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包米勒伺服系統在飛剪機上的應用
上海高威科電氣技術有限公司 呂一
摘要：本文介紹了包米勒公司的伺服驅動系統，通過針對飛剪應用開發的功能模塊，實現對鋼筋進行高速、高精度的定長剪切。本文描述了包米勒飛剪控制的關鍵技術。
關鍵詞：飛剪 包米勒 鋼筋橫切
1 飛剪應用介紹
飛剪應用于鋼鐵加工行業，是指在鋼筋送料過程中驅動剪切刀運動實現鋼材的定長剪切。因為飛剪運動在剪切過程中不需停止送料，并能在加工過程中自由修改剪斷長度和送料速度，所以大大提高鋼筋剪切的加工效率。
包米勒提供全系列大功率范圍的同步/異步伺服電機以及高性能B maXX 系列伺服驅動器。B maXX系列伺服驅動器由驅動級PLC 控制，該驅動級PLC 通過背板總線與伺服驅動器快速同步存取/訪問數據，并支持IEC 61131-3 多任務實時操作系統。Baumueller 公司專為飛剪、旋切和追剪等應用開發了系列功能塊，方便實現這三類應用。
2 系統結構
圖1 包米勒飛剪應用系統機構
圖1 為包米勒飛剪應用的系統構成。其送料單元由送料驅動系統控制，負責平穩無打滑的送料；剪切單元由剪切伺服系統控制，它根據設定的切斷長度和送料的速度，驅動剪切刀對鋼筋進行定長剪切。伺服系統控制參數如切斷長度、送料速度等由人機界面輸入；材料的速度和位置由編碼器反饋到剪切驅動系統。編碼器信號來源分為被動式和主動式：
􀁺 被動式：由安裝在測量輪上的編碼器反饋材料速度和位置；
優點是測量輪由材料帶動旋轉，檢測值為材料的實際速度和位置；缺點是信號波動較大。
􀁺 主動式：由送料電機編碼器反饋材料速度和位置；
優點是信號平穩，波動小；缺點是當材料與送料輪之間打滑時送料電機編碼器反饋信號不能準確反應材料實際速度和位置。
3 包米勒旋切、飛剪模塊
包米勒用于飛剪的主要功能塊如下：
TM_SyncRot_Init：根據控制要求初始化旋切/飛剪功能；
TM_SyncCam_Init：設置同步區的曲線；
TM_MasterEncoder：根據編碼器反饋值計算出材料的速度和位置；
TM_SyncRot：根據材料的速度和位置生成當前軸的位置設定值和速度設定值；
TM_DriveEncoder：根據轉速設定值控制當前軸的運動。
此外，包米勒在控制剪切刀飛剪運動的基礎上，還能實現一些特殊的工藝要求，如在同步區剪切速度與送料速度之間存在固定的比例；設定加減速切換點；套色標剪切等。
4 運動方式
剪切單元采用偏心軸方式傳動，并采用機械同步定位軸，保證上下兩個刀座定向、同速、定位，使剪切刀固定刀座作回轉運動。其中剪切刀速度和送料速度同步的區域稱為同步區，同步區內上下刀刃咬合的區域為剪切區域，同步區之外的運動區域稱之為補償區。
包米勒飛剪應用中剪切刀運動軌跡分為同步區和補償區，其運動方式也分為同步運動和補償運動。同步運動為剪切電機在同步區與材料速度和位置實現同步，其間上刀刃和下刀刃咬合，完成對鋼板的剪切過程；而離開同步區后，根據切斷長度的不同，剪切刀需要加速或者減速來補償，以適用不同的切斷長度，即為補償運動。根據切斷長度的不同，有三種不同的補償運動方式：
1) 長料切斷
剪斷長大于兩倍刀刃周長情況下，在剪切周期中刀刃在剪斷動作完成后減速并停止在設定點，然后加速進入同步區。
2) 中料切斷
剪斷長大于刀刃周長但小于兩倍刀刃周長情況下，剪斷動作完成后減速但不停止在設定點，過設定點加速進入下一次剪切。
3) 短料切斷
剪斷長小于刀刃周長情況下，剪斷動作一旦完成馬上加速到設定點，然后減速進入下一次剪斷。
5 在飛剪項目上的應用
當未設置同步區附加曲線時，剪切刀的默認運動方式為旋切，剪切刀在同步運動時剪切刀轉速和送料速度一致，在中料切斷時的曲線實測如下：
圖2 旋切運動曲線
但是對于鋼筋剪切，假如剪切刀在同步運動時剪切刀轉速和送料速度一致，則在剪切時剪切刀在送料方向上的分量與送料速度不一致，將會造成堵住鋼筋或者拖拽鋼筋的情況，所以切割鋼筋時需要剪切刀速度在送料方向的分量和送料速度在同步區一致。這時需要在同步區附加一段曲線來實現上述功能。
同步區運動的數學模型如圖3，其中r= 60mm（ r 為偏心軸半徑）， ϕ sync =80°（0°～80°為同步區），ϕ cut = 60°（10°～70°為剪切區域），同步區之外的區域為補償區。這里同步區大于剪切區域，是因為需要有一定距離來平滑速度的變化，否則會造成較大的機械沖擊。
圖3 同步區運動模型
材料在同步時運動的長度： Ssync=2rsin()=77.135mm (1.1)
材料在剪切時運動的長度： Scut=2rsin()=77.135mm (1.2)
設定材料進入同步區的位置為原點，則：
剪切起始位置： xOcut= = 8.567mm (1.3)
剪切結束位置： x1cut =Ssync−x0cut=68.567mm (1.4)
可得關系式： a(x)=arcsin()+ (8.567 ≤ x ≤ 68.567)(1.5)
其中 α(x)－剪切刀在同步區的角度；
x －材料在同步區的位置；
r －剪切刀半徑；
速度關系式： = (8.567 ≤ x ≤ 68.567) (1.6)
為了讓剪切刀實現平滑的加減速運動，在同步區的0°～10°、70°～80°各附加一段過渡曲線，以使速度平滑過渡，減小機械沖擊，附加過渡曲線后的同步區剪切刀速度曲線如下：
圖4 同步區運動曲線
添加同步區曲線后，在中料剪切時完整的剪切刀速度曲線實測如圖5 所示，該運動曲線能完全滿足飛剪運動控制需求，且機械沖擊小，控制精度高。
圖5 飛剪運動曲線
5 結論
經過測試運行，機床運行狀態正常穩定，剪切口平整，在不同的剪切長度和高速送料時都達到了良好的精度，大大提高了客戶的生產效益。
參考文獻：
[1] 包米勒飛剪功能說明書.包米勒公司.2005,9.
[2] 葛延津,高峰,陳棟.飛剪速度基準的研究.東北大學學報(自然科學版),2003,12.
[3] 常新宇,王瑞,趙旭.新型鋼板切割的飛剪技術開發.機電產品開發與創新.2006,5.
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