陳冬玲

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006）

伺服系統(tǒng)在連續(xù)式飛剪系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳冬玲

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006）

伺服系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，精確計(jì)算飛剪剪切的各項(xiàng)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)飛剪的自動(dòng)剪切、碎斷、定位和采樣功能。該數(shù)學(xué)模型包括飛剪剪切長度計(jì)算模型與轉(zhuǎn)轍器定位計(jì)算模型。應(yīng)用結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型能夠在運(yùn)行中獲得良好的動(dòng)態(tài)性能，將軋件的平均剪切誤差控制在5 cm以內(nèi)，提高了產(chǎn)品的成材率與產(chǎn)量。

連續(xù)式；伺服系統(tǒng)；飛剪；數(shù)學(xué)模型

精軋飛剪是高線生產(chǎn)工藝線上的關(guān)鍵設(shè)備，其工作穩(wěn)定性及剪切精度和響應(yīng)速度都將直接影響整條高線的生產(chǎn)，并對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量與成材率有很大的影響。近幾年來，高速線材生產(chǎn)線上的飛剪都是采用普通的起停式飛剪，該類型飛剪都存在剪切速度不高，剪切精度低下，系統(tǒng)響應(yīng)慢，傳動(dòng)裝置與電機(jī)承受較大沖擊電流、飛剪定位慢等缺點(diǎn)。針對(duì)這些問題，本文采用了一種新型的連續(xù)式回轉(zhuǎn)飛剪。該飛剪是以伺服控制器為控制核心，通過剪切長度計(jì)算模型與轉(zhuǎn)轍器定位計(jì)算模型來進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)節(jié)，從而進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。

1 飛剪控制系統(tǒng)原理及剪切過程

飛剪控制系統(tǒng)主要由主剪機(jī)、轉(zhuǎn)轍器、熱金屬檢測(cè)器HMD、定位編碼器、全數(shù)字交流調(diào)速裝置6SE70和S120變頻器、PLC、伺服控制器、人機(jī)畫面HMI等單元組成。圖1所示為高線連續(xù)式飛剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 飛剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The architecture diagram of flying shear

1.1 飛剪啟動(dòng)過程

飛剪是否滿足啟動(dòng)條件，何時(shí)達(dá)到啟動(dòng)要求以及主剪的速度給定值都是由S7-300 PLC系統(tǒng)判斷和計(jì)算產(chǎn)生的。主剪啟動(dòng)后，以HMI中設(shè)定的超前率乘以出口機(jī)架的實(shí)際值作為主剪的速度給定值連續(xù)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)定位編碼器1將主剪剪刃的位置信息實(shí)時(shí)反饋到伺服控制器中，轉(zhuǎn)轍器回到等待位并通過定位編碼器2將轉(zhuǎn)轍器的位置信息實(shí)時(shí)反饋到伺服控制器中。

1.2 飛剪切頭過程

飛剪自動(dòng)切頭時(shí)，在軋件到達(dá)HMD1之前，主剪以設(shè)定超前速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)轍器在“等待位”待機(jī)。當(dāng)軋件頭部到達(dá)HMD1位置時(shí)，伺服控制器快速讀取主剪剪刃的定位編碼器1的位置值，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出剪刃的所需位置和預(yù)計(jì)位置，并算出兩個(gè)位置之間的偏差值，再通過PROFIBUS將該偏差值傳至PLC，PLC再根據(jù)偏差值對(duì)主剪速度值進(jìn)行調(diào)整，使軋件在到達(dá)HMD2時(shí)的剪刃實(shí)際位置值與期望位置值相互一致。當(dāng)軋件頭部到達(dá)HMD2位置時(shí)，伺服控制器快速讀取轉(zhuǎn)轍器的定位編碼器2的位置值，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)轍器的啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間。延時(shí)完成后，伺服控制器向S120傳動(dòng)輸出一個(gè)模擬量型的速度給定值，轉(zhuǎn)轍器則快速地從等待位經(jīng)過剪切位到達(dá)通過位，在剪切位被剪切的軋件頭部被拋向碎斷剪進(jìn)行碎斷，在通過位的剩余軋件將進(jìn)入精軋機(jī)。

1.3 飛剪切尾過程

飛剪自動(dòng)切尾時(shí)，主剪以設(shè)定滯后速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)轍器在“通過位”待機(jī)。當(dāng)軋件尾部到達(dá)HMD1位置產(chǎn)生下降沿信號(hào)時(shí)，主剪以類似于切頭過程的方式進(jìn)行速度調(diào)整。當(dāng)軋件尾部到達(dá)HMD2位置產(chǎn)生下降沿信號(hào)時(shí)，轉(zhuǎn)轍器也以類似于切頭過程的方式將從等待位快速地經(jīng)過剪切位到達(dá)等待位，在剪切位被剪切的軋件尾部被拋向碎斷剪進(jìn)行碎斷，至此飛剪進(jìn)入到下一個(gè)工作周期。

1.4 飛剪碎斷過程

飛剪在進(jìn)入碎斷狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)轍器將移動(dòng)至“碎斷位”，把軋件送至碎斷剪。主剪的碎斷速度包含了一個(gè)切頭速度的超前速度，以防止軋制過程中軋件回頭造成堆鋼。在碎斷狀態(tài)解除后，轉(zhuǎn)轍器將沿順時(shí)針方向移動(dòng)至“等待位”待機(jī)。

2 飛剪過程控制數(shù)學(xué)模型

2.1 切頭長度計(jì)算模型

若軋件頭部的速度為vh，頭部剪切的超前率為h，則飛剪的切頭速度vC為

當(dāng)軋件頭部到達(dá)HMD1時(shí)，伺服控制器接收到HMD1的一個(gè)上升沿信號(hào)后，開始預(yù)測(cè)軋件頭部到達(dá)HMD2時(shí)主剪剪刃的位置，再根據(jù)切頭長度與HMD2和主剪之間的距離計(jì)算出軋件頭部到達(dá)HMD2時(shí)主剪剪刃的期望位置，從而最后計(jì)算出主剪剪刃需要調(diào)整的位置變化量，并轉(zhuǎn)換為速度調(diào)節(jié)量。公式如下：

式中：P1為軋件頭部到達(dá)HMD2時(shí)剪刃的期望位置值；P2為預(yù)測(cè)軋件頭部到達(dá)HMD2時(shí)剪刃的預(yù)測(cè)位置；ΔP為剪刃需要調(diào)整的位置變化量；C1為主剪剪刃轉(zhuǎn)一周時(shí)的定位編碼器1的位置值；C2為主剪剪切角的位置值；C3為軋件頭部到達(dá)HMD1時(shí)剪刃的實(shí)際位置值；Hset為切頭長度設(shè)定值；L1為HMD2和主剪之間的距離；D為主剪剪刃直徑；L2為HMD1與HMD2之間的距離；INT()為取整函數(shù)，F(xiàn)rac()為取余函數(shù)；Δv為需要調(diào)整的速度；R為主剪剪刃半徑；PPR為主剪剪刃轉(zhuǎn)一圈的總脈沖數(shù)；tOFFSTE為主剪剪刃速度的調(diào)節(jié)時(shí)間。

2.2 切尾長度計(jì)算模型

若軋件尾部的速度為vt，尾部剪切的滯后率為q，則飛剪的切尾速度為

當(dāng)軋件尾部到達(dá)HMD1時(shí)，伺服控制器接收到HMD1的一個(gè)下降沿信號(hào)后，開始預(yù)測(cè)軋件頭部到達(dá)HMD2時(shí)主剪剪刃的位置，再根據(jù)切頭長度與HMD2和主剪之間的距離計(jì)算出軋件尾部到達(dá)HMD2時(shí)主剪剪刃的期望位置，從而最后計(jì)算出主剪剪刃需要調(diào)整的位置變化量。公式如下：

2.3 轉(zhuǎn)轍器定位計(jì)算模型

當(dāng)軋件頭部到達(dá)HMD2時(shí)，伺服控制器接收到HMD2的一個(gè)上升沿信號(hào)后開始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到切頭延時(shí)計(jì)算值后，轉(zhuǎn)轍器快速地從等待位經(jīng)過剪切位到達(dá)通過位；當(dāng)軋件尾部到達(dá)HMD2時(shí)，伺服控制器接收到HMD2的一個(gè)下降沿信號(hào)后又開始啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到切尾延時(shí)計(jì)算值后，轉(zhuǎn)轍器快速地從通過位經(jīng)過剪切位到達(dá)等待位。公式如下：

式中：Th為切頭延時(shí)計(jì)算值；Tt為切尾延時(shí)計(jì)算值。

2.4 轉(zhuǎn)轍器速度計(jì)算模型

當(dāng)軋件頭部經(jīng)過HMD2時(shí)，伺服控制器立刻采樣主剪的速度作為主軸速度，轉(zhuǎn)轍器伺服電機(jī)作為輔軸，并以1∶1的比例跟隨主軸速度迅速移動(dòng)至通過位；當(dāng)軋件尾部到達(dá)HMD2時(shí)，伺服控制器仍然以主剪的速度作為主軸速度，轉(zhuǎn)轍器伺服電機(jī)作為輔軸，并以1∶1的比例跟隨主軸速度迅速移動(dòng)至碎斷位，再以低速從碎斷位移至等待位，如圖2所示。

圖2 飛剪速度追蹤曲線Fig.2 Speed trace curve of flying shear

具體公式如下：

式中：MASTERSOURCE.SHR_AXIS為以主剪為主軸；FOLLOW.SHR_AXIS為主軸與輔軸的比例值；MASTERDISTANCE和FLY為在主軸移動(dòng)C5的位移量的時(shí)間段內(nèi)，輔軸必須移動(dòng)C6的位移量。

3 連續(xù)式飛剪工程控制應(yīng)用

本文以柳鋼二高連軋生產(chǎn)線上的3#飛剪為研究對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型參數(shù)為：主剪剪刃直徑D= 800 mm，HMD1與HMD2之間的距離L2=17 900 mm，HMD2和主剪之間的距離L1=6 200 mm，切頭速度vC和切尾速度控制在25m/s以下，主剪剪刃速度的調(diào)節(jié)時(shí)間TOFFSTE=1 s。該控制系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后，不僅可靠性高，剪切速度也可以達(dá)到20m/s，軋件的平均剪切誤差控制在5 cm以內(nèi)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。剪切過程圖如圖3、圖4所示。

圖3 飛剪切頭過程圖Fig.3 Head cutting diagram of flying shear

圖4 飛剪切尾過程圖Fig.4 Tail cutting diagram of flying shear

4 結(jié)論

高精度的飛剪控制系統(tǒng)是軋鋼電氣控制系統(tǒng)中最復(fù)雜、最有價(jià)值的部分，在提高產(chǎn)品的成材率與產(chǎn)量方面起著重要的作用。本文所設(shè)計(jì)的飛剪控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的起停式飛剪有著更高的剪切精度，更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度和剪切速度柳鋼二高線自2010年投產(chǎn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定增強(qiáng)了企業(yè)的競爭力。

［1］蔡志軍，陳勁松，張磊.高速線材飛剪的自動(dòng)化控制［J］.安徽機(jī)電學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，16（4）：61-65.

［2］郎兵，任雪梅.棒材生產(chǎn)線起/停式倍尺飛剪的工作原理［J］.萊鋼科技，2003，9（3）：31-33.

［3］張梅，王萬新，王庭寬，等.T400剪切工藝板實(shí)現(xiàn)飛剪控制［J］.電氣傳動(dòng)，2006，36（6）：58-60.

Design and Application of Servo System in the Continuous Flying Shears System

CHEN Dong-ling
（Department of Mechatronics Engineering，Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou 545006，Guangxi，China）

In servo system，advanced mathematic model was adopted to accurately calculate each control parameter of flying shear，so that automatic cutting，cobbling，positioning and sampling functions of flying shears were achieved.Mathematical model included shearing cutting length calculation and switch pipe positioning calculation. Application results show that the control model can acquire to moving state performance goodly in the movement，and average cutting tolerance of rolled strip is controlled within 5 cm，so that product output and economic benefits is improved.

continuous；servo system；shear；mathematic model

TG334.9

B

2013-12-25

修改稿日期：2014-06-21

廣西質(zhì)量控制工程項(xiàng)目（LGQC-BX-1250）

陳冬玲（1971-），女，碩士研究生，高級(jí)工程師，Email：huangbin88888888@163.com