西門(mén)子S120伺服驅(qū)動(dòng)器在彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)中的應(yīng)用

呂麗平　賈偉娜

（鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院信息工程系，河南　鄭州　451191）

西門(mén)子S120伺服驅(qū)動(dòng)器在彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)中的應(yīng)用

呂麗平賈偉娜

（鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院信息工程系，河南鄭州451191）

本文提出一種采用西門(mén)子S120伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)的技術(shù)方案，重點(diǎn)分析采用Starter調(diào)試軟件提供的伯德圖及伺服驅(qū)動(dòng)器S120中集成的數(shù)字濾波器功能，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，將伺服電機(jī)的電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的比例、積分時(shí)間閉環(huán)參數(shù)調(diào)整到最佳值，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備工藝對(duì)定位精度及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。

彈性磨盤(pán)；伺服驅(qū)動(dòng)器；伯德圖；數(shù)字濾波器

彈性磨盤(pán)是磨具的一種，也稱百頁(yè)輪，又稱平面砂布輪、百頁(yè)片，英文名稱“Flap Discs”。彈性磨盤(pán)是金屬和非金屬表面處理的最佳研磨產(chǎn)品。

彈性磨盤(pán)以鋼紙或輕金屬基體，將一定的幾何尺寸的棕剛玉或鋯剛玉砂布?jí)K呈扇形（每塊砂布在托盤(pán)平面的粘結(jié)夾角為10°～30°）疊加排列粘結(jié)在基體上而制成的盤(pán)式涂附磨具，在角向磨光機(jī)上使用，可以和樹(shù)脂鈸形砂輪直接互換。其具有較強(qiáng)的彈性，較高的抗拉、抗彎強(qiáng)度，自銳性好、磨削量大、效率高，適用于焊接及沖壓飛邊的打磨，采用鋯剛玉制造的磨盤(pán)，對(duì)不銹鋼焊縫的打磨具有較高的性能價(jià)格比。

彈性磨盤(pán)一般有36頁(yè)、56頁(yè)、72頁(yè)、80頁(yè)等幾個(gè)種類，粒度一般在40#～320#，材質(zhì)有棕剛玉、鋯剛玉、碳化硅等，可用于造船、汽車、航空、機(jī)械、儀表、橋梁及建筑行業(yè)以及家具的金屬和非金屬材料的各種型面除銹、除漆、除毛刺、打磨焊縫。

彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)是集打膠、涂膠、切片、置片和成型于一體，只需要1位操作員操作，即可生產(chǎn)100～180不同規(guī)格的百葉輪，單片最快5s即可完成。與早期需要多人操作的成型機(jī)相比，具有自動(dòng)化程度高、效率高、性價(jià)比明顯等優(yōu)點(diǎn)。選用相應(yīng)的配件可以生產(chǎn)100 （10.16cm）、115（11.43cm）、125（12.70cm）、150（15.24cm）、180（17.78cm）和T27、T29等不同規(guī)格的百葉輪；適用于彈性磨盤(pán)的成批生產(chǎn)。

1　設(shè)備及工藝介紹

1.1設(shè)備功能介紹

彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)設(shè)備中各主要組成部分的功能如下。

1.1.1打膠部分。該部分主要完成膠料混合攪拌功能，完成的混合膠料供涂膠機(jī)使用。

1.1.2涂膠部分。該部分完成基盤(pán)的涂膠功能，由供料電機(jī)從打膠設(shè)備將膠料輸送到涂膠嘴，基盤(pán)電機(jī)帶動(dòng)基盤(pán)勻速旋轉(zhuǎn)，完成360°旋轉(zhuǎn)，將膠料均勻地涂到基盤(pán)上。

1.1.3六工位切換轉(zhuǎn)盤(pán)。該部分由1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在切片完成后實(shí)現(xiàn)工位切換。

1.1.4送料、切片、擺片部分。送料、切片、擺片部分為該設(shè)備的關(guān)鍵部分，送料和擺片分別由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成定位；伺服電機(jī)完成砂帶定長(zhǎng)送料，送料的同時(shí)擺片電機(jī)完成固定角度旋轉(zhuǎn)，送料完成后通過(guò)高速氣缸帶動(dòng)刀片進(jìn)行切片操作，切片完成后由氣缸后位的接近開(kāi)關(guān)信號(hào)觸發(fā)下一次送料操作，直到完成一個(gè)循環(huán)。

1.1.5預(yù)整形部分。擺片完成的百頁(yè)輪經(jīng)過(guò)工位切換到達(dá)預(yù)整形工序，在該部分完成預(yù)整形工藝。

1.2工藝流程圖

彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)設(shè)備的工藝流程圖如圖1所示。彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)由打膠、涂膠、工位切換、送料、切片、擺片、預(yù)整形及砂帶供料部分等組成，百頁(yè)輪上料和下料部分需要1位操作人員手動(dòng)操作。

圖1　工藝流程圖

2　控制系統(tǒng)構(gòu)成及完成的功能

彈性磨盤(pán)半自動(dòng)成型機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，平面砂布輪半自動(dòng)成型機(jī)控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-1200作為中央控制器，驅(qū)動(dòng)部分采用SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器及1FK伺服電機(jī)；S7-1200通過(guò)PROFINET通訊與S120進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通訊報(bào)文采用111報(bào)文，S120驅(qū)動(dòng)器采用MDI定位方式完成送料電機(jī)及擺片電機(jī)的定位功能，利用S120提供的伯德圖的功能完成控制系統(tǒng)的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)定位精度及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求；上位監(jiān)控采用西門(mén)子KTP系列觸摸屏，主要完成切片長(zhǎng)度、片數(shù)的設(shè)定功能。

3　設(shè)備關(guān)鍵工藝及實(shí)現(xiàn)方案

彈性磨盤(pán)設(shè)備性能指標(biāo)為：切片精度為±0.2mm，切片長(zhǎng)度為16～22mm；生產(chǎn)速度為600件/h。

該設(shè)備對(duì)切片精度和生產(chǎn)速度要求有非常高，因此對(duì)送料的電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和定位精度要求非常高。以切片長(zhǎng)度17mm、切片數(shù)量72片為例，72個(gè)切片循環(huán)要求在5s內(nèi)完成，折算到每片的時(shí)間是70ms，由于切刀是由高速氣缸帶動(dòng)，去掉高速氣缸的時(shí)間，送料電機(jī)需要在不大于20ms時(shí)間內(nèi)完成送料動(dòng)作。

該項(xiàng)目的難點(diǎn)在于如何優(yōu)化調(diào)整伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)，將控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)整到最佳，以完成定位精度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的工藝要求，為了實(shí)現(xiàn)工藝要求必須將伺服電機(jī)的電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的比例、積分時(shí)間閉環(huán)參數(shù)調(diào)整到最佳值。

本文通過(guò)分析計(jì)算送料電機(jī)的傳遞函數(shù)，采用經(jīng)典控制理論中的頻域分析法，借助STARTER調(diào)試軟件中提供的伯德圖及速度環(huán)的數(shù)字濾波器功能，力求在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，調(diào)整比例、積分時(shí)間參數(shù)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

4　伺服系統(tǒng)優(yōu)化

4.1自動(dòng)優(yōu)化功能

為了達(dá)到工藝要求的定位精度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在要求精度不高的場(chǎng)合，可以采用S120集成的自動(dòng)優(yōu)化的方法對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。但在精度要求比較高的情況下，一般采用在自動(dòng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，配合適當(dāng)手動(dòng)優(yōu)化，可以大大提高優(yōu)化的效率。

自動(dòng)優(yōu)化主要分四步對(duì)軸進(jìn)行優(yōu)化：第一步是電機(jī)正轉(zhuǎn)機(jī)械慣量測(cè)，第二步是電機(jī)反轉(zhuǎn)機(jī)械慣量測(cè)量，第三步是電流閉環(huán)特性識(shí)別，第四步是速度環(huán)參數(shù)的自動(dòng)優(yōu)化。

4.2同步伺服電機(jī)電流環(huán)優(yōu)化

該系統(tǒng)采用的是S120伺服驅(qū)動(dòng)器及1FK系列伺服電機(jī)，由于西門(mén)子同步伺服電機(jī)在出廠前電流環(huán)已經(jīng)調(diào)試好，所以電流環(huán)這一環(huán)節(jié)不需要進(jìn)行優(yōu)化，只需對(duì)速度環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行優(yōu)化。電流環(huán)的帶寬一般要求在1 000Hz左右。

圖2　速度環(huán)的系統(tǒng)模型

圖3　速度環(huán)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

4.3同步伺服電機(jī)速度環(huán)優(yōu)化

使用過(guò)程中，需要重點(diǎn)調(diào)整速度環(huán)參數(shù)，在對(duì)電流環(huán)調(diào)整的基礎(chǔ)上，速度環(huán)的比例增益與積分時(shí)間是最關(guān)鍵的整定參數(shù)。優(yōu)化的原則是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，將動(dòng)態(tài)特性調(diào)整到最高。在自動(dòng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。參考的依據(jù)是系統(tǒng)的伯德圖或是階躍響應(yīng)。一般要保證速度環(huán)的帶寬在100～200Hz。

對(duì)于平面砂布輪半自動(dòng)成型機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的模型，異步電機(jī)通常是非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，相比之下，同步電機(jī)的模型更加簡(jiǎn)單，同步伺服電機(jī)電流環(huán)模型的傳遞函數(shù)為：

式（1）中，τcurrent的大小取決于電機(jī)感抗的大小與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［1］。

半自動(dòng)成型機(jī)的送料電機(jī)與負(fù)載是剛性軸連接，屬于簡(jiǎn)單的慣性系統(tǒng)，電機(jī)與負(fù)載可以看成一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)積分環(huán)節(jié)［2］。速度環(huán)的系統(tǒng)模型可以簡(jiǎn)化為圖2，速度環(huán)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)如圖3所示。

速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)如下：

由此可以看出，對(duì)于屬于簡(jiǎn)單的慣性環(huán)節(jié)系統(tǒng)平面砂布輪半自動(dòng)成型機(jī)送料機(jī)械環(huán)節(jié)，速度環(huán)的閉環(huán)特性為二階系統(tǒng)，速度環(huán)控制器的參數(shù)影響其特征角頻率以及二階系統(tǒng)的阻尼，而二階系統(tǒng)的阻尼會(huì)影響其諧振的大小，系統(tǒng)的理想阻尼為0.707。

4.4位置環(huán)優(yōu)化

在完成速度環(huán)和電流環(huán)優(yōu)化以后，位置環(huán)的特性就會(huì)顯著改善，位置環(huán)由于只有比例調(diào)節(jié)器，沒(méi)有積分和微分。對(duì)于比例增益，可以從一個(gè)較小的值逐漸向大調(diào)整，直到滿足系統(tǒng)定位精度的要求。但有時(shí)為了獲得更好的加速效果和定位精度，還可以采用沖量（jerk）限制、前饋等方法［3］。

在提高軸的加速度時(shí)，軸起動(dòng)和停止時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備有一個(gè)沖擊，這個(gè)沖擊會(huì)損害設(shè)備，采用沖量（jerk）限制時(shí)，加速度會(huì)漸進(jìn)的增加和減少，通過(guò)jerk限制可以實(shí)現(xiàn)加速度和加速度的平緩變化，這樣在軸加速/減速階段可以減少對(duì)設(shè)備的沖擊［4］。

通過(guò)以上各環(huán)節(jié)的優(yōu)化，可以得到系統(tǒng)的實(shí)際工藝曲線，從實(shí)際工藝曲線可以看到，電機(jī)完成17mm的切片長(zhǎng)度需要的時(shí)間為16ms，很好地完成了工藝指標(biāo)要求。

5　結(jié)語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用證明，西門(mén)子S120伺服驅(qū)動(dòng)器及1FK伺服電機(jī)具有調(diào)試簡(jiǎn)單、定位精確、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高等優(yōu)點(diǎn)，特別是STARTER調(diào)試軟件中提供了伯德圖及數(shù)字濾波器等工具，方便對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使其在半自動(dòng)彈性磨盤(pán)成型機(jī)得到了成功的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了定位精度及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的工藝要求。

［1］Fang Sichen，Zhou Bo，Li Dan.A Novel Space-vector PWM Algorithm for PMSM Drive Systems［J］.Industrial Technology，2009（12）：1-5.

［2］林瑤瑤，仲崇權(quán).伺服驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速控制技術(shù)［J］.電氣傳動(dòng)，2014（3）：21-26.

［3］秦曉飛，王云寬，鄭軍，等.交流伺服系統(tǒng)振動(dòng)魯棒M/T測(cè)速算法［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010（14）：96-102.

［4］Nguyen Phung Quang，J?rg-Andreas Dittrich.Vector Control of Three-phase AC Machines：System Development in the Practice［M］.New York：Springer US，2008：17-58.

The Application of SIEMENS S120 Servo Drive Used in Semi-automatic Flap Discs Forming Machine

Lv LipingJia Weina
（Information Engineering Department，Zhengzhou Shengda University of Economics Business&Management，Zhengzhou Henan 451191）

This paper proposed a technical scheme of using SIEMENS S120 servo driver design of elastic disc semi automatic molding machine，focused on the analysis of digital filter function integrated Bode diagram and servo driver S120 provided by Starter debugging software，under the premise of ensuring the stability of the system，the current loop，the speed loop and the position loop of the servo motor were adjusted to the optimal value，to achieve the requirements of equipment technology for positioning accuracy and high dynamic response.

elastic disc；servo drive；Bode diagram；digital filter

TP29

A

1003-5168（2016）05-0085-03

2016-04-23

呂麗平（1979-），女，碩士，副教授，研究方向：智能控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用；賈偉娜（1988-），女，碩士，助教，研究方向：信號(hào)與信息處理。