（天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津 300384）

在無縫鋼管加工設備中，由于大量地采用伺服控制，使得先前較復雜的控制過程變得簡單，其中管坯定心設備就屬于比較典型的伺服控制。所謂的定心，就是在管坯端面的中心處，用鉆頭打一個深度約40 mm、直徑為30 mm的孔。管坯的前端面定心是為了提高穿孔后鋼管的同心度，同時減少穿孔頂頭咬入時的壓力，防止出現(xiàn)前卡，后端面定心是為了防止出現(xiàn)后卡。管坯的定心方法主要有熱定心和冷定心兩種。其中熱定心是在對管坯加熱后，通過外力用鏨子打孔定心，它的優(yōu)點是設備簡單、快捷，缺點是不便于人工觀察效果，并且一旦定心機出現(xiàn)故障，管坯冷卻后，則不能進入下道工序，造成生產(chǎn)浪費；冷定心是在對管坯加熱前，通過機械方式用鉆頭進行鉆孔，優(yōu)點是定心精度高、便于人工檢查，缺點是設備較復雜。天津鋼管集團股份有限公司在對管坯的加工處理方面選用控制精度高的冷定心設備（這種冷定心設備在下面的陳述中簡稱為定心機）。定心機中的電氣控制系統(tǒng)主要由伺服控制系統(tǒng)組成，而伺服控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器和伺服電動機組成并結合PLC控制可實現(xiàn)對鉆頭的精確控制，與傳統(tǒng)控制方式相比較，伺服控制可以完成位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，大幅度提高精度［1-2］，從而可以使定心機在鋼管軋制過程中大大降低“鐵耳”對鋼管內(nèi)壁的損傷，提高鋼管內(nèi)表面質(zhì)量及芯棒的使用壽命。

1 定心機的組成及工作原理

460機組的定心機由意大利的LAZZARI公司提供，定心設備主要由定心機座、定心機頭、機頭進給裝置、坯子夾緊裝置、氣動、液壓及潤滑等裝置組成。定心機在由機座組成的床身上作水平運動。安裝在機頭上的主驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機是一個三相異步電動機，它通過1個萬向軸驅(qū)動2個鉆頭。2個鉆頭根據(jù)不同坯料的直徑可在垂直方向進行手動調(diào)節(jié)。主驅(qū)動旋轉(zhuǎn)電機的額定功率為45 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 475 r/min；機頭進給裝置是由一個交流伺服電動機、滾珠絲杠組成的進給系統(tǒng)。交流伺服電動機額定功率為5.6 kW，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最小進給速度是0，最大為100 mm/s；坯子夾緊裝置安裝在鉆機的主體結構上。該裝置由2個杠桿帶動垂直的“V”型塊，連桿由2個液壓缸驅(qū)動。垂直夾具的行程可以用來夾緊不同直徑的坯料。

定心機工藝參數(shù)如下：抗拉強度為最大1 200 N/mm2；坯子外徑為坯子直徑公差為±1.4%；管坯長度為最小1 150 mm，最大5 000 mm；鉆頭直徑為最??；鉆孔深為最小20mm，最大50 mm；鉆頭進給速度為最小500 r/min，最大2 000 r/min。

管坯通過鏈式運輸機被送到對齊輥道，對齊輥道前有對齊擋板，擋板的作用是使管坯端面與鉆孔機前位置在一條直線上。管坯和鉆孔機頭部對齊后由步進移鋼機送至定心機前的“V”型鞍座?！癡”型鞍座共有4段，每一段鞍座由0.55 kW三相異步電動機進行驅(qū)動，每一段鞍座下均裝有位移傳感器，傳感器對當前坯料位置進行測量，并將測量的數(shù)值傳輸給PLC，PLC計算當前的坯料圓心值，并和預先的設定值（由操作臺根據(jù)坯料的外徑尺寸預先設定）進行比較，鞍座根據(jù)計算后的差值調(diào)整坯料的圓心和鉆頭間的對齊位置，形成閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。精確了坯料的圓心位置。

2 伺服控制系統(tǒng)在定心機上的應用

2.1 定心機中的伺服控制方式

綜上所述，圓心位置確定后，定心機前的夾緊系統(tǒng)夾緊坯子，由定心機的進給伺服控制系統(tǒng)完成對管坯的定位操作，定位原理如圖1所示，絲杠與安裝鉆頭的空心軸相連作為此系統(tǒng)中的被移動機械設備，此機械設備的另一端通過皮帶與旋轉(zhuǎn)電動機相連接，以實現(xiàn)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運動。同時，絲杠的另一端與交流伺服電動機相連接，實現(xiàn)鉆頭的軸向進給運動。交流伺服控制系統(tǒng)由艾默生CT公司的Unidrive SP2403伺服驅(qū)動器（伺服控制器）、交流伺服電動機以及反饋元件（反饋用正交編碼器，與伺服電動機固化在一起）及編程操作接口等組成，Unidrive SP2403伺服驅(qū)動器將運動控制模塊和驅(qū)動器固化在一起，實現(xiàn)對伺服電動機的控制及對執(zhí)行機構的速度和位置提供精確與穩(wěn)定的控制［3-4］。

圖1 定心機進給伺服系統(tǒng)結構原理圖Fig.1 Centering the servo system structure diagram

圖2所示是定心機的設備結構圖。Unidrive SP2403伺服驅(qū)動器中的運動控制模塊接收通過編碼器電纜傳送過來的伺服電動機正交編碼器信號。

圖2 定心機結構圖Fig.2 Centering structure diagram

這種交流伺服電動機的軸端裝有測定軸速和換向點的正交編碼器，其中正交編碼器主要用于將伺服電動機的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子的實際位置反饋給Unidrive SP2403伺服驅(qū)動器，以及控制電動機線圈的切換順序。而在絲杠的尾端安裝MTS公司GH-M-0450M-D60-1-A0位移傳感器，確定被移動的機械設備（鉆頭）所在的實際位置，從而控制伺服電動機在不同的位置以不同的進給速度運行。此位移傳感器可以使由于傳動裝置和絲杠中的間隙（2個或多個齒輪間的間隙）所導致的誤差而引起的旋轉(zhuǎn)軸的位置和電機軸的位置不一致問題得到解決。

Unidrive SP2403伺服驅(qū)動器的運動控制模塊由1個微處理器和1個用于處理高速編碼信號的DSP組成。運動控制模塊為交流伺服電動機驅(qū)動單元提供1個控制轉(zhuǎn)動速度和方向的信號，驅(qū)動單元把它轉(zhuǎn)換為適當?shù)碾妷汉碗娏鳎üβ剩┤ヲ?qū)動伺服電動機運轉(zhuǎn)。運動控制模塊的編碼輸入電路——接收器電路，實際上就是伺服驅(qū)動器與正交編碼器輸出之間的接口電路。正交編碼器輸出6路RS-422/RS-485信號（A，A*，B，B*，Z，Z*），通過電纜傳送至運動控制模塊的接收電路。接收電路把信號轉(zhuǎn)換為邏輯電平信號，并把信號送至運動控制模塊進行處理。

2.2 定心機中的PLC組態(tài)及伺服控制過程

定心機的整個電氣控制系統(tǒng)主要由西門子S7 300 PLC控制器、Nidec ASI公司的GT系列變頻器和交流電動機、艾默生CT公司的Unidrive SP系列伺服驅(qū)動器和交流伺服電動機以及傳感器等元件組成［5］。

圖3所示是S7-300PLC的硬件組態(tài)，由CPU、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、ET200站等組成。系統(tǒng)采用Profibus DP網(wǎng)絡將變頻器和伺服驅(qū)動器相連接，以實現(xiàn)PLC與伺服驅(qū)動器及變頻器之間的數(shù)據(jù)交換和傳輸。ET200站中裝有模擬量輸入模塊，檢測鉆頭位置的傳感器通過該模塊將鉆頭的位置信號傳送給PLC，PLC通過Profibus DP網(wǎng)絡將鉆頭所在位置和交流伺服電動機的給定速度等數(shù)據(jù)傳輸給伺服驅(qū)動器，以實現(xiàn)鉆頭在不同位置、進給速度的精確控制。

圖3 定心機PLC硬件組態(tài)圖Fig.3 Centering PLC hardware configuration diagram

整個系統(tǒng)的伺服控制過程如下所述：PLC計算出交流伺服電動機和旋轉(zhuǎn)電動機的給定轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過Profibus DP網(wǎng)絡傳送給伺服驅(qū)動器和變頻器，計算如下：

定心機旋轉(zhuǎn)電動機速度給定為

式中：Vref_rot為旋轉(zhuǎn)電動機給定速度，r/min；Vset_rot為操作面板上設定的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，m/min；R1為傳輸比，取值1.454 545×103；Dhole_set為操作面板上設定的孔的直徑，mm。

定心機交流伺服電動機速度給定為

式中：Vref_feed為伺服電動機給定速度，r/min；Qset為操作面板上設定的鉆頭單齒切削量，mm/r；Vset_rot為操作面板上設定的鉆頭旋轉(zhuǎn)速度，m/min；R2為傳輸比，取值7.0×103；Dhole_set為面板上設定的孔的直徑，mm；S為絲杠每轉(zhuǎn)1圈設備位置變換值，取值10 mm/r。

通過傳感器的反饋信號和鉆孔深度的設定，PLC計算出在鉆頭快速接近坯料、慢速定心坯料、快速回退的整個定心過程中交流伺服電動機的給定速度及運行區(qū)間，確定鉆頭的前后極限位置（此位置為通過位移傳感器反饋信號確定的軟極限位置，定心機除了軟極限以外，還用極限開關設定了鉆頭運動的機械極限）。

當位移傳感器所反饋的值L≥400 mm時，說明伺服電動機驅(qū)動的鉆頭進給已經(jīng)超出前極限位。當位移傳感器所反饋的值L≤10 mm時，說明伺服電動機驅(qū)動的鉆頭回退至停車位。

鉆頭進給過程中，當位移傳感器所反饋的值L≤LTOTAL-LHEAD-45 mm時，伺服驅(qū)動器控制伺服電動機驅(qū)動鉆頭快速進給。

當位移傳感器所反饋的值L≥LTOTAL-LHEAD-45 mm時，說明伺服電動機驅(qū)動的鉆頭刀片將與坯料端面接觸，定心開始，伺服驅(qū)動器控制交流伺服電動機將以Vref_feed這一速度驅(qū)動鉆頭定心。

其中LTOTAL為位移傳感器在零位時安裝鉆頭的空心軸底部到坯料端面的距離。LHEAD為鉆頭的長度，此長度因鉆頭不同，數(shù)值也不相同，45 mm為鉆頭底部距離空心軸底部的距離，此長度不因鉆頭的不同而改變。當L≥LTOTAL-LHEAD-45 mm+LDEPTH時，PLC向伺服驅(qū)動器發(fā)送進給停止命令，坯料定心完成，鉆頭等待返回命令。程序流程圖如圖4所示。LDEPTH為TP面板上設定的鉆孔深度。

在返回過程中當25 mm＜L≤LTOTAL-LHEAD-45 mm+LDEPT時，鉆頭快速返回?；赝酥罫≤25 mm時，伺服電動機減速，當L=10 mm時，減為零速。

圖4 伺服電機進給定心程序流程圖Fig.4 Servo motor feeding centring program flow diagram

3 結論

由上可知，伺服控制系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器和伺服電動機組成并結合PLC控制可實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的精確控制。定心機采用伺服控制后，設備的自動化程度大大提高，減少了人工成本。同時由于伺服電動機的功率小，減少了能源消耗，能快速制動，更主要的是定位精度高，并能檢測到實際位置和理論位置的誤差。伺服控制系統(tǒng)相對于其它傳統(tǒng)控制方式，其精度可以提高數(shù)十倍，甚至更高?？梢酝瓿晌恢谩⑺俣群土氐拈]環(huán)控制。

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［3］馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［4］王成元.矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［5］鄧忠華，李葉松.交流數(shù)字伺服系統(tǒng)的智能力矩控制［J］.電工技術學報，1994（2）：27-30.