西門子611U伺服系統(tǒng)在460輥鍛機(jī)中的應(yīng)用

1、西門子611u伺服系統(tǒng)在460輥鍛機(jī)中的應(yīng)用作者：林麗公司名稱：東風(fēng)鍛造有限公司裝備部技術(shù)組 湖北十堰摘要：460輥鍛機(jī)主要完成各類連桿的輥鍛工序，本文主要介紹了如何利用伺服系統(tǒng)改造其橫移動(dòng)作,并介紹了選型的計(jì)算,及其經(jīng)濟(jì)效益。主題詞：460 輥鍛機(jī) 伺服系統(tǒng) 橫移abstractthis paper introduces that how to achive the 460 rolling machine transverse using serve system.introduce the calculate of the selection the type of serve motor

2、.key words: 460 rolling machine serve system transverse一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介460輥鍛機(jī)主要完成各類連桿件的輥鍛,熱的坯料往往通過(guò)四次輥鍛進(jìn)行成型。以往輥鍛機(jī)的橫移動(dòng)作是依靠液壓系統(tǒng)的進(jìn)油及機(jī)械的反靠動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)其精確定位，但經(jīng)過(guò)幾年運(yùn)行后，液壓系統(tǒng)往往會(huì)漏油，加之反靠檔塊的損壞，會(huì)產(chǎn)生定位不準(zhǔn)確；另外液壓系統(tǒng)由于受自然環(huán)境溫度及設(shè)備工作時(shí)間的長(zhǎng)短的影響會(huì)使油溫發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致橫移定位不準(zhǔn)確。因此近些年來(lái)由于故障造成的廢品率居高不下，浪費(fèi)了大量的材料和人力物力。為此對(duì)其進(jìn)行改造勢(shì)在必行。二、方案選擇 由于設(shè)備的問(wèn)題是橫移不穩(wěn)定，且由此造成了大量的廢

3、品，所以鄙棄液壓系統(tǒng)，采用目前定位精度高，且動(dòng)作快的伺服電機(jī)進(jìn)行改造。將橫移改為伺服電機(jī)的控制，這樣可避免橫移不到位帶來(lái)的問(wèn)題，同時(shí)今后還可方便輥鍛模的設(shè)計(jì)，即四道型槽的間距可不相等。目前市場(chǎng)上較普遍的采用西門子和安川的伺服電機(jī)，而針對(duì)我公司實(shí)際，采用西門子伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：編程方便，且目前已有該編程軟件及相關(guān)的通訊電纜，因此可方便今后的維修和備件準(zhǔn)備，缺點(diǎn)是絲杠的導(dǎo)程小，要求的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速高，因此對(duì)工位件最大的移動(dòng)距離有限制，且西門子伺服電機(jī)的價(jià)格稍高。采用安川伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：伺服電機(jī)價(jià)格便宜，供貨周期短，絲杠的導(dǎo)程大，要求的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求低。缺點(diǎn)是編程困難，且無(wú)編程軟件及相關(guān)的通訊電纜

4、，位置設(shè)定困難。故仍舊采用西門子伺服電機(jī)。伺服電機(jī)選型 工位間距取s=90mm； 軋輥轉(zhuǎn)速為65rpm，軋輥轉(zhuǎn)1圈所需時(shí)間為0.92s；輥鍛模占整個(gè)軋輥的比例為1/4；(3) 手臂從前一工位移動(dòng)到后一工位所需時(shí)間t=0.92*0.75=0.69s，考慮其它動(dòng)作后，將手臂從前一工位移到后一工位所需的時(shí)間定為t=0.5s其中加速啟動(dòng)時(shí)間ta= 0.15s，勻速行走時(shí)間tb=0.15s，減速制動(dòng)時(shí)間tc=0.15s； v ta tb tc t(4) 參加橫移的機(jī)構(gòu)總重為320kg；(5)手臂橫向行走是滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠直徑dms=40mm，導(dǎo)程p=10mm，導(dǎo)套摩擦系數(shù)=0.15。1.首先計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)

5、子慣量jm初定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為n=3000rpm，則角速度=2n/60=314(弧度/s)因?yàn)榭傂谐?s= (1) 其中v是勻速行走速度將tc=ta代入公式(1)得到橫向勻速行走速度0.09/0.3=0.3(m/s)因?yàn)榻z杠由電機(jī)直給，當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，橫向?qū)嶋H行走速度v=np/60=30000.01/60=0.5(m/s)，所以轉(zhuǎn)速為3000可以滿足要求。負(fù)載慣量 (2)由公式(2)算出負(fù)載慣量jl320(0.5/314)2=8.1110-4(kgm2)允許負(fù)載慣量為5倍以下，即jl5jm，則jmjl/5=1.6210-4(kgm2)選取西門子伺服電機(jī)1fk7083-5af71-1aa0

6、，轉(zhuǎn)子慣量jm為27.310-4(kgm2)，滿足以上要求。2.驗(yàn)算電機(jī)額定扭矩和最大輸出扭矩 首先計(jì)算折算到電機(jī)軸的負(fù)載扭矩tl， (3) 其中tf是導(dǎo)套摩擦折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩，ms是滾珠絲杠摩擦折算效率，導(dǎo)套摩擦折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩 (4) 式(4)中是傳動(dòng)效率，取=0.9根據(jù)公式(4)算出導(dǎo)套摩擦折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩 滾珠絲杠摩擦折算效率 (5) 由公式(5)算出滾珠絲杠摩擦折算效率 那么根據(jù)公式(3)折算到電機(jī)軸的負(fù)載扭矩tl0.83/0.926=0.896(nm) 再計(jì)算加減速扭矩ta (6)根據(jù)公式(6)中tac是加減速時(shí)間常數(shù)，按前面假設(shè)tactata0.15s加減速扭矩ta= 7.

7、41(nm)下面計(jì)算瞬時(shí)最大扭矩：加速時(shí)扭矩ta=ta tl=7.410.896=6.516(nm)勻速時(shí)扭矩tb=tl=0.896(nm)減速時(shí)扭矩tc=ta+tl=7.41+0.896=8.306(nm)實(shí)效扭矩 (7)由公式(7)算出實(shí)效扭矩trms=6.12 (nm) 所選西門子電機(jī)的額定扭矩tm=10.5nmtrms，故合格；伺服電機(jī)最大輸出扭矩tmax=16nm，實(shí)際瞬時(shí)最大扭矩ta6.12nmtmax8012.8nm，故合格。3.驗(yàn)算加速時(shí)間和減速時(shí)間加速時(shí)間 0.17(s)減速時(shí)間 =0.133(s)加速段行程0.5*0.3*0.170.0255(m)減速段行程0.5*0.3*

8、0.1330.02(m)勻速行走時(shí)間(0.09-0.0255-0.02)/0.30.148(s)那么手臂前一工位移到后一工位的實(shí)際所需時(shí)間tta+tb+tc=0.17+0.133+0.148=0.45(s)，與前面假設(shè)吻合，故所選伺服電機(jī)型號(hào)合適。結(jié)論：橫向行走可以選用西門子伺服電機(jī)1fk7083-5af71-1aa0，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，額定扭矩為10.6nm4、核算橫向最大移動(dòng)間距 工位間距取s=90mm； 軋輥轉(zhuǎn)速為65rpm，軋輥轉(zhuǎn)1圈所需時(shí)間為0.92s； 輥鍛模占整個(gè)軋輥的比例為1/4； 手臂從前一工位移動(dòng)到后一工位所需時(shí)間t=0.92*0.75=0.69s，將手臂從前一工位移

9、到后一工位所需的時(shí)間最長(zhǎng)不超過(guò)t=0.69s其中加速啟動(dòng)時(shí)間ta= 0.2s，勻速行走時(shí)間tb=0.2s，減速制動(dòng)時(shí)間tc=0.2s； v ta tb tct5 參加橫移的機(jī)構(gòu)總重為320kg；6手臂橫向行走是滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠直徑dms=40mm，導(dǎo)程p=10mm，導(dǎo)套摩擦系數(shù)=0.15。工位間距設(shè)為s=120mm。1.電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為n=3000rpm，則角速度=2n/60=314(弧度/s)因?yàn)榭傂谐?s= (1)將tc=ta代入公式(1)得到橫向勻速行走速度0.12/0.4=0.3(m/s)因?yàn)榻z杠由電機(jī)直給，當(dāng)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，橫向?qū)嶋H行走速度v=np/60=30000.01/60

10、=0.5(m/s)，所以轉(zhuǎn)速為3000可以滿足要求。負(fù)載慣量 (2)由公式(2)算出負(fù)載慣量jl320(0.5/314)2=8.1110-4(kgm2)允許負(fù)載慣量為5倍以下，即jl5jm則jmjl/5=1.6210-4(kgm2)選取西門子伺服電機(jī)1fk7083-5af71-1aa0，轉(zhuǎn)子慣量jm為27.310-4(kgm2)，滿足以上要求。2、驗(yàn)算電機(jī)的額定扭距和最大輸出扭距方法同上，結(jié)果同上。=0.83nm tl0.896(nm)再計(jì)算加減速扭矩ta (6)加減速扭矩ta= 5.56(nm)下面計(jì)算瞬時(shí)最大扭矩：加速時(shí)扭矩ta=ta tl=5.560.896=4.66(nm)勻速時(shí)扭矩t

11、b=tl=0.896(nm)減速時(shí)扭矩tc=ta+tl=5.56+0.896=6.456(nm)實(shí)效扭矩 (7)由公式(7)算出實(shí)效扭矩trms=4.646 (nm) 所選西門子電機(jī)的額定扭矩tm=10.5nmtrms，故合格；伺服電機(jī)最大輸出扭矩tmax=16nm，實(shí)際瞬時(shí)最大扭矩ta4.646nmtmax8012.8nm，故合格。驗(yàn)算加速時(shí)間和減速時(shí)間加速時(shí)間 0.238(s)減速時(shí)間 =0.172(s)加速段行程0.5*0.3*0.2380.0357(m)減速段行程0.5*0.3*0.1720.0258(m)勻速行走時(shí)間(0.12-0.0357-0.0258)/0.30.195(s)那么

12、手臂前一工位移到后一工位的實(shí)際所需時(shí)間tta+tb+tc=0.238+0.172+0.195=0.61(s)與前面假設(shè)吻合。手臂前一工位移到后一工位的實(shí)際最大距離s=sa+sb+sc=0.0595+0.043+0.1=0.205(m)，即相鄰兩道間的最大距離為120mm。三、系統(tǒng)構(gòu)成及功能實(shí)現(xiàn)1、伺服控制系統(tǒng)對(duì)西門子伺服電機(jī)可采用611a和611u兩種控制方式進(jìn)行控制，611a為模擬式的控制系統(tǒng)，控制復(fù)雜，且需要輸入模擬信號(hào)，故控制復(fù)雜，611u為數(shù)字式控制系統(tǒng)，控制簡(jiǎn)單，伺服電機(jī)的位移可直接用數(shù)字顯示，且控制簡(jiǎn)單。首先介紹的是伺服驅(qū)動(dòng)模塊的外部接線圖，包括了電機(jī)的接線圖、及部分控制系統(tǒng)的外部

13、信號(hào)的接線圖。信號(hào)包括有原點(diǎn)、手動(dòng)按鈕、復(fù)位及故障報(bào)警等信號(hào)。611u的系統(tǒng)的控制元件采用了simocomu軟件，為此首先對(duì)硬件組態(tài)，組態(tài)畫(huà)面如下： 其次對(duì)機(jī)械部分的各個(gè)構(gòu)成進(jìn)行組態(tài)，特別是絲杠的導(dǎo)程，在實(shí)際調(diào)試中，由于伺服電機(jī)的連軸節(jié)及原點(diǎn)的位置等原因，電機(jī)的運(yùn)行方向與實(shí)際的預(yù)想方向相反，為此在機(jī)械部分設(shè)定中，對(duì)設(shè)定點(diǎn)的位置值取反，以便改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。對(duì)機(jī)械部分要進(jìn)行設(shè)置，為減少伺服電機(jī)的報(bào)警及過(guò)載，要適當(dāng)?shù)卦O(shè)置其最大速度及加減速，由于伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分鐘，故最大轉(zhuǎn)速設(shè)定為3000，而加減速通過(guò)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，若加減速轉(zhuǎn)速數(shù)值過(guò)小，則工位間的移動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，可能導(dǎo)致在輥鍛時(shí)，

14、未完成橫移，若加減速轉(zhuǎn)速的數(shù)值過(guò)大，可能導(dǎo)致在加減速過(guò)程中伺服電機(jī)過(guò)載報(bào)警，在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，預(yù)先設(shè)置為1200，可以正常工作，考慮伺服電機(jī)工作的穩(wěn)定性及動(dòng)作完成的時(shí)間，故設(shè)置為1000。第三是定義611u伺服驅(qū)動(dòng)模塊的各個(gè)輸入點(diǎn)的功能，功能如下面的圖表所示。主要是設(shè)置了找原點(diǎn)、手動(dòng)前進(jìn)、手動(dòng)后退、各個(gè)步進(jìn)塊等的輸入功能和參考點(diǎn)到位、報(bào)警等的輸出功能。輸入部分：輸出部分：最后是要對(duì)傳送塊做定義，各個(gè)傳送塊就是橫移時(shí)，伺服電機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)，要求每步以何速度、以何方向，所需要走到的位置值的塊。每個(gè)塊前的塊號(hào)對(duì)應(yīng)程序中的執(zhí)行的步號(hào)。2、程序控制本控制系統(tǒng)采用的西門子s7-300系列的plc，考慮其功

15、能要求及經(jīng)濟(jì)性，采用的cpu是312。下圖為plc的接線圖：下面對(duì)程序中伺服電機(jī)控制部分的程序進(jìn)行說(shuō)明:上面的程序可以看出，當(dāng)將w#16#1送入qb105后，就使q105.0導(dǎo)通了，從而使q0.4導(dǎo)通，由于在伺服系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)定了各個(gè)輸入點(diǎn)對(duì)應(yīng)的程序塊，所以通過(guò)simocum0，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)選擇程序塊1，依次類推，將w#16#2送入qb105后，就使q105.1導(dǎo)通了，從而使q0.5導(dǎo)通，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)選擇程序塊2，由于w#16#4為16進(jìn)制數(shù)，所以將該數(shù)值送入qb105后，就使q105.2導(dǎo)通了，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)選擇程序塊4，w#16#8為16進(jìn)制數(shù)，所以將該數(shù)值送入qb105后，就使q

16、105.3導(dǎo)通了，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)選擇程序塊8。伺服驅(qū)動(dòng)在根據(jù)不同的程序塊內(nèi)的數(shù)值，控制伺服電機(jī)運(yùn)行到不同的位置值，從而最終實(shí)現(xiàn)全部動(dòng)作。四、系統(tǒng)的配置及經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果及程序編制，現(xiàn)將系統(tǒng)的配置圖繪制如下：元件名稱訂貨號(hào)數(shù)量單位金額電源模塊6sn1146-1ab00-0ba11塊驅(qū)動(dòng)模塊6sn1123-1aa00-0ba11塊參數(shù)板6sn1118-1nh01-0aa01塊接線端子模塊6sn1114-0na00-0aa01塊電機(jī)電纜6fx5002-5ca01-1ba01根編碼器電纜6fx5002-2ca31-1ba01根西門子伺服電機(jī)1fk7083-5af71-1aa01臺(tái)西門子

17、電源模塊6es7 307-1ba00-0aa01塊西門子s7-300的cpu6es7 312-1ad10-0ab01塊西門子輸入模塊6es7 321-1bh02-0aa02塊西門子輸出模塊6es7 322-1bh01-0aa01塊電源模 塊6sn1146-1ab00-0ba1驅(qū)動(dòng)模塊6sn1123-1aa00-0ba1參數(shù)板6sn1118-1nh01-0aa0接線端子模塊6sn1114-0na00-0aa0電源模塊6es7 307-1ba00-0aa0cpu6es7 312-1ad10-0ab0輸入模塊6es7 321-1bh02-0aa0輸入模塊6es7 321-1bh02-0aa0輸出模塊6es7 322-1bh01-0aa0伺服電機(jī)1fk7083-5af71-1aa06fx5002-5ca01-1ba06fx5002-2