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1、西门子611U伺服系统在460辊锻机中的应用作者：林丽公司名称：东风锻造有限公司装备部技术组 湖北十堰摘要：460辊锻机主要完成各类连杆的辊锻工序，本文主要介绍了如何利用伺服系统改造其横移动作,并介绍了选型的计算,及其经济效益。主题词：460 辊锻机 伺服系统 横移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、项目简介460辊锻机主要完成各类连杆件的辊锻,热的坯料往往通过四次辊锻进行成型。以往辊锻机的横移动作是依靠液压系统的进油及机械的反靠动作来实现其精确定位，但经过几年运行后，液压系统往往会漏油，加之反靠档块的损坏，会产生定位不准确；另外液压系统由于受自然环境温度及设备工作时间的长短的影响会使油温发生变化，也会导致横移定位不准确。因此近些年来由于故障造成的废品率居高不下，浪费了大量的材料和人力物力。为此对其进行改造势在必行。二、方案选择 由于设备的问题是横移不稳定，且由此造成了大量的废
3、品，所以鄙弃液压系统，采用目前定位精度高，且动作快的伺服电机进行改造。将横移改为伺服电机的控制，这样可避免横移不到位带来的问题，同时今后还可方便辊锻模的设计，即四道型槽的间距可不相等。目前市场上较普遍的采用西门子和安川的伺服电机，而针对我公司实际，采用西门子伺服电机的优点：编程方便，且目前已有该编程软件及相关的通讯电缆，因此可方便今后的维修和备件准备，缺点是丝杠的导程小，要求的伺服电机的转速高，因此对工位件最大的移动距离有限制，且西门子伺服电机的价格稍高。采用安川伺服电机的优点：伺服电机价格便宜，供货周期短，丝杠的导程大，要求的伺服电机的转速要求低。缺点是编程困难，且无编程软件及相关的通讯电缆
4、，位置设定困难。故仍旧采用西门子伺服电机。伺服电机选型 工位间距取S=90mm； 轧辊转速为65rpm，轧辊转1圈所需时间为0.92s；辊锻模占整个轧辊的比例为1/4；(3) 手臂从前一工位移动到后一工位所需时间t=0.92*0.75=0.69s，考虑其它动作后，将手臂从前一工位移到后一工位所需的时间定为t=0.5s其中加速启动时间ta= 0.15s，匀速行走时间tb=0.15s，减速制动时间tc=0.15s； V ta tb tc t(4) 参加横移的机构总重为320kg；(5)手臂横向行走是滚珠丝杠传动，丝杠直径dms=40mm，导程P=10mm，导套摩擦系数=0.15。1.首先计算电机转
5、子惯量JM初定电机额定转速为n=3000rpm，则角速度=2n/60=314(弧度/s)因为总行程 S= (1) 其中V是匀速行走速度将tc=ta代入公式(1)得到横向匀速行走速度0.09/0.3=0.3(m/s)因为丝杠由电机直给，当电机以额定转速转动时，横向实际行走速度V=nP/60=30000.01/60=0.5(m/s)，所以转速为3000可以满足要求。负载惯量 (2)由公式(2)算出负载惯量JL320(0.5/314)2=8.1110-4(kgm2)允许负载惯量为5倍以下，即JL5JM，则JMJL/5=1.6210-4(kgm2)选取西门子伺服电机1FK7083-5AF71-1AA0
6、，转子惯量JM为27.310-4(kgm2)，满足以上要求。2.验算电机额定扭矩和最大输出扭矩 首先计算折算到电机轴的负载扭矩TL， (3) 其中Tf是导套摩擦折算到电机轴的转矩，ms是滚珠丝杠摩擦折算效率，导套摩擦折算到电机轴的转矩 (4) 式(4)中是传动效率，取=0.9根据公式(4)算出导套摩擦折算到电机轴的转矩 滚珠丝杠摩擦折算效率 (5) 由公式(5)算出滚珠丝杠摩擦折算效率 那么根据公式(3)折算到电机轴的负载扭矩TL0.83/0.926=0.896(Nm) 再计算加减速扭矩TA (6)根据公式(6)中tac是加减速时间常数，按前面假设tactata0.15s加减速扭矩TA= 7.
7、41(Nm)下面计算瞬时最大扭矩：加速时扭矩Ta=TA TL=7.410.896=6.516(Nm)匀速时扭矩Tb=TL=0.896(Nm)减速时扭矩Tc=TA+TL=7.41+0.896=8.306(Nm)实效扭矩 (7)由公式(7)算出实效扭矩Trms=6.12 (Nm) 所选西门子电机的额定扭矩TM=10.5NmTrms，故合格；伺服电机最大输出扭矩Tmax=16Nm，实际瞬时最大扭矩Ta6.12NmTmax8012.8Nm，故合格。3.验算加速时间和减速时间加速时间 0.17(s)减速时间 =0.133(s)加速段行程0.5*0.3*0.170.0255(m)减速段行程0.5*0.3*
8、0.1330.02(m)匀速行走时间(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实际所需时间tta+tb+tc=0.17+0.133+0.148=0.45(s)，与前面假设吻合，故所选伺服电机型号合适。结论：横向行走可以选用西门子伺服电机1FK7083-5AF71-1AA0，额定转速3000rpm，额定扭矩为10.6NM4、核算横向最大移动间距 工位间距取S=90mm； 轧辊转速为65rpm，轧辊转1圈所需时间为0.92s； 辊锻模占整个轧辊的比例为1/4； 手臂从前一工位移动到后一工位所需时间t=0.92*0.75=0.69s，将手臂从前一工位移
9、到后一工位所需的时间最长不超过t=0.69s其中加速启动时间ta= 0.2s，匀速行走时间tb=0.2s，减速制动时间tc=0.2s； V ta tb tct5 参加横移的机构总重为320kg；6手臂横向行走是滚珠丝杠传动，丝杠直径dms=40mm，导程P=10mm，导套摩擦系数=0.15。工位间距设为S=120mm。1.电机额定转速为n=3000rpm，则角速度=2n/60=314(弧度/s)因为总行程 S= (1)将tc=ta代入公式(1)得到横向匀速行走速度0.12/0.4=0.3(m/s)因为丝杠由电机直给，当电机以额定转速转动时，横向实际行走速度V=nP/60=30000.01/60
10、=0.5(m/s)，所以转速为3000可以满足要求。负载惯量 (2)由公式(2)算出负载惯量JL320(0.5/314)2=8.1110-4(kgm2)允许负载惯量为5倍以下，即JL5JM则JMJL/5=1.6210-4(kgm2)选取西门子伺服电机1FK7083-5AF71-1AA0，转子惯量JM为27.310-4(kgm2)，满足以上要求。2、验算电机的额定扭距和最大输出扭距方法同上，结果同上。=0.83Nm TL0.896(Nm)再计算加减速扭矩TA (6)加减速扭矩TA= 5.56(Nm)下面计算瞬时最大扭矩：加速时扭矩Ta=TA TL=5.560.896=4.66(Nm)匀速时扭矩T
11、b=TL=0.896(Nm)减速时扭矩Tc=TA+TL=5.56+0.896=6.456(Nm)实效扭矩 (7)由公式(7)算出实效扭矩Trms=4.646 (Nm) 所选西门子电机的额定扭矩TM=10.5NmTrms，故合格；伺服电机最大输出扭矩Tmax=16Nm，实际瞬时最大扭矩Ta4.646NmTmax8012.8Nm，故合格。验算加速时间和减速时间加速时间 0.238(s)减速时间 =0.172(s)加速段行程0.5*0.3*0.2380.0357(m)减速段行程0.5*0.3*0.1720.0258(m)匀速行走时间(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实际所需时间tta+tb+tc=0.238+0.172+0.195=0.61(s)与前面假设吻合。手臂前一工位移到后一工位的实际最大距离S=Sa+Sb+Sc=0.0595+0.043+0.1=0.205(m)，即相邻两道间的最大距离为120mm。三、系统构成及功能实现1、伺服控制系统对西门子伺服电机可采用611A和611U两种控制方式进行控制，611A为模拟式的控制系统，控制复杂，且需要输入模拟信号，故控制复杂，611U为数字式控制系统，控制简单，伺服电机的位移可直接用数字显示，且控制简单。首先介绍的是伺服驱动模块的外部接线图，包括了电机的接线图、及部分控制系统的外部
13、信号的接线图。信号包括有原点、手动按钮、复位及故障报警等信号。611U的系统的控制元件采用了SimoComU软件，为此首先对硬件组态，组态画面如下： 其次对机械部分的各个构成进行组态，特别是丝杠的导程，在实际调试中，由于伺服电机的连轴节及原点的位置等原因，电机的运行方向与实际的预想方向相反，为此在机械部分设定中，对设定点的位置值取反，以便改变电机的旋转方向。待添加的隐藏文字内容2对机械部分要进行设置，为减少伺服电机的报警及过载，要适当地设置其最大速度及加减速，由于伺服电机的最大转速为3000转/分钟，故最大转速设定为3000，而加减速通过实际进行调整，若加减速转速数值过小，则工位间的移动时间变
14、长，可能导致在辊锻时，未完成横移，若加减速转速的数值过大，可能导致在加减速过程中伺服电机过载报警，在实际调试过程中，预先设置为1200，可以正常工作，考虑伺服电机工作的稳定性及动作完成的时间，故设置为1000。第三是定义611U伺服驱动模块的各个输入点的功能，功能如下面的图表所示。主要是设置了找原点、手动前进、手动后退、各个步进块等的输入功能和参考点到位、报警等的输出功能。输入部分：输出部分：最后是要对传送块做定义，各个传送块就是横移时，伺服电机根据程序设计，要求每步以何速度、以何方向，所需要走到的位置值的块。每个块前的块号对应程序中的执行的步号。2、程序控制本控制系统采用的西门子S7-300
15、系列的PLC，考虑其功能要求及经济性，采用的CPU是312。下图为PLC的接线图：下面对程序中伺服电机控制部分的程序进行说明:上面的程序可以看出，当将w#16#1送入QB105后，就使Q105.0导通了，从而使Q0.4导通，由于在伺服系统中已经设定了各个输入点对应的程序块，所以通过SIMOCUM0，伺服驱动系统自动选择程序块1，依次类推，将W#16#2送入QB105后，就使Q105.1导通了，从而使Q0.5导通，伺服驱动系统自动选择程序块2，由于W#16#4为16进制数，所以将该数值送入QB105后，就使Q105.2导通了，伺服驱动系统自动选择程序块4，W#16#8为16进制数，所以将该数值送
16、入QB105后，就使Q105.3导通了，伺服驱动系统自动选择程序块8。伺服驱动在根据不同的程序块内的数值，控制伺服电机运行到不同的位置值，从而最终实现全部动作。四、系统的配置及经济价值分析根据上述的计算结果及程序编制，现将系统的配置图绘制如下：元件名称订货号数量单位金额电源模块6SN1146-1AB00-0BA11块驱动模块6SN1123-1AA00-0BA11块参数板6SN1118-1NH01-0AA01块接线端子模块6SN1114-0NA00-0AA01块电机电缆6FX5002-5CA01-1BA01根编码器电缆6FX5002-2CA31-1BA01根西门子伺服电机1FK7083-5AF7
17、1-1AA01台西门子电源模块6ES7 307-1BA00-0AA01块西门子S7-300的CPU6ES7 312-1AD10-0AB01块西门子输入模块6ES7 321-1BH02-0AA02块西门子输出模块6ES7 322-1BH01-0AA01块电源模 块6SN1146-1AB00-0BA1驱动模块6SN1123-1AA00-0BA1参数板6SN1118-1NH01-0AA0接线端子模块6SN1114-0NA00-0AA0电源模块6ES7 307-1BA00-0AA0CPU6ES7 312-1AD10-0AB0输入模块6ES7 321-1BH02-0AA0输入模块6ES7 321-1BH
18、02-0AA0输出模块6ES7 322-1BH01-0AA0伺服电机1FK7083-5AF71-1AA06FX5002-5CA01-1BA06FX5002-2CA31-1BA0原来每月的废品总金额达到了2000元，由于故障停工导致的生产效率的降低，损失达到了1000元，而每月用于修理液压系统，所需的元件费用500元。每月总计造成的损失达3500元。本次改造于今年的5月份完成，改造后辊锻机基本没有横移故障，废品率也大大降低。五、应用体会项目进行当中，使用西门子自动化产品的体会：1）611U使用的SimoComU软件具有编程简单，可再线监控伺服系统的工作状态。2）611U与S7-300的信号连接简单。3）西门子伺服电机工作稳定，接线便捷，固定容易。 但由于产品的价格较高，维护成本相对较高。
