VEC-VBF伺服應用于鋼管定尺飛鋸機

一、 引言 
在企業(yè)已經全球化的同時，各行各業(yè)的競爭也越來越激烈，各種行業(yè)機械的效能評比標準也逐漸地大幅提高?？蛻粼谠u估一臺加工機械的效能時，不但要檢驗產出成品的精準度是否合格；同時更要計算每臺機械每分鐘的生產效率是否比競爭者更快更高。因此，探討機械動作設計的合理化顯得尤為重要。高頻無縫焊管后段的飛鋸的控制系統過去一直依賴進口產品，價格貴，貨期長，且服務不及時，隨著現代控制技術特別是電力電子產品技術突飛猛進的發(fā)展，使飛鋸控制系統的解決方案變得“簡單易行”，基本上打破了過去長期整機依賴進口的局面。本文闡述深圳市威科達科技有限公司生產的VEC-VB追剪專用型在飛鋸行業(yè)的應用。 

二、 鋼管飛鋸現狀 
中國的鋼管飛鋸行業(yè)普遍采用以下三種方式完成高頻無縫焊管后段的飛鋸： 
1、 運動控制器+直流驅動器+直流電機 
2、 運動控制器+變頻器+三相異步電機 
3、 運動控制器+伺服驅動器+伺服電機 
4、 專用型伺服驅動（內置運動控制器）+伺服電機（或異步電機） 
第一種方式歷時最久，優(yōu)勢在于取代了走停式靜太裁切，提高了鋸切速度和精度；缺陷在于直流電機維護多、維護成本高。 
第二種方式用交流系統取代了直流系統，不僅具備直流系統的優(yōu)勢，同中降低了成本，減少了維護費用；但在精度和速度上遜色于第三種方式。 
第三種方式優(yōu)于前兩種方式，一方面保證了鋸切精度，另一方面提高了鋸切速度，后期使用的維護費用也低，但整體造價高。 
第四種方案中的專用型伺服驅動器是將原來的運動控制器寫成軟件集成在伺服驅動器內，使“運動控制器”部分的故障率降為零，不僅完全具備第三種方式的全部優(yōu)勢，還具有造價低、供貨快、服務及時等優(yōu)勢。 
三、工作原理 
(1) 機械基本架構 
在生產鋼管的生產線上，成品是連續(xù)不斷的生產出來的，成品且是硬性的材質，必須將連續(xù)送來的材料，立刻裁切成一段段固定長度的成品。這時，便需要應用“往復式同步動態(tài)裁切”的技術，或者稱之為“往復式飛剪(Reciprocal Fly Shear)”。因為在裁切的過程中(大約0.1~1秒)，如果硬質材料與刀具之間有相互的位置變動，將會對刀具造成傷害;同時也勢必影響成品的質量。 
采用如圖1所示的“往復式飛剪”機械結構，便是解決這種問題的最佳方案。本機械結構的裁切刀具并不是安置于固定點，而是安裝于可以移動的“切臺”上。透過導螺桿，“切臺”的位置由伺服馬達帶動;因此，在整個裁切的過程中，控制器可以隨時控制切臺的移動速度與位置，讓刀具與材料的相對位置永遠維持固定。運用這種方式才能確保每一個成品的定長精度及切口平整度，同時還能延長刀具的使用壽命。

圖1 往復式同步動態(tài)裁切的系統架構 

(2) 往復式飛剪系統的基本組成單元及其功能 

a)往復式飛剪專用控制驅動系統(VEC-VBF) (Programmable Drive System-Fly Saw mode): 

接受PLC及HMI輸入的運轉命令及長度設定; 

檢測測量輪編碼器傳回的脈波，以獲得進料速度及進料長度; 

控制伺服馬達的運轉速度及同步定位動作; 

激活切刀(鋸片)加工裝置。 

b) HMI(Human Machine Interface):(人機接口) 

接受設定資料及顯示運轉狀態(tài) 

c) PLC:(可編程程序控制器) 

處理基本的接口、互鎖、連動信號 

d) Servo Motor:(無刷伺服馬達或感應伺服馬達) 

帶動導螺桿的正逆轉動或停止 

e) Ball-Screw:(導螺桿或齒排) 

帶動切臺往復運動及停止 

f) Carriage with Cutting Mechanism:(鋸臺或切臺) 

包含切刀(鋸片)加工裝置之移動基臺 

g) Measure Roll with Encoder:(附編碼器的測量輪) 

直接緊密的接觸待切材料，靠材料的橫移而帶動編碼器產生脈沖信號 

(3) 運行速度曲線(如圖2所示)。 

(4) 切臺移動速度與加工動作的時序說明 

圖2 VEC-VBF系統基本運行速度曲線- 
圖2中，上下起伏的實線，清楚的表示出整個裁切循環(huán)過程中，切臺運行的速度曲線;而平直的虛線則代表穩(wěn)定的進料速度。整個循環(huán)分成五個不同的狀態(tài)，分析如下: 
a) 待機狀態(tài)(Standby) 
在一個循環(huán)開始時，若送料總長度尚未達到指定裁切長度，即屬于待機狀態(tài)。VEC-VBF隨時檢測輸入材料的長度及當時送料速度。采取前置量檢測法，若長度到達前置量，則立刻指揮伺服馬達激活，進入加速狀態(tài)。 
b) 加速狀態(tài)(FrampUp) 
送料持續(xù)進行，VEC-VBF在檢測輸入材料的長度及當時送料速度的同時，并指揮伺服馬達依照S曲線加速至與進料速度同步;務求在進入同步速度的瞬間，裁刀與材料的動態(tài)相對位置已經整定完成。接著便進入同步狀態(tài)。 
c) 同步狀態(tài)(SyncZone) 
一旦進入同步狀態(tài)，VEC-VBF立刻送出同步信號(SYNC)給裁刀控制機構，要求執(zhí)行切斷動作。同時，VEC-VBF 依然持續(xù)偵測進料長度及進料速度，隨時保持切刀與材料之間的動態(tài)相對位置永遠不變;如此才能確保裁切斷面的平整。當裁切完成之后，切刀自動退出，并發(fā)出裁切完成信號(CUT-END)。VEC-VBF接收到本信號，則不再繼續(xù)維持同步，立刻進入減速狀態(tài)。 
d) 減速狀態(tài)(FrampDown) 
VEC-VBF指揮馬達依照S曲線減速直到完全停止。同時，仍然持續(xù)偵測并累計進料長度。一旦馬達完全停止，VEC-VBF立刻將切臺現在的位置記錄為本次裁切的最遠行程。接著立刻進入回車狀態(tài)。 
e) 回車狀態(tài)(ReturnHome) 
回車狀態(tài)其實可以看成是“NC走停式定長送料”的標準動作程序?；剀囘^程中，VEC-VBF仍持續(xù)偵測并累計進料長度?；剀囃瓿芍笙到y自動進入待機狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開始。

四、系統主器件選型注意事項 
VEC-VBF追剪系統基本架構中所需的主要組件是（請參考圖1系應用之基本圖）： 
1. 同步伺服或感應伺服電機。 
必須依據系統扭力的需要，包括伺服電機、機械系統自身的慣量、效率、摩擦損耗等因素來選定適當的形式及功率。 
一般選擇電機時需注意： 
1） 低慣量 
慣量愈低愈好，否則會損耗許多扭力去克服自身的慣量。 
2）適當的額定轉速及減速比 
選定電機規(guī)格時應配合減速機構一并考慮，最佳的匹配是當電機運行于最高轉速時，即是機臺切刀的最高合理運轉速度（考慮機械的承受力，及實際應用上的要求）。尤其是當選用的是感應式異步電機加裝編碼器的方式搭配時，更是要考慮適當的減速比及電機的轉速配置；因為一般的異步電機的扭力輸出效率最大的區(qū)間是在額定轉速區(qū)附近，在較低的轉速區(qū)扭力輸出效率相對較差；故若選擇1500rpm的電機，實際上僅運轉于約500~600rpm的速度區(qū)間，那么就必須改變減速比，使得電機運轉于1100~1400rpm，或改用750rpm的電機來使用，如此才能發(fā)揮電機應有的扭力輸出效率。 
3）若能采用標準伺服電機，則將比使用一般感應式異步電機有更好的表現。 
2. VEC-VBF驅動器。 
必須依據系統可能的最大扭力需要選定的伺服電機的最大電流額定來選定。驅動器必須有回升放電功能，可以外接放電電阻（內含放電回路的機型）或外加煞車制動器再接放電電阻（無放電回路的機型）；詳細內容請咨詢本公司技術服務咨詢人員。 
3. 主線速度測量編碼器。 
依據精度要求及機械參數來選定。 
編碼器的選定規(guī)格需注意： 
1）工作電壓5V 
2）輸出部是線驅動（Line Drive），差動式信號，增量型。 
3）有A，/A，B，/B的信號。 
4）配合測量輪的外徑及減速比，測量精度需能合乎裁切精度的要求。若采用1024ppr的編碼器，配合圓周為400mm的測量輪，增速比是1的話，其測量精度是(400/1024)*2=0.78mm，可應用于±1mm精度要求的測量，但不適用于±0.8mm以下精度要求的測量。要提高測量精度，則必須提高編碼器精度，或增加增速比，以提高單位長度中的脈波輸出量。 
4. 人機界面。 
可規(guī)劃適合的操作畫面，以便于資料輸入，動作切換，系統監(jiān)視。上述基本組件即可達成VEC-VBF追剪系統最直接、經濟的操控需求

五、結束語 
VEC-VBF系列追剪專用型伺服配異步電機精度可達2MM以內，速度可達90M/MIN；VEC-VBF系列追剪專用型伺服配同步永磁電機精度可達1MM以內，速度可達120M/MIN。專用型伺服在鋼管定尺飛鋸行業(yè)的成功應用具有深遠意義，同時具有廣闊的發(fā)展前景。