基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计_张中琳.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun 2023基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计张中琳,朱明亮,刘 波,郑 忱(中国机械总院集团北京机电研究所有限公司,北京 100083)摘要:提出了一种双轴伺服电机同步控制辊锻机双轧辊的电气系统方案,采用电子齿轮耦合技术对去飞轮和制动离合器的辊锻机进行了双轴同步运动控制系统设计。该设计取消了原有的多级传动装置,改由伺服电机通过减速机直接驱动负载,保留了机械驱动转动扭矩大等优点,同时改变了传统设备单一的工作特性,解决了气动设备不稳定、噪音大、冲击大、无法实时监控运行状态等问题,实现了精确控制辊锻机轧辊旋转速度和位置的目的,将柔性化、数字化、智能化控制技术引入机械成形设备,为后续生产线中辊锻机与机器人手臂同步协作,实现高度自动化提供了可能。实验结果表明,所设计的双轴伺服电机同步控制辊锻机双轧辊的电气系统具有较高的位置同步精度和速度同步精度。关键词:伺服系统;辊锻机;同步控制;电子齿轮;耦合DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.06.021中图分类号:TM921.54 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)06-0156-07Design on double rollers synchronous control electrical system for roll forging machine based on servo motorZhang Zhonglin,Zhu Mingliang,Liu Bo,Zheng Chen(Beijing Research Institute of Mechanical&Electrical Technology Co.,Ltd.CAM,Beijing 100083,China)Abstract:An electric system scheme of double-axis servo motors synchronous control on the double rollers of roll forging machine was pro-posed,and the double-axis synchronous motion control system of roll forging machine prototype without flywheel and brake clutch was de-signed by the electronic gear coupling technology.This design canceled the original multi-level transmission device and used two servo mo-tors to directly drive the load through a reducer,retaining the advantages of high mechanical driving torque and changing the single work-ing characteristics of traditional equipment.It solves the problems of unstable pneumatic equipment,high noise,large impact on equip-ment,and inability to monitor the running state in real-time.It achieves the precise control of rotational speed and position of roll forging machine,and applies flexible,digital and intelligent control technology to mechanical forming equipment.It provides the possibility for the synchronous cooperation between roll forging machine and robot arm in the subsequent production line to achieve a high degree of automation.The experimental results show that the electric system of double-axis servo motors synchronization control on the double roll-ers of roll forging machine designed has high position synchronization accuracy and speed synchronization accuracy.Key words:servo system;roll forging machine;synchronous control;electronic gear;coupling收稿日期:2022-08-25;修订日期:2022-11-20作者简介:张中琳(1981-),女,硕士,高级工程师E-mail:ac8241 将交流伺服驱动系统应用在锻压设备上,是近年来发展的趋势。伺服电机具有普通电机无法比拟的优点,如转矩大、惯量小、调速范围广等。在伺服驱动技术席卷锻造设备的热潮下,在保留机械结构驱动优点的基础上,传统的复杂机械构件逐渐被伺服控制技术所取代,其不但改善了设备原有的工作性能,而且更加智能化、数字化1。伺服成形技术顺应了智能制造的发展方向,必将在智能成形加工中发挥重要的作用2。辊锻机是一种专门为辊锻工艺配备的锻压机械,可对锻件进行反复的翻转拔长,已成为模锻生产线上不可或缺的配套设备3。由于其结构的特殊性,轧辊传动装置还停留在通过气动离合器将电机驱动的高速旋转飞轮上的惯性力传至轧辊的方式,该方式存在停车不稳定、对设备冲击大、运行状态难以监控等问题。本文基于伺服电机驱动的辊锻机,提出了双轧辊同步控制电气系统方案,通过实验验证,该系统能够从根本上克服上述问题,实现精密、柔性锻造。1 现有辊锻机的轧辊控制方式及伺服改进方案 目前,国内辊锻机制造厂商大多采用气动制动离合器结构制造辊锻机主机,如图 1 所示,即采用电机、传动皮带、气动制动离合器、轧辊等组成的机械传动结构,通过与电机连接的飞轮高速旋转存储能量,通过制动离合器的接合和分离来达到控制轧辊的旋转和停止的目的4。其优点是控制简单,通过控制气路的通断,即可控制轧辊的启停。但是,其缺点也十分明显,由于气动制动离合器的作用,轧辊在启停时对设备冲击较大,导致轧辊制动后不能立刻停车,需惯性转动 30 60后才能停车,且停车位置严重依赖气压值,无法实现轧辊速度和位置的精确控制。轧制闷车时,轧辊依旧运行,对设备损坏巨大,也为生产带来了安全隐患,且轧辊运行时的状态数据、参数无法实时采集和智能分析等。图 1 辊锻机主机1.电机 2.传动皮带 3.气动制动器 4.轧辊Fig.1 Body of roll forging machine随着伺服系统的应用越来越广泛,伺服直驱技术备受行业关注。该技术取消了多级传动装置,负载由伺服电机直接驱动,不仅保留了机械驱动中转动扭矩大的优点,而且还改变了传统设备单一的工作特性,将柔性化、数字化、智能化控制技术引入到机械成形设备,大幅提高了设备性能和工艺适应性5,成为电气传动的主要发展方向6。基于此,本文采用伺服电机直接控制辊锻机样机的方式,图2 为伺服电机直连轧辊结构的示意图,图 3 为伺服电机带减速器再连接轧辊结构的示意图。市场上,伺服电机符合大扭矩、低转速轧制力要求的额定转速一般为 400 rmin-1,而辊锻机样机需求的额定转速最高为 150 rmin-1。若采用直连势必造成能图 2 伺服电机直连轧辊结构示意图Fig.2 Schematic diagram of structure for rollers connected with servo motors directly图 3 伺服电机带减速器连接轧辊结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure for rollers connected with servo motors by reducers量浪费,而采用减速器不论在惯量匹配上还是在低速平稳性及价格上均具有优势,最终方案为采用两台交流伺服电机通过减速器连接轧辊,即采用图 3的连接方式。2 电气系统设计2.1 伺服系统控制模式伺服系统主要的 3 种控制模式为:力矩控制模式、速度控制模式、位置控制模式。2.1.1 力矩控制模式在力矩模式下,电机的速度、位置均为开环控制状态,电机根据控制器指令输出恒定的转矩。本文研究内容为双轴同步控制系统,力矩模式无法满足精度定位和同步的要求,故不考虑。2.1.2 速度控制模式在速度控制模式下,电机内部编码器的速度信号反馈到驱动器中,与设定速度值形成闭环控制,动态调整了伺服电机实际运行速度,使之与设定值一致。速度控制环建立在电流环之上。目前,国内一些双轴同步控制策略大多采用双轴速度同步控制方式,主要包括双轴速度并行同步控制方式、双轴速度主从控制方式、虚拟主轴控制方式,各方式的特点如下。(1)双轴速度并行同步控制方式双轴速度并行同步控制方式原理如图 4 所示,两轴分别接收同一个速度运行指令,文献 7 中751第 6 期张中琳等:基于伺服电机的辊锻机双轧辊同步控制电气系统设计 图 4 双轴速度并行同步控制原理图Fig.4 Principle diagram of double-axis speed synchronous control指出了该控制方式的弊端,即当无扰动因素影响时,该结构可以达到比较理想的控制效果,但双轴之间没有反馈,整个控制系统相当于开环控制结构,两轴中任何一个在工作过程中受到扰动因素的影响,均会出现较大的同步误差,甚至导致系统不稳定。辊锻机在工作中由于热坯料金属流动性的不确定,两轴的受力情况并不相同,采用这种控制方式很可能造成双轴错位,因此,双轴速度并行同步方式不适用于本系统。(2)双轴速度主从控制方式将两个伺服轴中的一个设定为主轴,另一个设为从轴,上位机控制单元向主轴发送速度指令,并且上位机的一个数字比较器开始进行主从轴的速度差值比较,将差值送入从轴控制回路的输入端,当差值为零时,两轴的速度一致,完成双轴速度同步。双轴速度主从控制方式原理如图 5 所示,可以看出,当从轴电机受到扰动时,主轴电机无法对其做出相应的速度调整,未能及时修正误差,导致主从轴间的速度误差增大。图 5 双轴速度主从控制原理图Fig.5 Principle diagram of double-axis speed master-slave control(3)虚拟主轴控制方式在运动控制系统中,有实轴与虚轴之分,实轴关连具体的伺服电机,而虚轴是软件中设置的虚拟存储值,只存在于控制器中,虚轴可作为主轴,实轴可作为从轴,主从配合进行同步运算,虚轴作为主轴的优点是其不会受现场环境影响而产生误差,其控制原理图如图 6 所示。图 6 虚拟主轴控制原理图Fig.6 Principle diagram of virtual principal axis control2.1.3 位置控制模式位置控制模式是基于位置环的控制,位置环的反馈来自于伺服系统编码器。位置环输入值和来自编码器反馈的信号,经过偏差计数器计算后,得出的数值再经过位置环 PID 调节,调节输出值和位置给定的前馈值之和构成了速度环的给定值。双轴同步伺服驱动系统为保证双轴位置的同步性,适宜采用虚拟主轴的位