焊接变位机回转自由度电机主从控制研究

张一飞（中国一重大连加氢反应器制造有限公司，辽宁 大连 116113）



焊接变位机回转自由度电机主从控制研究

张一飞
（中国一重大连加氢反应器制造有限公司，辽宁 大连 116113）

摘 要：本文根据焊接变位机回转自由度动作原理及转动要求，通过西门子STARTER软件分析S120驱动器实现两台伺服电机主从控制过程，实现变位机回转自由度系统配置和参数设定。

关键词：焊接变位回转电机；S120；主从控制；负荷分配

1　设备情况介绍

焊接变位机是改变焊件位置来完成机械化、自动化焊接的一种焊接配套设备，主要用于容器、锅炉、油罐等重型工件焊接时的变位，以便于焊工对不同工件在不同位置实施焊接。公司内部120T变位机回转工作盘为结构钢件，盘面为圆形结构，尺寸为φ6600mm，工作盘设计成三块拼装式结构，工作台上平面距地面3.5米高。回转机构选用标准的专业回转支承，承载能力大，回转精度高；回转驱动装置采用西门子交流异步伺服电机配合斜齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器，带动回转工作盘进行回转运动。

该设备电气控制系统由西门子S7- 300PLC、触摸屏、电机驱动系统、低压电器等组成。PLC作为主控单元通过编程实现所有的逻辑控制，触摸屏实现相关参数的显示和输入。电机驱动系统采用了西门子SINAMICS S120驱动器为主的共直流母线的多轴驱动方式。

2　主从控制方案概述

由于工艺的要求和驱动器容量的限制，该变位机回转驱动采用一个传动设备由两个电机驱动共同配合工作的方案，在这种情况下，两个驱动电机之间需要保证相同的运行速度，以及转矩的平均分配，为此我们采用S120主从控制应用的方案，考虑到焊接变位机齿轮传动精度等级不高，两个电机和回转齿轮的耦合关系，电机之间需要有相同的运行速度，同时保证电机例举的均匀分配，还要有防止某一电机联轴器脱开时的保护，我们采用速度偏差与转矩限幅的主从控制方案。

在速度偏差与转矩限幅方式时，主机从机都工作在速度模式，主从机的速度设定值相同，然后从机在此基础上附加+-5%--10%左右的速度偏差（与运行方向有关，附加速度大小由实际情况决定），将主机的转矩值连接到从机的转矩限幅上。在启动后，由于速度偏差的存在，连接的主从电机减速机连接齿轮迅速与回转大盘齿轮接触受力，从机的速度环饱和，输出的转矩受转矩限幅限制，从而保证从机的转矩跟随主机的转矩；从机速度受到连接的牵引，与主机速度相同，当发生连接断开时，主从电机工作在各自的速度环模式下，不会发生飞车现象。

速度偏差与转矩限幅方式的特点是，启动瞬间主机从机的速度环都起作用，连接合力建立的比较平缓，避免系统产生振荡，既保证了速度及转矩的分配，也对系统进行了保护。

3　S120系统的速度偏差与转矩限幅方案的配置

3.1硬件配置

使用CU320作为控制单元，主从数据交换通过CU320的多轴直接连接，在一个CU320单元连接两个驱动轴的情况下，直接利用轴间变量的互连，来实现主从控制的数据交换，该种方式下，当CU出现故障，两台设备都将无法运行。在进行主从控制配置时，首先参照S120调试手册完成基本驱动单元的组态和调试。

3.2主从电机驱动参数配置

完成基本调试后，确定电机的优化、运行都正常后，根据配置的主从方案，来进行主从工作模式的设置。

（1）主机从机都工作在速度模式，P1300=21（speed control with encoder）；

（2）主机驱动器激活基本定位功能。S120具有如下基本定位功能：

点动（jog）：用于手动方式移动轴，通过按钮使轴运行至目标点；

1）回零（homing）：用于定义轴的参考点或运行中回零；

2）限位（limits）：用于限制轴的速度、位置，包括软限位、硬限位；

3）程序步（traversing blocks）：共64个程序步，可自动连续执行一个完整的程序也可以单步执行；

4）设定值输入（direct setpoint input/MDI）：目标位置及运行速度可由PLC或上位机控制，完成一个复杂的运动。

本项目主要配置点动功能和设定值输入功能，回零和参考点功能及程序步功能不予描述。

5）点动（jog）功能采用速度方式：点动按钮按下，轴以设定的速度运行直至按钮释放。

6）设定值输入（direct setpoint input/MDI）方式采用速度模式：设置参数P2653=1，轴按照设定的速度、加减速运行，不考虑轴的实际位置。

（3）从机不激活基本定位功能，从机的设定速度在主机设定速度基础上附加一个偏差速度△V。

（4）将主机的转矩设定值r079取绝对值，连接到从机的正转矩限幅的源P1522上；将主机的转矩设定值r079取绝对值后，再取反，连接到从机的负转矩限幅P1523上。

设备启动后，正转或反转回转盘，由于速度偏差的存在，从机速度高于主机，可以实现两台电机驱动齿轮迅速接接触咬合建立转矩，从机的速度环快速进入饱和状态，输出转矩由转矩限幅决定，从而实现主从负荷平均分配。同时该方式下，当主从电机其中一个电机与负载断开连接时，从机可以迅速从速度环快速退出饱和，进入速度闭环，避免电机飞车。

4　结束语

通过上述分析及配置过程，实现了利用S120驱动系统完成焊接变位机回转电机的主从控制，在车间实际使用工程中实现承载能力达到工艺要求，回转速度平稳满足焊接速度要求。只要在维修改造过程中多熟悉设备的各方面性能，完善设备状态，就能使设备完好的为生产服务。

参考文献：

［1］威达公司120T焊接变位机使用说明书.

［2］西门子如何实现S120主从控制方案.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.007