1、大功率伺服系统在旋转式定长切割系统中的应用 2008-10-30 15:40:53 【文章字体：大 中 小】 推荐 收藏 打印 图 1 是一种旋转飞剪机构的示意图。伺服电机同时带动上下两组刀辊，依箭头所示方向相 对旋转。上下刀辊相对运动由机械结构保证同步，当上刀刃旋转至正下方时，下刀刃转至正上方进行裁切。刀辊每旋转一周，物料被切断一次；在生产过程中，物料连续进给，刀辊连续旋转，没有了以往定长切断过程中的停机时间，因而生产效率大为提高。图 1 一种旋转飞剪机构的示意图图 2 伺服电机的电子齿轮比与主线速度的关系图 3 伺服电机的脉冲数与测量辊的编码器脉冲数的关系(切长小于一周的刀尖轨迹长)图 4
2、 伺服电机的脉冲数与测量辊的编码器脉冲数的关系(切长远大于一周的刀尖轨迹长)为达到定长切断的目的，除了保证物料进给速度的稳定外，还要实时控制刀辊的运行速度，当切断长度正好等于刀辊旋转一周的刀尖轨迹长时，只须控制刀尖的线速度与物料进给速度完全相同即可。在实施定长切断的过程中，可以通过用伺服系统控制刀尖与物料进给进行位置随动跟踪，使得伺服电机的编码器脉冲与速度/长度测量辊的编码器脉冲成固定的比例 k，即对应每个测量脉冲，伺服电机走过的脉冲数为 k，如图 2 所示。当切长小于刀辊旋转一周的刀尖轨迹长时，伺服电机的编码器脉冲数与速度/长度测量辊的编码器脉冲数的关系如图3 所示。当切长稍大于刀辊旋转一周
3、的刀尖轨迹长时，伺服电机的编码器脉冲数与速度/长度测量辊的编码器脉冲数的关系如图 4 所示。当切长远大于刀辊旋转一周的刀尖轨迹长时，伺服电机的编码器脉冲数与速度/长度测量辊的编码器脉冲数的关系如图 5:示例计算设备的主要参数主线速度测量辊直径 Dzhu 100mm主线速度测量编码器每转脉冲数 Pzhu 2500 脉冲伺服电机编码器线数 Dsifu 2500 脉冲伺服电机到刀辊的机械减速比 K 6.24 倍刀辊刃口轨迹直径 Ddao 235mm设定切断长度 Lshe 500mm(最短)，10000mm(最长)切纸最高速度 200m/min最高切纸频率 240 次/分钟要求切断精度 5mm需要在调
4、试时确定的参数P1:上次切刀完毕后跟随运动的主线脉冲数 20 脉冲(建议值)P2:本次切刀前跟随运动的主线脉冲数 500 脉冲(建议值)设定长度修正量 -5+5mm(建议值为 0)总体精度评估伺服电机每脉冲对应刀位移 0.047325mm，主线每脉冲对应位移 0.04mm，根据设备总体精度指标，可以允许伺服位置跟踪误差最大为10 个脉冲，考虑到齿轮传动精度限制，此数应适当减小。在用户设定了所有参数之后，PLC 首先计算出对应于每一个来自主线速度测量编码器的脉冲所需要输出至伺服电机的脉冲数，并形成电子齿轮比的数据表格(数据规律参见图 1，计算方法请见下文计算实例)，然后接收来自主线速度测量编码器
5、的脉冲，根据预先存在 PLC 内部的数据表格向伺服系统发送脉冲。在每一个切断周期完成后，PLC 根据实际测量的切断长度修正发送脉冲的数据，以达到更精确的控制。计算L:刀尖轨迹周长LDdao738.3mmPL:对应于切长等于 L 的主线脉冲数PLPzhuL/(Dzhu)5875 脉冲PLshe:对应于切长为设定长度 Lshe 的主线脉冲数PlshePzhuLshe/(Dzhu)l 3979(设定切长为最短 500mm);l 5875(设定切长等于刀尖轨迹周长 738.3mm);l 79578(设定切长为最长 10000mm)。PS:刀辊旋转一周对应电机轴上编码器脉冲数PS=KDsifu=1560
6、0 脉冲K0:在切长等于刀尖轨迹周长时 PLC 输出脉冲和接收脉冲数量之比K0=PS/PL=2.6553 倍情形一:设定长度等于刀尖轨迹周长 738.27mmPLC 接收主速度脉冲信号，同时发送 K0 倍数的脉冲给伺服。当生产速度是 200m/min 时，主速度检测脉冲频率为 26525.846Hz。此时 PLC 发送给伺服的脉冲频率为:70434.5875Hz(对应伺服电机的速度为 1690.43r/min)情形二:设定长度小于刀尖轨迹周长(最短尺寸 500mm)PLC 发送脉冲按下面几段规则:l P1 段:当上次切刀信号到达时，PLC 对内部计长的计数器清零，重新计数，当计数值小于 P1
7、时，PLC 每接收一个(或 N 个)主线脉冲，就发送 K0 个(或 NK0 个)脉冲给伺服(或者说，PLC 的输出脉冲频率等于输入频率的 K0 倍)l 追赶段:如图 6，版辊在追赶段必须比按照 K0 倍主速度脉冲频率多走(PSPLsheK0)个脉冲。S1(P3P4)K/2=PSPlsheK0,其中，P3PlsheP1P2,则(PlsheP1P2P4)K/2PSPlsheK0K2(PSPlsheK0)/(PlsheP1P2P4)或 P42(PSPlsheK0)/(KPlsheP1P2)K 可根据刀辊电机的最高转速、最大加速度以及主线速度的最高值来确定。比如，在最短尺(500mm)切断时，每秒钟最
8、快切断 4 次，生产速度即为每分钟 120m。此时，主线脉冲频率为 15915.5078Hz，跟随时送给伺服的脉冲频率为:42260.7525Hz，对应伺服电机的速度为 1014.26r/min。如果伺服的最高速度为 2000r/min，则 K 选取方法如下:伺服最高速度时，脉冲频率为 83.333kHz，按最高速计算K=2.58，取 K=2.5，则 P42(1560039792.6553)/2.5397920500568.649，取整为 568，速度上升段和下降段的主线脉冲数为:(P3P4)/21445.5，取上升段为 Psha1446，下降段 Pxia1445。l P2 段:PLC 每接收
9、一个(或 N 个)主线脉冲，就发送 K0 个(或 NK0 个)脉冲给伺服(或者说，PLC 的输出脉冲频率等于输入频率的 K0 倍)本情形下，可根据下面的计算生成数据表格:P 为当前周期 PLC 接收到的主线测速脉冲的总数。当 PP1 时，以主线速度测量脉冲输入至 PLC 申请中断(根据 PLC 的中断执行速度，可设置 N 个脉冲执行一次中断，表格的长度等于 PLshe/N)，中断后输出以对应伺服最高速度的频率发出 NK0 个脉冲。当 P1P(P1Psha)时，每次中断输出脉冲数为:N(K0(PP1)K/P sha)。当(P1Psha)P(P1PshaP4)时，每次中断输出脉冲数为:N(K0K)
10、。当(P1PshaP4)P(P1P3)时，每次中断输出脉冲数为:NK0(P3P1P)K/Pxia。当(PLsheP2)PPLshe 时，每次中断输出脉冲数为:NK0。情形三:设定长度大于刀尖轨迹周长(最长尺寸 10000mm)PLC 发送脉冲按下面几段规则:l P1 段:当上次切刀信号到达时，PLC 对内部计长的计数器清零，重新计数，当计数值小于 P1 时，PLC 每接收一个(或 N 个)主线脉冲，就发送 K0 个(或 NK0 个)脉冲给伺服(或者说，PLC 的输出脉冲频率等于输入频率的 K0 倍)l 等待段:如图 5，版辊在等待段必须比按照 K0 倍主速度脉冲频率少走(PLsheK0) PS
11、 个脉冲。S1(P3P4)K/2 PLsheK0 PS,其中，P3PLsheP1P2,则(PLsheP1P2)P4K/2 PLsheK0 PSK2(PLsheK0 PS)/(PLsheP1P2)P4或 P42(PLsheK0 PS)/K(PLsheP1P2)算例 1:切长 10000mm 时，K 选取方法如下:按伺服加(减)速度最小为原则。计算 S1 的面积，则 P42(795782.655315600)/K7957820500195703.46/K79058，当 KK0 时，P45355，实际上 P4 不可能为负数，所以，可选 P40，此时K4.951 此时，K 大于 K0，也不符合实际，可
12、以设想在长度为某值时，KK0、P40，即 2(PLsheK0 PS)/(PLsheP1P2)P4)K0，此时 PLshe11230，即切长为 1411.2mm，当切长小于此值时，按算例 2、3 计算(参照图 6)，当切长大于此值时，比如本算例的 10000mm，计算如下:取K2.6553, P468348，当切长为 10m 时，速度下降段和上升段分别对应的主线脉冲数为:Psha Pxia(P3P4)/2=5355。算例 2:当切长为 1000mm 时，P42(PLshe2.655315600)/K PLsheP1P2(79582.655315600)/K79585205530.8774/K74
13、38，当 K0.7436 时，P40，速度下降段和上升段分别对应的主线脉冲数为: Psha Pxia(P3P4)/23719。算例 3:当切长为 739mm 时，P42(PLshe2.655315600)/K PLsheP1P2(58812.655315600)/K-588152015.8193/K5361，当 K0.00295 时，P40，速度下降段和上升段分别对应的主线脉冲数为:Psha Pxia(P3P4)/22680.5。l P2 段:PLC 每接收一个(或 N 个)主线脉冲，就发送 K0 个(或 NK0 个)脉冲给伺服(或者说，PLC 的输出脉冲频率等于输入频率的 K0 倍)本情形下
14、，可根据下面的计算生成数据表格:P 为当前周期 PLC 接收到的主线测速脉冲的总数。设定长度大于刀尖轨迹周长，但小于等于 1411.2mm 时当 PP1 时，以主线速度测量脉冲输入至 PLC 申请中断(根据 PLC 的中断执行速度，可设置 N 个脉冲执行一次中断，表格的长度等于 Plshe/N)，中断后输出以对应伺服最高速度的频率发出 NK0 个脉冲。当 P1P(P1P3/2)时，每次中断输出脉冲数为:N(K0(PP1)2K/P3)。当(P13/2)P(PLsheP2)时，每次中断输出脉冲数为: N(K0(PLsheP2P)2K/P3)。当(PLsheP2)PPLshe 时，每次中断输出脉冲数
15、为: NK0。设定长度大于 1411.2mm 时当 PP1 时，以主线速度测量脉冲输入至 PLC 申请中断(根据 PLC 的中断执行速度，可设置 N 个脉冲执行一次中断，表格的长度等于 Plshe/N)，中断后输出以对应伺服最高速度的频率发出 N K0 个脉冲。当 P1P(P15355)时，每次中断输出脉冲数为:N(K0(PP1)K0/5355)当(P15355)P(PLsheP25355)时，每次中断输出脉冲数为零。当(PLsheP25355)P(PLsheP2)时，每次中断输出脉冲数为:N(P(PLsheP25355)K0/5355当(PLsheP2)PPLshe 时，每次中断输出脉冲数为
16、:NK0。在以上计算中，如脉冲数为小数，则将小数部分累计到下一周期取整，再将小数递推累计。在切刀信号到达时，将接收到的脉冲数(实际切长)与理想值作比较，根据比较结果对发送给伺服的脉冲数进行调整，继续上述循环。实施效果及修正在本方案中，由于刀辊及其传动机构惯量比较大，在刀辊每个旋转周期所作的加速、减速运动都需要系统能够提供足够的转矩以产生足够的加速度。在本例 500mm 的短尺切断中，电机在追赶段从 1014r/min 升至2000r/min 的时间仅约为 90ms，这就决定了采用此方案进行定长切断，应根据转动部件的转动惯量选择伺服电机的功率。在诸如瓦楞纸板定长切断设备中，多采用功率在 20kW 到 55kW 之间的大功率伺服系统。在采用高精度交流伺服系统作为执行机构时，可以直接按照上述方案进行实际设计，但如果采用变频电机等响应速度和精度稍差一些的执行机构，通常需要对速度变化波形进行调整，比如采用 S 形升降速曲线，在计算上要做相应改变。
