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伺服電機在點陣式自動噴標機中的應用

伺服電機在點陣式自動噴標機中的應用

2003/11/24 0:00:00
摘要:介紹了伺服電機在點陣式自動噴標機中的應用,選型和位置控制理論,并對其位置環和速度環進行了分析,給出了相應的參數設置和調節后的曲線。

關鍵詞:位置控制,轉動慣量,PI控制
The application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine
WEI Ai-yu ,LIU Yuan-kai ,XU Ai-quan ,XIANG Zhan-qin
(Institute of Manufacturing Engineering, Zhejiang university , Hangzhou 310027)

Abstract: This paper introduces the application of servo motor in dot-matrix Jet Printing Machine. We pay attention to discuss the selection of the servo motor and the position control theory, analyze the position loop and velocity loop . At last we give the calculator of related parameters and regulated graph.

Key words: position control, moment of inertia ,PI control

1 前言
在鋼鐵行業中,為了實現質量管理和質量跟蹤,產品進入市場必須在產品表面按一定格式寫上標號,如石油套管要求以美國石油學會標準API SPEC 5CT進行標號。浙江大學生產工程研究所開發了點陣式鋼管噴標機,并在國內鋼管生產企業投入使用,取得很好的效果。噴標要達到的主要技術指標如下:
1)字跡清楚,附著力強,點徑1mm~2mm;
2)噴字大小連續可調:9mm×7mm~48mm×32mm(高×寬);
3)噴標速度對標準字體36mm×12mm,可在0到80米/分鐘之間調節。

2 系統設計
為了保證系統的可靠性,采用模塊化設計,分為噴頭、噴頭控制系統、伺服運動控制系統,附屬機構等。系統以PLC為核心,協調整個工作過程。本文著重介紹伺服運動控制系統的設計及實現。



該伺服運動控制系統的工作原理是:步進梁將鋼管搬上臺架,PLC檢測到鋼管到位后,由PLC伺服定位模塊發送控制脈沖,經過信號轉換卡轉換后傳送到伺服放大器,然后伺服放大器經過位置控制后控制伺服電機,帶動小車和噴頭運動,把上位機發送過來的字符噴印在鋼管表面上,噴印完成以后,將數據寫入數據庫。

在本系統中,由于噴印要求定位精度高、快速,并且啟動頻繁,我們選擇用交流伺服電機驅動噴印小車。其閉環控制系統對執行情況進行實時檢測,將信息及時反饋到控制端,因此中間環節及外界擾動影響比較小,精度相對要高很多,而它附帶的數字化伺服軟件能夠很好地滿足要求,而且內設位置環可和多種上位控制機相配接。
本系統中伺服電機的選取和控制方式的選擇是關鍵問題。

3 伺服電機的選取
3.1慣量匹配
由于伺服電機的運行性能依賴于負載和電機慣量的匹配,為了滿足系統靈敏性和穩定性的要求,負載慣量JL應限制在電機慣量JM的15倍之內。等效轉動慣量算法如下:





4 伺服電機的控制
伺服電機的運行性能不僅依賴于所帶的負載,而且跟控制方式、控制脈沖密切相關。
4.1 位置控制模式
MR-JS-200A伺服放大器提供了位置控制模式、速度模式、轉矩模式、位置/速度、位置/轉矩、速度/轉矩等運行模式。噴標機的主要任務是定位噴標位置,達到規定的精度要求。因此我們設定位置控制模式來控制伺服電機。







當伺服電機帶動負載從一點運動到另一點時,為了保證運動的平穩和準確定位,在起動和停止時要進行加減速控制。
本系統的位置控制模式中,為了保證每次噴印距離的準確性,采用了伺服電機的位置斜坡功能,對位置指令加減速時間常數進行了設定,控制伺服電機的起調時間。通過此功能使同步編碼器發出指令后,即使是在伺服電機處于運行時啟動,同步運行也可以平穩地開始。還由于采用閉環控制,編碼器隨時可以檢測脈沖的差值,返回到輸入端,參與系統的控制,使定位準確,精度高。位置指令采用階躍輸入時的運行圖如圖3所示。


為了保證每次噴印距離不變,不產生累積誤差,系統采用了原點定位的功能。在每次開機工作時,需要進行一次原點定位,保證了每批鋼管的噴標位置一樣。根據所設的位置控制原理,電機在碰到原點定位的傳感器后,減速運行,等待PLC檢測到編碼器返回的零點脈沖,再轉動一轉第二次檢測到這個脈沖后,在原點停止,定位成功。然后開始噴印循環操作。

(6)實際調試的結果
根據現場的調試,系統達到較好性能的參數結果如下:Kp=13,Kv=691,Ti=70。實際調試設定開始噴印點在1100mm,噴印字符長度150mm,則理想反噴起始點為1250mm。實際調試PLC程序得到的反噴距離:低速20m/min為1250.08mm,中速40m/min為1250.09mm,高速80m/min為1250.092mm。其重復精度達到了0.1mm。

5 結束語
鋼管噴標機已經在工業現場使用,根據上述的理論設計的噴標小車起動、停止平穩,噪聲小,正反兩次噴印出來的字的重合度很好,字體的重復位置精度可以達到0.1mm。實際噴印效果如圖5所示。(注:圖中鋼管上的色條帶是拍攝時反光所致,非實際噴印效果。)



參考文獻:
1.三菱通用交流伺服系統伺服放大器技術資料集 2001
2.胡國清 機電控制工程理論與應用基礎[M] 北京:機械工業出版社 1997.9
3.楊渝欽 控制電機[M] 天津大學 1996
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