VEC-VBF伺服应用于钢管定尺飞锯机

一、 引言 
在企业已经全球化的同时，各行各业的竞争也越来越激烈，各种行业机械的效能评比标准也逐渐地大幅提高。客户在评估一台加工机械的效能时，不但要检验产出成品的精准度是否合格；同时更要计算每台机械每分钟的生产效率是否比竞争者更快更高。因此，探讨机械动作设计的合理化显得尤为重要。高频无缝焊管后段的飞锯的控制系统过去一直依赖进口产品，价格贵，货期长，且服务不及时，随着现代控制技术特别是电力电子产品技术突飞猛进的发展，使飞锯控制系统的解决方案变得“简单易行”，基本上打破了过去长期整机依赖进口的局面。本文阐述深圳市威科达科技有限公司生产的VEC-VB追剪专用型在飞锯行业的应用。 

二、 钢管飞锯现状 
中国的钢管飞锯行业普遍采用以下三种方式完成高频无缝焊管后段的飞锯： 
1、 运动控制器+直流驱动器+直流电机 
2、 运动控制器+变频器+三相异步电机 
3、 运动控制器+伺服驱动器+伺服电机 
4、 专用型伺服驱动（内置运动控制器）+伺服电机（或异步电机） 
第一种方式历时最久，优势在于取代了走停式静太裁切，提高了锯切速度和精度；缺陷在于直流电机维护多、维护成本高。 
第二种方式用交流系统取代了直流系统，不仅具备直流系统的优势，同中降低了成本，减少了维护费用；但在精度和速度上逊色于第三种方式。 
第三种方式优于前两种方式，一方面保证了锯切精度，另一方面提高了锯切速度，后期使用的维护费用也低，但整体造价高。 
第四种方案中的专用型伺服驱动器是将原来的运动控制器写成软件集成在伺服驱动器内，使“运动控制器”部分的故障率降为零，不仅完全具备第三种方式的全部优势，还具有造价低、供货快、服务及时等优势。 
三、工作原理 
(1) 机械基本架构 
在生产钢管的生产线上，成品是连续不断的生产出来的，成品且是硬性的材质，必须将连续送来的材料，立刻裁切成一段段固定长度的成品。这时，便需要应用“往复式同步动态裁切”的技术，或者称之为“往复式飞剪(Reciprocal Fly Shear)”。因为在裁切的过程中(大约0.1~1秒)，如果硬质材料与刀具之间有相互的位置变动，将会对刀具造成伤害;同时也势必影响成品的质量。 
采用如图1所示的“往复式飞剪”机械结构，便是解决这种问题的最佳方案。本机械结构的裁切刀具并不是安置于固定点，而是安装于可以移动的“切台”上。透过导螺杆，“切台”的位置由伺服马达带动;因此，在整个裁切的过程中，控制器可以随时控制切台的移动速度与位置，让刀具与材料的相对位置永远维持固定。运用这种方式才能确保每一个成品的定长精度及切口平整度，同时还能延长刀具的使用寿命。

图1 往复式同步动态裁切的系统架构 

(2) 往复式飞剪系统的基本组成单元及其功能 

a)往复式飞剪专用控制驱动系统(VEC-VBF) (Programmable Drive System-Fly Saw mode): 

接受PLC及HMI输入的运转命令及长度设定; 

检测测量轮编码器传回的脉波，以获得进料速度及进料长度; 

控制伺服马达的运转速度及同步定位动作; 

激活切刀(锯片)加工装置。 

b) HMI(Human Machine Interface):(人机接口) 

接受设定资料及显示运转状态 

c) PLC:(可编程程序控制器) 

处理基本的接口、互锁、连动信号 

d) Servo Motor:(无刷伺服马达或感应伺服马达) 

带动导螺杆的正逆转动或停止 

e) Ball-Screw:(导螺杆或齿排) 

带动切台往复运动及停止 

f) Carriage with Cutting Mechanism:(锯台或切台) 

包含切刀(锯片)加工装置之移动基台 

g) Measure Roll with Encoder:(附编码器的测量轮) 

直接紧密的接触待切材料，靠材料的横移而带动编码器产生脉冲信号 

(3) 运行速度曲线(如图2所示)。 

(4) 切台移动速度与加工动作的时序说明 

图2 VEC-VBF系统基本运行速度曲线- 
图2中，上下起伏的实线，清楚的表示出整个裁切循环过程中，切台运行的速度曲线;而平直的虚线则代表稳定的进料速度。整个循环分成五个不同的状态，分析如下: 
a) 待机状态(Standby) 
在一个循环开始时，若送料总长度尚未达到指定裁切长度，即属于待机状态。VEC-VBF随时检测输入材料的长度及当时送料速度。采取前置量检测法，若长度到达前置量，则立刻指挥伺服马达激活，进入加速状态。 
b) 加速状态(FrampUp) 
送料持续进行，VEC-VBF在检测输入材料的长度及当时送料速度的同时，并指挥伺服马达依照S曲线加速至与进料速度同步;务求在进入同步速度的瞬间，裁刀与材料的动态相对位置已经整定完成。接着便进入同步状态。 
c) 同步状态(SyncZone) 
一旦进入同步状态，VEC-VBF立刻送出同步信号(SYNC)给裁刀控制机构，要求执行切断动作。同时，VEC-VBF 依然持续侦测进料长度及进料速度，随时保持切刀与材料之间的动态相对位置永远不变;如此才能确保裁切断面的平整。当裁切完成之后，切刀自动退出，并发出裁切完成信号(CUT-END)。VEC-VBF接收到本信号，则不再继续维持同步，立刻进入减速状态。 
d) 减速状态(FrampDown) 
VEC-VBF指挥马达依照S曲线减速直到完全停止。同时，仍然持续侦测并累计进料长度。一旦马达完全停止，VEC-VBF立刻将切台现在的位置记录为本次裁切的最远行程。接着立刻进入回车状态。 
e) 回车状态(ReturnHome) 
回车状态其实可以看成是“NC走停式定长送料”的标准动作程序。回车过程中，VEC-VBF仍持续侦测并累计进料长度。回车完成之后系统自动进入待机状态，等待下一循环的开始。

四、系统主器件选型注意事项 
VEC-VBF追剪系统基本架构中所需的主要组件是（请参考图1系应用之基本图）： 
1. 同步伺服或感应伺服电机。 
必须依据系统扭力的需要，包括伺服电机、机械系统自身的惯量、效率、摩擦损耗等因素来选定适当的形式及功率。 
一般选择电机时需注意： 
1） 低惯量 
惯量愈低愈好，否则会损耗许多扭力去克服自身的惯量。 
2）适当的额定转速及减速比 
选定电机规格时应配合减速机构一并考虑，最佳的匹配是当电机运行于最高转速时，即是机台切刀的最高合理运转速度（考虑机械的承受力，及实际应用上的要求）。尤其是当选用的是感应式异步电机加装编码器的方式搭配时，更是要考虑适当的减速比及电机的转速配置；因为一般的异步电机的扭力输出效率最大的区间是在额定转速区附近，在较低的转速区扭力输出效率相对较差；故若选择1500rpm的电机，实际上仅运转于约500~600rpm的速度区间，那么就必须改变减速比，使得电机运转于1100~1400rpm，或改用750rpm的电机来使用，如此才能发挥电机应有的扭力输出效率。 
3）若能采用标准伺服电机，则将比使用一般感应式异步电机有更好的表现。 
2. VEC-VBF驱动器。 
必须依据系统可能的最大扭力需要选定的伺服电机的最大电流额定来选定。驱动器必须有回升放电功能，可以外接放电电阻（内含放电回路的机型）或外加煞车制动器再接放电电阻（无放电回路的机型）；详细内容请咨询本公司技术服务咨询人员。 
3. 主线速度测量编码器。 
依据精度要求及机械参数来选定。 
编码器的选定规格需注意： 
1）工作电压5V 
2）输出部是线驱动（Line Drive），差动式信号，增量型。 
3）有A，/A，B，/B的信号。 
4）配合测量轮的外径及减速比，测量精度需能合乎裁切精度的要求。若采用1024ppr的编码器，配合圆周为400mm的测量轮，增速比是1的话，其测量精度是(400/1024)*2=0.78mm，可应用于±1mm精度要求的测量，但不适用于±0.8mm以下精度要求的测量。要提高测量精度，则必须提高编码器精度，或增加增速比，以提高单位长度中的脉波输出量。 
4. 人机界面。 
可规划适合的操作画面，以便于资料输入，动作切换，系统监视。上述基本组件即可达成VEC-VBF追剪系统最直接、经济的操控需求

五、结束语 
VEC-VBF系列追剪专用型伺服配异步电机精度可达2MM以内，速度可达90M/MIN；VEC-VBF系列追剪专用型伺服配同步永磁电机精度可达1MM以内，速度可达120M/MIN。专用型伺服在钢管定尺飞锯行业的成功应用具有深远意义，同时具有广阔的发展前景。