 mm/r。

通过传感器的反馈信号和钻孔深度的设定，PLC计算出在钻头快速接近坯料、慢速定心坯料、快速回退的整个定心过程中交流伺服电动机的给定速度及运行区间，确定钻头的前后极限位置（此位置为通过位移传感器反馈信号确定的软极限位置，定心机除了软极限以外，还用极限开关设定了钻头运动的机械极限）。

当位移传感器所反馈的值L≥400 mm时，说明伺服电动机驱动的钻头进给已经超出前极限位。当位移传感器所反馈的值L≤10 mm时，说明伺服电动机驱动的钻头回退至停车位。

钻头进给过程中，当位移传感器所反馈的值L≤LTOTAL-LHEAD-45 mm时，伺服驱动器控制伺服电动机驱动钻头快速进给。

当位移传感器所反馈的值L≥LTOTAL-LHEAD-45 mm时，说明伺服电动机驱动的钻头刀片将与坯料端面接触，定心开始，伺服驱动器控制交流伺服电动机将以Vref_feed这一速度驱动钻头定心。

其中LTOTAL为位移传感器在零位时安装钻头的空心轴底部到坯料端面的距离。LHEAD为钻头的长度，此长度因钻头不同，数值也不相同，45 mm为钻头底部距离空心轴底部的距离，此长度不因钻头的不同而改变。当L≥LTOTAL-LHEAD-45 mm+LDEPTH时，PLC向伺服驱动器发送进给停止命令，坯料定心完成，钻头等待返回命令。程序流程图如图4所示。LDEPTH为TP面板上设定的钻孔深度。

在返回过程中当25 mm＜L≤LTOTAL-LHEAD-45 mm+LDEPT时，钻头快速返回。回退至L≤25 mm时，伺服电动机减速，当L=10 mm时，减为零速。

图4 伺服电机进给定心程序流程图Fig.4 Servo motor feeding centring program flow diagram

3 结论

由上可知，伺服控制系统由伺服驱动器和伺服电动机组成并结合PLC控制可实现对生产设备的精确控制。定心机采用伺服控制后，设备的自动化程度大大提高，减少了人工成本。同时由于伺服电动机的功率小，减少了能源消耗，能快速制动，更主要的是定位精度高，并能检测到实际位置和理论位置的误差。伺服控制系统相对于其它传统控制方式，其精度可以提高数十倍，甚至更高。可以完成位置、速度和力矩的闭环控制。

［1］张燕宾.变频调速460问［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［2］何超.交流变频调速技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［3］马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［4］王成元.矢量控制交流伺服驱动电动机［M］.北京：机械工业出版社，1995.

［5］邓忠华，李叶松.交流数字伺服系统的智能力矩控制［J］.电工技术学报，1994（2）：27-30.