伺服系统在金属制品行业中的应用

刘 军，杨晓海，李志强，戴峭峰，胡金莲，陈丽艳

（1.江 苏法尔胜泓昇 重工有限公司，江苏江阴 214400；2.无锡法尔胜悦能动力有限公司，江苏江阴 214400；3.江苏法尔胜精细钢绳有限公司，江苏江阴 214400）

1 伺服系统介绍

1.1 系统原理

伺服控制系统是一种自动控制系统，它可以使输出能够精确跟随某个目标过程，通常用来控制指定对象的转角或位移，可以使被控对象能够精确呈现出输入的控制指令的要求。

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服系统依靠脉冲进行定位，能根据发出的脉冲数和检测到电机实际旋转的角度反馈回来的脉冲来实现精确控制，并能根据发出和接受到的脉冲情况实现闭环控制，在设备操作性和精度上大大优于开环控制的电气驱动系统。

1.2 发展历程

1.3 特点

交流伺服电机工作原理类似单相异步电机，但由于其转子绕组电阻远远大于异步电机，性能特点明显。

1.3.1 优点

（1）转矩可控性高。交流伺服电机因其结构异于异步电机，转矩特性更为优异，转矩控制精度更高，更具有远大于异步电机的启动转矩，能快速响应伺服控制器发出的控制讯号，电机启动快且有力，应用范围大。

（2）无惯性自转现象。伺服电机收到停止信号后，能立即停转，可很好满足某些需要对电机转轴输出动作要求较高的场合，如阀门控制、流量控制等。在金属制品行业某些需要对执行机构精确定位的设备上表现优异，如排线密排定位，阀门锁定等。

（3）运行平稳、噪声小。

1.3.2 缺点

（1）成本略高，购买价格高于同功率异步电机，伺服电机必须搭配对应型号伺服控制器使用，维修成本高，维修难度大，部分需要更换的部件（如碳刷等）价格相对高。

（2）安装要求高，伺服电机安装时应避免敲击，不能安装在振动噪声大的设备上，拆卸更换时需要更加仔细。

(5) 区域逗留人数：进出车站周边区域并逗留的人流量，与车站客流量直接相关，也是以上各个因素的直观反映。该指标可以通过手机运营商的信令数据获得。本文拟通过某运营商工作日一天(00:00—24:00)内手机数据推测站点周边区域人员数量。

（3）功率低，无法大规模应用在动力驱动等大功率场合。

2 热处理生产线应用

2.1 应用背景

伺服系统因其精确定位，转矩大的优点，已被广泛应用在金属制品行业的热处理等生产线设备，用于温度或流量控制，能实现温度精确控制，可靠性高、维护方便。

2.2 案例

公司热处理生产线使用Honeywell M7284Q1009 系列伺服电机，配合Honeywell UDC3200 系列温控表使用，能实现热处理生产线温度精确控制，有效满足金属制品热处理生产线工艺要求。具体使用控制流程见图1，现场使用实例见图2。

图1 伺服系统温度控制流程

3 拉丝机应用

3.1 应用背景

目前金属制品行业中，拉丝机普遍使用的张力控制依靠模拟量传感器，检测张力臂联动的凸轮，通过检测凸轮和模拟量传感器之间的位置来反馈张力情况。目前有试验方案直接利用张力臂联动伺服电机，利用伺服电机刻度精确，反馈及时的特点，排除中间环节，实现精确及时的张力反馈。

3.2 案例

图2 伺服系统温度控制实例

目前流行的凸轮配合模拟量传感器的方案存在一定缺点，传感器信号传输易受到干扰，过分依赖凸轮和模拟量传感器相对位置，对于初次安装或每次维修更换，均需反复校正位置，如图3 所示。新方案选用伺服电机与张力臂直接联动，张力臂动作直接传导至伺服电机，伺服电机将读取的信号利用通信传输的方式传入PLC 等中央处理部分，减少过渡部件，排除干扰因素。伺服电机传输的信号更为准确，且反馈及时，更能满足张力控制需求，如图4 所示。

图3 原拉丝机张力反馈方案

图4 伺服电机张力反馈方案

4 管绞机应用

目前金属制品行业中，捻制成绳设备中放丝阻尼多采用机械阻尼和磁力阻尼两种方式，其中机械阻尼应用最为广泛，常见有阻尼块式和阻尼带式的方式，基本上均为弹簧等缓冲结构配合阻尼块（带）使用，结构简单、维护方便，如图5所示。但是普遍存在放线张力不稳定，需要随时调节，且张力值每次调节之后只能维持大概范围，并不能达到某一准确数值。公司尝试将伺服系统使用在放线阻尼装置上，已获得成功，如图6所示。

将伺服电机与放线阻尼盘连接，根据放线速度和放线圈径的改变，计算并输出相应转矩，以通信方式与中控环节交换数据，能保持放线张力为恒定值，可实现放线张力实时显示和随时调节，能有效满足各种金属制品生产工艺的需求，对于提高生产质量，开发产品新规格起到促进作用。

5 收卷系统应用控制

5.1 收卷转矩控制

图5 机械式放线阻尼

目前金属制品行业较为流行的收卷方式为恒转矩收卷和恒张力收卷，其中恒转矩收卷有力矩电机形式和变频器转矩模式带普通异步电机。恒张力收卷一般采用加装张力臂检测收卷实时张力，参考前端牵引或放线速度，根据检测到的张力反馈数值进行微调，控制变频器进行速度控制。

恒转矩收卷和恒张力收卷各有利弊，恒转矩收卷系统较为稳定，控制简单，但是只能实现收卷转矩恒定。随着收卷工字轮从空盘到满盘，收线力臂发生变化，根据公式，力矩=力力臂，收卷张力始终处于变化，故恒转矩收卷多应用于对收线张力要求不高的情况；恒张力收线控制精确，但结构较为复杂，需要加装检测收卷在线张力的装置，张力检测装置会增加钢丝钢绳绕卷，影响钢丝钢绳质量。

图6 伺服系统放线阻尼

目前，公司部分收卷设备中尝试使用伺服系统进行控制收线，利用伺服系统精确可控的优点，参考力矩电机恒转矩模式，根据时刻变换的收卷力臂进行计算，随时调整伺服电机输出的转矩大小，能实现收卷张力恒定；利用伺服系统能实现实时通信的优点，可及时反馈并显示出钢丝钢绳在线张力值，满足不同工艺需求。不必频繁利用手持工具检测钢丝钢绳在线张力，可以根据不同产品规格不同工字轮设置相应工艺卡，预存在中控系统，使用时只需选择该选项即可，快捷方便，受到操作人员和工艺调试人员好评。

5.2 排线应用

伺服系统已经广泛应用在金属制品收卷系统排线部分中，以其动态性能好，可控性高的优点展现出很大应用前景。排线伺服系统能对转速、转矩和电机位置等各个指标进行精确控制，可实现金属制品丝、股、绳等各类产品的密排效果。

以往金属制品排线有机械排线和电气排线两种形式，机械排线较为稳定，结构简单，维修方便，但是无法调节精确速度，只能通过更改传动比按挡位修改排线速度，应用范围较小，多适用于单一产品单一工艺的车台，无法广泛应用；电气排线有变频器驱动和专用排线控制器控制直流电机，能实现实时速度调节，但很少能实现丝股绳密排，钢丝钢绳会在工字轮两端排布不均匀，极易出现堆积或稀疏的情况，当前公司某型号密排回倒机收卷和放丝均采用伺服排线系统（图7），能实现钢绳密排，效果明显，如图8 所示。

图7 应用了伺服系统的密排回倒机

图8 钢丝绳密排效果

自动排线密排系统，能自动实时检测排线的平整度，并能根据实际情况，自动调整排线的换向位置，使排线平整度控制在工艺规定的合理范围内。降低操作工的劳动强度，提高工作效率，同时能大幅提高排线质量，从而保证产品质量，提高生产效率。

排线机构的优化设计采用伺服驱动的高精度滚珠丝杠排线，高精度收线张力程序开发采用特殊的收线张力控制算法，将收线张力控制在既不能过小也不能过大的一定范围内，以便传感器检测排线的平整度。

6 结语

伺服系统已在金属制品行业中占据了非常重要的位置，是当今主流金属制品设备不可或缺的一部分。伺服系统大幅提高了金属制品设备精度和工艺适用度，极大方便工人操作，同时促进金属制品行业设备开发的发展。未来，伺服系统必将在动力驱动和精确控制等方面展现更广泛、更深入的应用。