一、 引言
在企業(yè)已經(jīng)全球化的同時(shí)，各行各業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，各種行業(yè)機(jī)械的效能評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)也逐漸地大幅提高。客戶在評(píng)估一臺(tái)加工機(jī)械的效能時(shí)，不但要檢驗(yàn)產(chǎn)出成品的精準(zhǔn)度是否合格；同時(shí)更要計(jì)算每臺(tái)機(jī)械每分鐘的生產(chǎn)效率是否比競(jìng)爭(zhēng)者更快更高。因此，探討機(jī)械動(dòng)作設(shè)計(jì)的合理化顯得尤為重要。高頻無(wú)縫焊管后段的飛鋸的控制系統(tǒng)過(guò)去一直依賴進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格貴，貨期長(zhǎng)，且服務(wù)不及時(shí)，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)特別是電力電子產(chǎn)品技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，使飛鋸控制系統(tǒng)的解決方案變得“簡(jiǎn)單易行”，基本上打破了過(guò)去長(zhǎng)期整機(jī)依賴進(jìn)口的局面。本文闡述深圳市威科達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的VEC-VB追剪專用型在飛鋸行業(yè)的應(yīng)用。
二、 鋼管飛鋸現(xiàn)狀
中國(guó)的鋼管飛鋸行業(yè)普遍采用以下三種方式完成高頻無(wú)縫焊管后段的飛鋸：
1、 運(yùn)動(dòng)控制器+直流驅(qū)動(dòng)器+直流電機(jī)
2、 運(yùn)動(dòng)控制器+變頻器+三相異步電機(jī)
3、 運(yùn)動(dòng)控制器+伺服驅(qū)動(dòng)器+伺服電機(jī)
4、 專用型伺服驅(qū)動(dòng)（內(nèi)置運(yùn)動(dòng)控制器）+伺服電機(jī)（或異步電機(jī)）
第一種方式歷時(shí)最久，優(yōu)勢(shì)在于取代了走停式靜太裁切，提高了鋸切速度和精度；缺陷在于直流電機(jī)維護(hù)多、維護(hù)成本高。
第二種方式用交流系統(tǒng)取代了直流系統(tǒng)，不僅具備直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，同中降低了成本，減少了維護(hù)費(fèi)用；但在精度和速度上遜色于第三種方式。
第三種方式優(yōu)于前兩種方式，一方面保證了鋸切精度，另一方面提高了鋸切速度，后期使用的維護(hù)費(fèi)用也低，但整體造價(jià)高。
第四種方案中的專用型伺服驅(qū)動(dòng)器是將原來(lái)的運(yùn)動(dòng)控制器寫(xiě)成軟件集成在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，使“運(yùn)動(dòng)控制器”部分的故障率降為零，不僅完全具備第三種方式的全部?jī)?yōu)勢(shì)，還具有造價(jià)低、供貨快、服務(wù)及時(shí)等優(yōu)勢(shì)。
三、工作原理
(1) 機(jī)械基本架構(gòu)
在生產(chǎn)鋼管的生產(chǎn)線上，成品是連續(xù)不斷的生產(chǎn)出來(lái)的，成品且是硬性的材質(zhì)，必須將連續(xù)送來(lái)的材料，立刻裁切成一段段固定長(zhǎng)度的成品。這時(shí)，便需要應(yīng)用“往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切”的技術(shù)，或者稱之為“往復(fù)式飛剪(Reciprocal Fly Shear)”。因?yàn)樵诓们械倪^(guò)程中(大約0.1~1秒)，如果硬質(zhì)材料與刀具之間有相互的位置變動(dòng)，將會(huì)對(duì)刀具造成傷害;同時(shí)也勢(shì)必影響成品的質(zhì)量。
采用如圖1所示的“往復(fù)式飛剪”機(jī)械結(jié)構(gòu)，便是解決這種問(wèn)題的最佳方案。本機(jī)械結(jié)構(gòu)的裁切刀具并不是安置于固定點(diǎn)，而是安裝于可以移動(dòng)的“切臺(tái)”上。透過(guò)導(dǎo)螺桿，“切臺(tái)”的位置由伺服馬達(dá)帶動(dòng);因此，在整個(gè)裁切的過(guò)程中，控制器可以隨時(shí)控制切臺(tái)的移動(dòng)速度與位置，讓刀具與材料的相對(duì)位置永遠(yuǎn)維持固定。運(yùn)用這種方式才能確保每一個(gè)成品的定長(zhǎng)精度及切口平整度，同時(shí)還能延長(zhǎng)刀具的使用壽命。
圖1 往復(fù)式同步動(dòng)態(tài)裁切的系統(tǒng)架構(gòu)
(2) 往復(fù)式飛剪系統(tǒng)的基本組成單元及其功能
a)往復(fù)式飛剪專用控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(VEC-VBF) (Programmable Drive System-Fly Saw mode):
接受PLC及HMI輸入的運(yùn)轉(zhuǎn)命令及長(zhǎng)度設(shè)定;
檢測(cè)測(cè)量輪編碼器傳回的脈波，以獲得進(jìn)料速度及進(jìn)料長(zhǎng)度;
控制伺服馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及同步定位動(dòng)作;
激活切刀(鋸片)加工裝置。
b) HMI(Human Machine Interface):(人機(jī)接口)
接受設(shè)定資料及顯示運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)
c) PLC:(可編程程序控制器)
處理基本的接口、互鎖、連動(dòng)信號(hào)
d) Servo Motor:(無(wú)刷伺服馬達(dá)或感應(yīng)伺服馬達(dá))
帶動(dòng)導(dǎo)螺桿的正逆轉(zhuǎn)動(dòng)或停止
e) Ball-Screw:(導(dǎo)螺桿或齒排)
帶動(dòng)切臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)及停止
f) Carriage with Cutting Mechanism:(鋸臺(tái)或切臺(tái))
包含切刀(鋸片)加工裝置之移動(dòng)基臺(tái)
g) Measure Roll with Encoder:(附編碼器的測(cè)量輪)
直接緊密的接觸待切材料，靠材料的橫移而帶動(dòng)編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)
(3) 運(yùn)行速度曲線(如圖2所示)。
(4) 切臺(tái)移動(dòng)速度與加工動(dòng)作的時(shí)序說(shuō)明
圖2 VEC-VBF系統(tǒng)基本運(yùn)行速度曲線-
圖2中，上下起伏的實(shí)線，清楚的表示出整個(gè)裁切循環(huán)過(guò)程中，切臺(tái)運(yùn)行的速度曲線;而平直的虛線則代表穩(wěn)定的進(jìn)料速度。整個(gè)循環(huán)分成五個(gè)不同的狀態(tài)，分析如下:
a) 待機(jī)狀態(tài)(Standby)
在一個(gè)循環(huán)開(kāi)始時(shí)，若送料總長(zhǎng)度尚未達(dá)到指定裁切長(zhǎng)度，即屬于待機(jī)狀態(tài)。VEC-VBF隨時(shí)檢測(cè)輸入材料的長(zhǎng)度及當(dāng)時(shí)送料速度。采取前置量檢測(cè)法，若長(zhǎng)度到達(dá)前置量，則立刻指揮伺服馬達(dá)激活，進(jìn)入加速狀態(tài)。
b) 加速狀態(tài)(FrampUp)
送料持續(xù)進(jìn)行，VEC-VBF在檢測(cè)輸入材料的長(zhǎng)度及當(dāng)時(shí)送料速度的同時(shí)，并指揮伺服馬達(dá)依照S曲線加速至與進(jìn)料速度同步;務(wù)求在進(jìn)入同步速度的瞬間，裁刀與材料的動(dòng)態(tài)相對(duì)位置已經(jīng)整定完成。接著便進(jìn)入同步狀態(tài)。
c) 同步狀態(tài)(SyncZone)
一旦進(jìn)入同步狀態(tài)，VEC-VBF立刻送出同步信號(hào)(SYNC)給裁刀控制機(jī)構(gòu)，要求執(zhí)行切斷動(dòng)作。同時(shí)，VEC-VBF 依然持續(xù)偵測(cè)進(jìn)料長(zhǎng)度及進(jìn)料速度，隨時(shí)保持切刀與材料之間的動(dòng)態(tài)相對(duì)位置永遠(yuǎn)不變;如此才能確保裁切斷面的平整。當(dāng)裁切完成之后，切刀自動(dòng)退出，并發(fā)出裁切完成信號(hào)(CUT-END)。VEC-VBF接收到本信號(hào)，則不再繼續(xù)維持同步，立刻進(jìn)入減速狀態(tài)。
d) 減速狀態(tài)(FrampDown)
VEC-VBF指揮馬達(dá)依照S曲線減速直到完全停止。同時(shí)，仍然持續(xù)偵測(cè)并累計(jì)進(jìn)料長(zhǎng)度。一旦馬達(dá)完全停止，VEC-VBF立刻將切臺(tái)現(xiàn)在的位置記錄為本次裁切的最遠(yuǎn)行程。接著立刻進(jìn)入回車(chē)狀態(tài)。
e) 回車(chē)狀態(tài)(ReturnHome)
回車(chē)狀態(tài)其實(shí)可以看成是“NC走停式定長(zhǎng)送料”的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作程序?；剀?chē)過(guò)程中，VEC-VBF仍持續(xù)偵測(cè)并累計(jì)進(jìn)料長(zhǎng)度?；剀?chē)完成之后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一循環(huán)的開(kāi)始。
四、系統(tǒng)主器件選型注意事項(xiàng)
VEC-VBF追剪系統(tǒng)基本架構(gòu)中所需的主要組件是（請(qǐng)參考圖1系應(yīng)用之基本圖）：
1. 同步伺服或感應(yīng)伺服電機(jī)。
必須依據(jù)系統(tǒng)扭力的需要，包括伺服電機(jī)、機(jī)械系統(tǒng)自身的慣量、效率、摩擦損耗等因素來(lái)選定適當(dāng)?shù)男问郊肮β省?
一般選擇電機(jī)時(shí)需注意：
1） 低慣量
慣量愈低愈好，否則會(huì)損耗許多扭力去克服自身的慣量。
2）適當(dāng)?shù)念~定轉(zhuǎn)速及減速比
選定電機(jī)規(guī)格時(shí)應(yīng)配合減速機(jī)構(gòu)一并考慮，最佳的匹配是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于最高轉(zhuǎn)速時(shí)，即是機(jī)臺(tái)切刀的最高合理運(yùn)轉(zhuǎn)速度（考慮機(jī)械的承受力，及實(shí)際應(yīng)用上的要求）。尤其是當(dāng)選用的是感應(yīng)式異步電機(jī)加裝編碼器的方式搭配時(shí)，更是要考慮適當(dāng)?shù)臏p速比及電機(jī)的轉(zhuǎn)速配置；因?yàn)橐话愕漠惒诫姍C(jī)的扭力輸出效率最大的區(qū)間是在額定轉(zhuǎn)速區(qū)附近，在較低的轉(zhuǎn)速區(qū)扭力輸出效率相對(duì)較差；故若選擇1500rpm的電機(jī)，實(shí)際上僅運(yùn)轉(zhuǎn)于約500~600rpm的速度區(qū)間，那么就必須改變減速比，使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)于1100~1400rpm，或改用750rpm的電機(jī)來(lái)使用，如此才能發(fā)揮電機(jī)應(yīng)有的扭力輸出效率。
3）若能采用標(biāo)準(zhǔn)伺服電機(jī)，則將比使用一般感應(yīng)式異步電機(jī)有更好的表現(xiàn)。
2. VEC-VBF驅(qū)動(dòng)器。
必須依據(jù)系統(tǒng)可能的最大扭力需要選定的伺服電機(jī)的最大電流額定來(lái)選定。驅(qū)動(dòng)器必須有回升放電功能，可以外接放電電阻（內(nèi)含放電回路的機(jī)型）或外加煞車(chē)制動(dòng)器再接放電電阻（無(wú)放電回路的機(jī)型）；詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)咨詢本公司技術(shù)服務(wù)咨詢?nèi)藛T。
3. 主線速度測(cè)量編碼器。
依據(jù)精度要求及機(jī)械參數(shù)來(lái)選定。
編碼器的選定規(guī)格需注意：
1）工作電壓5V
2）輸出部是線驅(qū)動(dòng)（Line Drive），差動(dòng)式信號(hào)，增量型。
3）有A，/A，B，/B的信號(hào)。
4）配合測(cè)量輪的外徑及減速比，測(cè)量精度需能合乎裁切精度的要求。若采用1024ppr的編碼器，配合圓周為400mm的測(cè)量輪，增速比是1的話，其測(cè)量精度是(400/1024)*2=0.78mm，可應(yīng)用于±1mm精度要求的測(cè)量，但不適用于±0.8mm以下精度要求的測(cè)量。要提高測(cè)量精度，則必須提高編碼器精度，或增加增速比，以提高單位長(zhǎng)度中的脈波輸出量。
4. 人機(jī)界面。
可規(guī)劃適合的操作畫(huà)面，以便于資料輸入，動(dòng)作切換，系統(tǒng)監(jiān)視。上述基本組件即可達(dá)成VEC-VBF追剪系統(tǒng)最直接、經(jīng)濟(jì)的操控需求
五、結(jié)束語(yǔ)
VEC-VBF系列追剪專用型伺服配異步電機(jī)精度可達(dá)2MM以內(nèi)，速度可達(dá)90M/MIN；VEC-VBF系列追剪專用型伺服配同步永磁電機(jī)精度可達(dá)1MM以內(nèi)，速度可達(dá)120M/MIN。專用型伺服在鋼管定尺飛鋸行業(yè)的成功應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，同時(shí)具有廣闊的發(fā)展前景。
