伺服電機(jī)在直式鋼繩拉拔機(jī)中的應(yīng)用

董 波，董豐收，劉 悅，陳 蕊，王雪峰，陳英凱

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710005)

0 引言

直式鋼繩拉拔機(jī)的主要功能是冷態(tài)下拉拔穿過(guò)模具的坯料，使其達(dá)到尺寸無(wú)偏差、外形精密光滑的要求。直式鋼繩拉拔機(jī)可以用來(lái)加工特種合金、貴金屬、難熔金屬等材料，終端產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于我國(guó)航空航天、核能軍工、石油及海洋工程等重要領(lǐng)域。

直式鋼繩拉拔機(jī)的拉拔小車(chē)在直線方向動(dòng)作有兩個(gè)：拉拔和快速退回。為提高加工生產(chǎn)效率，拉拔動(dòng)作要求拉拔小車(chē)在生產(chǎn)時(shí)速度平穩(wěn)、拉拔力恒定；快速退回動(dòng)作要求拉拔小車(chē)高速回到加工位置。

常規(guī)直式鋼繩拉拔機(jī)拉拔小車(chē)的傳動(dòng)方式為：一臺(tái)低速電機(jī)通過(guò)皮帶輪和電磁離合器連接在減速機(jī)的第一個(gè)輸入軸上，減速機(jī)的輸出軸正轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼繩卷筒，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的拉拔動(dòng)作；另一臺(tái)高速電機(jī)通過(guò)皮帶輪和電磁離合器連接在減速機(jī)的第二個(gè)輸入軸上，減速機(jī)的輸出軸反轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋼繩卷筒，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的快速退回動(dòng)作。為了滿足兩個(gè)動(dòng)作的不同速度，低速電機(jī)與高速電機(jī)之間的速度差極大，且兩臺(tái)電機(jī)、兩套皮帶和兩套電磁離合器都需要在地面做基礎(chǔ)進(jìn)行固定，因此設(shè)備部件數(shù)量較多，占地面積很大。電磁離合器在運(yùn)行結(jié)束后若未正常脫開(kāi)，又極易在下次生產(chǎn)中造成設(shè)備損壞。皮帶輪通過(guò)皮帶傳動(dòng)，易打滑、易老化及易斷裂；若皮帶在高速運(yùn)行中斷裂，還會(huì)有很大的安全隱患。皮帶和電磁離合器都需要定期進(jìn)行檢修和更換，增加了維護(hù)成本。而基于交流伺服系統(tǒng)的直式鋼繩拉拔機(jī)則基本解決了上述問(wèn)題。

1 設(shè)備組成及工藝簡(jiǎn)介

基于交流伺服系統(tǒng)的直式鋼繩拉拔機(jī)如圖1所示。拉拔機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器使單臺(tái)交流伺服電機(jī)與減速機(jī)輸入軸直連，減速機(jī)輸出軸帶動(dòng)卷筒鋼繩，拖動(dòng)拉拔小車(chē)?yán)位蚩焖偻嘶亍?/p>

1.伺服電機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.減速機(jī)輸入軸；4.減速機(jī)；5.減速機(jī)輸出軸；6.卷筒；7.限位開(kāi)關(guān)；8.鋼繩；9.拉拔小車(chē)；10.軌道。

伺服電機(jī)通過(guò)伺服控制器控制，伺服電機(jī)與伺服控制器組成的調(diào)速系統(tǒng)能使拉拔小車(chē)在位置閉環(huán)控制功能和矢量控制功能之間實(shí)時(shí)切換，既能滿足拉拔時(shí)的低速恒扭矩需求，又能滿足小車(chē)快速退回時(shí)的弱磁高速需求。伺服電機(jī)內(nèi)部帶有制動(dòng)器和編碼器，軌道上設(shè)有獨(dú)立的限位開(kāi)關(guān)，可進(jìn)行位置準(zhǔn)確停止和極限位置保護(hù)停車(chē)。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)測(cè)量和計(jì)算功能完善，可在拉拔小車(chē)發(fā)生過(guò)載時(shí)及時(shí)停機(jī)保護(hù)。

拉拔機(jī)設(shè)備裝有聲光報(bào)警燈，可在小車(chē)移動(dòng)時(shí)作為警示提醒安全。設(shè)備操作完全由HMI(人機(jī)交互畫(huà)面)進(jìn)行，操作方便。

2 設(shè)備電氣系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)直式鋼繩拉拔機(jī)控制均采用硬線邏輯控制，傳動(dòng)采用非變頻調(diào)速。這種模式下的設(shè)備控制方式不靈活、控制參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)變化。新系統(tǒng)由SIMATIC-S7-300 PLC通過(guò)PROFINET總線與伺服控制器、HMI通訊連接，可快速的交換指令與數(shù)據(jù)。伺服控制器與交流伺服電機(jī)通過(guò)DRIVE-CliQ總線連接，可以通過(guò)一根DRIVE-CliQ通訊線實(shí)時(shí)獲取伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度、電流等數(shù)據(jù)，極大簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線工作。

3 伺服電機(jī)的計(jì)算及選型

3．1 拉拔機(jī)設(shè)備所需要的關(guān)鍵參數(shù)如下。

拉拔速度(max)：10 m/min

快退速度(max)：24 m/min

卷筒直徑：500 mm

減速機(jī)傳動(dòng)比：63

總拉力：150 kN

3．2 拉拔機(jī)伺服電機(jī)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)設(shè)備所需關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)要求(如圖2所示)，對(duì)拉拔機(jī)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

圖2 拉拔機(jī)伺服電機(jī)原理示意圖

拉拔電機(jī)力矩計(jì)算：

T=F×L(理想狀態(tài))

T理想=2 381×0.25=595.25 Nm

考慮各環(huán)節(jié)效率，經(jīng)查表得到如下系數(shù)：

cosφ(電機(jī))=0．87

η1(減速機(jī))=0．975

η2(聯(lián)軸器)=0．98

η3(卷筒)=0．98

η4(鋼繩)=0．98

將上述值代入公式

拉拔電機(jī)功率計(jì)算：

P2=F×V(理想狀態(tài))

P2=150 000×0.166 66=25 000 W

將各環(huán)節(jié)效率值代入公式

拉拔電機(jī)速度計(jì)算：

V1(拉拔速度max)=10 m/min

V2(快退速度max)=24 m/min

D(卷筒直徑)=0．5 m

減速機(jī)速比=63

拉拔時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速

快退時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速

經(jīng)以上計(jì)算，得到拉拔伺服電機(jī)的參數(shù)如下。

額定電壓：AC 380V

額定轉(zhuǎn)矩：745．58 Nm

額定功率：31．31 kW

拉拔轉(zhuǎn)速：401．3 r/min

快退轉(zhuǎn)速：963．1 r/min

3．3 拉拔機(jī)伺服電機(jī)選型

綜合現(xiàn)場(chǎng)使用工況，本拉拔設(shè)備電機(jī)選用西門(mén)子SIMOTICS 1PH8交流異步伺服主軸電機(jī)。此電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，其極寬的調(diào)速范圍特性是實(shí)現(xiàn)單臺(tái)電機(jī)同時(shí)滿足拉拔速度和快退速度的關(guān)鍵。

1PH8異步電機(jī)特性曲線如圖3所示。

圖3 特性曲線圖

最終，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選型1PH8186異步伺服主軸電機(jī)，通過(guò)比對(duì)，此電機(jī)能滿足設(shè)計(jì)需求。電機(jī)部分標(biāo)牌參數(shù)如下。

額定電壓：AC 400V

額定轉(zhuǎn)矩：752 Nm

額定功率：31．5 kW

額定轉(zhuǎn)速：400 r/min

最高轉(zhuǎn)速：1 900 r/min

同時(shí)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，還實(shí)現(xiàn)了電機(jī)內(nèi)置抱閘及DRIVE-CliQ接口編碼器等功能，進(jìn)一步減小了設(shè)備的場(chǎng)地使用面積。

4 結(jié)論

直式鋼繩拉拔機(jī)應(yīng)用伺服電機(jī)，利用交流異步伺服主軸電機(jī)極寬速度范圍的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)電機(jī)同時(shí)具備拉拔和快退能力，從而簡(jiǎn)化了直式鋼繩拉拔機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少了設(shè)備占地面積和維護(hù)工作量，降低了設(shè)備故障率和安全隱患。同時(shí)，采用的全自動(dòng)控制系統(tǒng)在讓操作人員的工作強(qiáng)度明顯下降的同時(shí)，還通過(guò)保護(hù)邏輯程序避免了因人為原因造成的誤操作。

這種新型結(jié)構(gòu)的直式鋼繩拉拔機(jī)已在某材料研究院投產(chǎn)應(yīng)用，至今三年多的生產(chǎn)運(yùn)行證明：該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、操作便捷，產(chǎn)品品質(zhì)得到較大提升，為用戶帶來(lái)了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。