西门子伺服在镁挤压机出口对中、牵引及切割定尺机构中的应用
时间：2023-05-29 08:25:29 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙姚江 梁晓刚
(上海宝信软件股份有限公司 上海：201900)
宝钢研究院引进的镁挤压机成套设备主要包括挤压机、牵引机、辅机、模具炉、时效炉等。其中，模具炉实现对模具的加热处理，时效炉完成对挤压材料的热处理，当模具和材料到指定温度后装入挤压机，挤压机对材料进行挤压，挤压后的材料由牵引机完成牵引和切割，切割时挤压机需要停止挤压，切割后的材料由辅机机完成冷却、校直、裁切[1]。
该套挤压机设备主要存在以下问题：(1)作业效率低，牵引时挤压机需要停止挤压，另外切割完成后的材料需要进入辅机矫直，需要行车和人员配合，矫直过程繁琐；
(2)成材率低，牵引机只有拉力，不稳定，常引起褶皱、弯曲变形等缺陷，甚至出现残次品，使得产品的成品率很低，另外牵引机没有定尺能力，材料需要两次切割，造成浪费；
(3)产品质量不稳定，牵引机高度不能自动调整，人工调整的精度往往不够，牵引机在高度方向上存在斜拉的情况，导致材料成型不稳定以及壁厚有偏差[2-4]。
针对以上问题，结合用户实际需求，对现有设备进行改造，拆除原有牵引机，基于西门子S120伺服系统重新设计牵引机，在挤压机出口处增加对挤出料进行自动对中夹持、双机连续牵引和定尺锯切功能，同时要求在挤压主机连续不中断挤压的情况下，对中牵引和定尺锯切作业连续往复不间断运行。主要改造内容包括:(1)新增挤压机出口侧挤出料的夹抓和对中装置；
(2)新增双牵引系统，包括一台主牵引机和一台配有锯切机的牵引机。本文对改造后的牵引机设备及西门子伺服控制系统进行了介绍。
1.1 设备组成
改造后的牵引机分为主牵引车和切割牵引车，主牵引机完成挤压机出料口接料，带力牵引以及送料任务；
切割牵引机完成定尺切割，以及主牵引车送料时临时带力牵引。牵引机设备图组成如图1所示。
图1 牵引机的设备组成
图1中，①为主牵引车抓斗，用于从牵引机接料，具有上升和下降、打开和关闭、压紧和放松、拨料功能；
②为抓斗压紧气缸，实现抓斗的压紧和放松；
③为抓斗张开气缸，实现抓斗的打开和关闭；
④为升降伺服电机，实现抓斗的上升和下降；
⑤为拨料装置；
⑥为主牵引车牵引伺服电机；
⑦为切割牵引车对中结构，实现挤压料的对中牵引；
⑧为切割牵引车的翻板底座；
⑨为副牵引车的翻板，具有伸出和退回、压紧和松开功能；
⑩为切割牵引车的割锯，具有伸出和退回、切割功能。
1.2 工作流程
改造后的牵引机工作流程详见图2。挤压机启动后将牵引车切换为自动模式；
牵引车自动移动至接料位，就位同时主牵引车抓斗(钳口)下降至低位，即抓斗(钳口)全开位置，准备工作完毕，等待出料。
图2 牵引机的工作流程
挤压料进入抓斗(钳口)后触发感应开关，抓斗(钳口)快速闭合，同时主牵引车启动，开始恒力牵引。主牵引车通过切割牵引车区域后，切割牵引车对中装置夹持，翻板底座升起，翻板夹紧装置(翻板压头)进入预压位。当挤压机出料长度达到定尺长度后，切割牵引车快速启动并与主牵引车实现速度同步，翻板夹紧装置(翻板压头)快速压紧。切割车割锯伸出切割，随后主牵引车立即提速，进入卸料区后，抓斗(钳口)打开卸料。
卸料后主牵引车快速返回，返回过程中抓斗(钳口)打开准备接料。主牵引车与切割牵引车相遇后快速反向，并与切割牵引车实现速度同步，抓斗(钳口)快速闭合开始恒力牵引。切割牵引车压头松开，待对中装置和翻板底座复位后切割牵引车快退至原位，等待下次定尺。
2.1 控制系统
牵引机控制系统采用Siemens S7-315 PLC，使用step7 V5.5开发；
运动控制采用Siemens S120伺服驱动，使用Starter开发；
HMI人机界面采用Siemens KTP1200 Baisc DP，使用TIA Portal V14开发。S7-315 PLC是可编程控制器，完成牵引机逻辑控制和数据计算；
S120伺服系统由1个伺服控制器CU320-2DP、1个整流模块、3个电机模块、3个伺服电机组成；
HMI人机交互界面是12寸触摸屏。PLC、S120和HMI之间通过Profibus-DP通讯连接[5]，系统配置如图3所示。
图3 牵引机的控制系统配置图
2.2 伺服系统
多轴伺服控制器CU320可以同时实现6个伺服或4个矢量或8个V/F控制，伺服不能与矢量混配，伺服或矢量都能与V/F混配[6]。本系统CU320实现主牵引机的升降、走行和切割牵引车的走行3个伺服控制。整流单元是16kW的SLM智能型模块，整流后直流母线电压为1.32～1.41倍的输入电压。电机模块和伺服电机配套使用，其中主牵引和切割牵引的配置18A的电机模块，升降电机配置5A的电机模块，3个电机的参数如表1所示。
表1 电机参数
牵引力的稳定控制对于挤压料的成型很重要，S120在牵引的时候控制方式为带转矩限幅的位置控制方式，其速度随着挤压速度变化而变化，但是其作用到挤压料上的牵引力要保持不变。牵引力的关系为：
T0=TM-TF
(1)
式中T0为净牵引力，TM为电机输出的力，TF为动摩擦力。对挤压机双牵引电机的静摩擦力和动摩擦力采集分析，可以有效提升净牵引力的准确度。
3.1 双牵引电机的牵引力静态标定
使用500N测力计，使用钢丝绳拉住对主牵引车和切割牵引车的进行标定。标定如图4所示。
图4 双牵引电机的牵引力静态标定
主牵引机和切割牵引机的静摩擦力标定数据如表2所示。
表2 静摩擦力标定数据
设定值为伺服电机的转矩设定值，测量值为测力计实际值。由表2可知主牵引车静摩擦力在144N～165N之间，对其平均静摩擦力Tf1=152N；
切割牵引车静摩擦力在250N～344N之间，对其平均静摩擦力Tf2=296N。
3.2 双牵引电机的牵引力动态空载标定
正常的牵引速度范围是3m/min～10m/min，切割牵引车电机和主牵引车电机减速比和齿轮周长相同，电机的转速范围是63.7r/min～212.2r/min。在这个范围内对双牵引电机空载时进行动态标定。图5、图6为3m/min和10m/min时，双电机的转速、转矩、电流之间的关系。
图5 在3m/min和10m/min时主牵引车转速和转矩的关系
图6 在3m/min和10m/min时切割牵引车转速和转矩的关系
主牵引的动摩擦力TF1与速度关系P1如下：
TF1=k1P1+b1
(2)
要克服静摩擦力才能实现牵引，所以TF1存在最小值，即min(TF1)=Tf1=152N。
切割牵引的动摩擦力TF2与速度关系P2如下：
TF2=k2P2+b2
(3)
同理，min(TF2)=Tf2=296N。
设计控制系统已经应用于宝钢研究院镁挤压机实验室，经过实验室几百次的实验的实践证明，基于西门子S120伺服系统可以实现对镁挤压机出口接料装置的对中、牵引和定尺切割功能，保证镁挤压机的连续生产。伺服系统可在0～20m/min的挤压速度下工作，其中3m/min～10m/min挤压速度时牵引力精度为±5%，主牵引和切割牵引两个牵引机交接过程中牵引力精度±3%，从第一次夹抓到牵引机速度平稳这段过程中的牵引力精度±6%，当接到最后一道次的停机指令时，牵引机从平稳运行减速至静止这段过程中的牵引力精度±4%。定尺长度7～8m时，挤压速度3m/min时定尺精度为±2mm，挤压速度10m/min时定尺精度为±5mm。牵引机和辅机的改造的应用证明新系统的技术合理性，可以推广到矫直和定尺切割双应用的行业。
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