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
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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