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      SEW伺服控制在全自動倒棱機進給系統(tǒng)上的應(yīng)用

      2014-12-28 12:03:22鐘存福黃明初
      鋼管 2014年4期
      關(guān)鍵詞:平頭伺服電機全自動

      楊 娟,鐘存福,黃明初

      (中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠,湖北 荊州 434001)

      平頭倒棱機設(shè)計為高頻焊(HFW)管管端的自動平頭倒棱,其目的是切削鋼管外倒角或提供焊接用坡口,切削管端保證管端與同軸線的垂直度,為現(xiàn)場施工加工出所需的坡口,以便進行組對和焊接。倒棱機設(shè)備中的進給系統(tǒng)是最為關(guān)鍵的部分,它的運行狀況決定著加工鋼管的坡口精度和管端的光滑平整度[1]。

      中國石化集團石油工程機械有限公司沙市鋼管廠(簡稱沙市鋼管廠)HFW生產(chǎn)線選購了國內(nèi)最新設(shè)計的全自動倒棱機,其生產(chǎn)效率為2根/min。該全自動倒棱機的動力頭進給采取伺服減速電機驅(qū)動和滾珠絲杠進給的傳動技術(shù),按“空載快進—粗進給—精進給—原地平整—快退”的順序完成每根鋼管的平頭倒棱過程。本文將重點介紹SEW伺服控制在全自動倒棱機進給系統(tǒng)上的應(yīng)用。

      1 進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

      全自動倒棱機的進給傳動系統(tǒng)包括SEW伺服電機、減速機、軸承座、聯(lián)軸器及滾珠絲杠等。進給系統(tǒng)中伺服電機和減速機的選型最為重要,如伺服電機的電機功率和減速機的減速比[2],選型時需要滿足快進時進給速度大而輸出扭矩小,工進時進給速度小而輸出扭矩大。經(jīng)計算并試驗驗證,選用7.5 kW伺服電機及其自帶的減速機,減速比為7,電機最大輸出扭矩為146 N·m,試生產(chǎn)后完全滿足現(xiàn)場要求[3-4]。全自動倒棱機進給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 全自動倒棱機進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意

      2 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

      采用可編程邏輯控制器S7-300(PLC)、SEW伺服控制器、伺服減速電機、觸摸屏等組成基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制的系統(tǒng)[5-9]。其中PLC作為控制單元,SEW伺服控制器作為驅(qū)動單元,伺服減速電機作為執(zhí)行單元,伺服電機內(nèi)置的編碼器作為數(shù)據(jù)采集器,系統(tǒng)中的觸摸屏可實現(xiàn)在線調(diào)速并實時顯示工進速度等其他參數(shù)。全自動倒棱機電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖2 全自動倒棱機電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      德國SEW公司提供的MOVIDRIVE系列伺服控制器內(nèi)置有位置處理器,采用伺服電機尾部的編碼器作為位置信息源構(gòu)成位置環(huán)[4]。該伺服控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制,具有控制可靠、響應(yīng)快速、運行速度穩(wěn)定等優(yōu)點,并且伺服電機輸出扭矩大,而這些特點均是全自動倒棱機所必需的。

      3 SEW伺服控制設(shè)計和調(diào)試

      3.1 SEW伺服電機的程序設(shè)計

      SEW伺服變頻器的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制,選擇所要組態(tài)的過程值,選“6PD”,PLC接收從變頻器6個過程輸入字“6PI”,包括狀態(tài)字、實際位置、實際轉(zhuǎn)速、有功電流、利用率;PLC發(fā)送6個過程輸出字“6PO”,包括控制字、目標(biāo)位置、設(shè)定速度、加速時間、減速時間[9]。SEW伺服變頻器的硬件組態(tài)如圖3所示。SEW伺服控制系統(tǒng)通過軟件MT-Manager進行參數(shù)設(shè)置[5],SEW伺服變頻器的參數(shù)調(diào)試界面如圖4所示。

      圖3 SEW伺服變頻器的硬件組態(tài)

      圖4 SEW伺服變頻器的參數(shù)調(diào)試界面

      在PLC中,Step7軟件中調(diào)用一個伺服變頻器PROFIBUS-DP總線控制功能FC140,以此實現(xiàn)狀態(tài)字、實際位置、運行速度、實時電流、故障的讀取,控制字、速度設(shè)定、目標(biāo)位置的寫入[10]。SEW伺服控制系統(tǒng)程序FC140具體如下:

      CALL FC 140//SEW伺服控制程序

      DRIVE_IO_ADDRESS:=320//伺服控制器外部起始地址

      ENABLE_RAPID_STOP :=L0.0//使能

      RESET:=L0.1//故障復(fù)位

      JOG_PLUS_MODE:=L0.2//點動正轉(zhuǎn)

      JOG_MINUS_MODE :=L0.3//點動反轉(zhuǎn)

      REF_TRAVEL_MODE :=L0.4//尋參模式

      POSITIONING_MODE :=L0.5//自動模式

      SETPOINT_POS :=MD222//設(shè)定位置值

      SETPOINT_SPEED :=MW216//設(shè)定速度值

      START_RAMP :=2000//加速時間

      STOP_RAMP :=1000//減速時間

      COMMUNICATION_OK:=M236.1

      FAULT_OF_AXIS :=M235.0

      WARNING_OF_AXIS:=M235.1

      INVERTER_READY:=M235.2

      REFERENCED:=M236.2

      TARGET_POS_REACHED:=M237.1

      AXIS_INTERLOCKED:=M237.0

      FAULT_NO:=MW214

      ACTUAL_POSITION :=MD210//實際位置顯示

      ACTUAL_SPEED :=MW220//實際運行速度

      ACTUAL_CURRENT :=MW230//實際運行電流

      3.2 倒棱機工進位置、速度的算法

      伺服位置控制程序的具體步驟:定位時首先設(shè)定速度、定位位置,再給定控制字一個值,使伺服進給系統(tǒng)運行起來。其中包含了進給運行軌跡、進給速度的運算,進給電機運行軌跡如圖5所示,其中Vi為回退速度。主軸箱完成每一根鋼管的進給流程:位于后退位置d的進給電機在啟動后2 s內(nèi)勻加速到快進速度Vh,保持快進速度勻速向前快進,然后減速至粗進給起始位置b,以粗加工速度Vg前進至精進給起始位置f,并減速至精加工速度Vj,原地平整1 s。倒棱完畢進給電機快速返回原點?,F(xiàn)場調(diào)試后,將c與b之間的距離即減速距離在程序中設(shè)置為20 mm。

      圖5 進給電機運行軌跡

      內(nèi)部運算主要是通過進給軌跡算法子程序FC27來實現(xiàn)的。其基本思想是:將運行軌跡分為快進區(qū)間、減速區(qū)間、粗加工區(qū)間、精加工區(qū)間。系統(tǒng)PLC循環(huán)掃描程序,實時讀取到當(dāng)前實際位置(#ACTUAL POSITION)所處的范圍,PLC根據(jù)其所處范圍進行判斷,進而賦予設(shè)定速度[11]。進給電機轉(zhuǎn)速可通過公式(1)來計算:

      式中Rx——進給電機轉(zhuǎn)速,r/min;

      N——進給電機減速比;

      V——花盤線速度,m/min;

      S——機頭工進量,mm/r;

      D——鋼管管徑,mm;

      L——進給電機絲杠導(dǎo)程,mm。

      在式(1)中,N、D、L已知,根據(jù)經(jīng)驗確定V、S。實際計算后可得進給電機轉(zhuǎn)速為18.8 r/min。以此為參考,在觸摸屏上設(shè)置粗加工速度Vg和精加工速度Vj。

      從觸摸屏上可更改快進速度Vh、粗加工速度Vg、精加工速度Vj、后退位置、粗加工開始位置和最終位置。在實際調(diào)試運行時,根據(jù)現(xiàn)場實際情況和經(jīng)驗,不斷調(diào)整系統(tǒng)運行位置、速度,以確保最佳效果,從而獲取相關(guān)參數(shù)[12]。

      進給軌跡的程序FC27具體如下:

      CALL FC27

      FINAL_POSITION :=DB9.DBD2//進給電機的最終位置

      FAST_SPEED :=DB9.DBW0//快進速度

      WORK_SPEED1 :=DB9.DBW6//粗加工速度

      ACTUAL_POSITION :=MD210//實際位置

      WORK_POSITION_START:=DB9.DBD14//工作啟動位置

      WORK_SPEED2 :=DB9.DBW24//精加工速度

      OUT_SPEED :=MW216//設(shè)定速度

      WORK INTERVAL :=M413.0//進給點反饋

      4 結(jié) 語

      實踐證明,SEW伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有輸出扭矩大、運行速度準(zhǔn)確穩(wěn)定、可快速定位等特點,有效地克服了進給系統(tǒng)的誤差,降低了調(diào)型時間和勞動強度,并保證了進給的穩(wěn)定性,提高了坡口切割的質(zhì)量和效率。同時,由于采用了PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù),實現(xiàn)了倒棱機的數(shù)字化、自動化控制,同時具備實時監(jiān)控能力,提高了進給系統(tǒng)的穩(wěn)定性和故障處理能力。通過一段時間的使用,該進給系統(tǒng)性能穩(wěn)定,運行可靠,滿足了HFW生產(chǎn)線對倒棱機生產(chǎn)節(jié)奏的要求,在HFW倒棱機控制系統(tǒng)上具有較好的推廣價值。

      [1]李秉祥,陳東才.新型平頭倒棱機的設(shè)計及應(yīng)用[J].焊管,2002,25(6):59-60.

      [2]黎定一.機械進給鋼管自動平頭倒棱機及氣動自定心平頭倒棱夾具[J].焊管,1999,22(1):25-27.

      [3]張培慶.鋼管平頭倒棱機的設(shè)計與制造[J].鋼管,1998,27(1):35-38.

      [4]劉邦義,解吉輝,孫麗麗,等.平頭倒棱機技術(shù)特點及發(fā)展[J].重型機械,2005(6):1-3.

      [5]郭強.PROFIBUS-DP在自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化博覽,2002(2):12-13.

      [6] 吳志軍.現(xiàn)場總線PROFIBUS及其應(yīng)用[J].鋼管,2005,34(4):45-48.

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      [10]羅紅福,胡斌,鐘存福,等.PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線工程應(yīng)用實例解析[M].北京:中國電力出版社,2008.

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      [12]廖常初.S7-300 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

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