西门子840D数控系统及ABB变频器在铣切锯同步控制上的应用研究

徐家晨赵寅

(天津钢管集团股份有限公司天津300301)

摘要：铣切锯是当前光管生产线的关键设备之一，铣切锯同步控制的实现，能够显著提高光管生产线的自动化水平与智能化水平。基于此，本文首先介绍了当前的铣切锯切割流程。其次，分析了铣切锯同步控制系统的运行原理。最后，提出基于西门子840D数控系统及ABB变频器，提高铣切锯同步控制效果的有效对策，以推动光管生产线效率的提高。

关键词：西门子840D及ABB变频器；铣切锯同步控制；钢管切割

引言：管线管生产线，目前是我国钢铁生产企业广泛使用的光管生产线类型，其主要功能是，将锻造完成的钢管进行自动定位、定距，按照生产计划要求的长度进行锯断。实践经验表明，这种生产线能够比较良好的满足客户的切割需求，生产的连续性与稳定性较高。但是，这种生产线在进行铣切锯操作时，精度的定尺要求主要为±3cm，这一精度要求已经不能满足现在的技术需求。

一、当前的铣切锯切割流程

当前的铣切锯切割流程主要是：（1）钢管长度测量控制，衡量钢管是否满足设计的切割长度，对短于计划长度的钢管进行剔除，对长于计划长度的钢管进行切割。（2）在自动测量钢管长度之后，管线管生产线铣切锯的定尺小车快速启动，以做好切割的准备，提高切割的效率。（3）定尺小车启动之后，进行自动同步化配置，方便对切割的位置进行精准的控制。（4）管线管到位之后，管线管生产线铣切锯卡爪，启动抱紧程序，将需要切割的钢管牢牢固定在切割位置上，减少切割过程中的钢管位移。（5）定尺小车高速返回，并准备开始切割。（6）切割程序完成之后，管线管生产线铣切锯卡爪放开，将切割完成后的钢管释放出来。（7）管线管生产线铣切锯助力爪，将已经释放开的切割钢管拔出。（8）管线管生产线铣切锯切割流程结束。

二、铣切锯同步控制系统的运行原理

铣切锯同步控制系统主要运行程序如下：

第一，切割长度数据与测速轮编码器数据，录入同步。两种数据系统的数据，同时录入到西门子840D伺服控制器的CPU和NCU当中。测速轮编码器同时捕捉西门子840D伺服控制器的CPU和NCU中已经缓存的切割数据，并将自有数据存储到西门子840D伺服控制器的CPU/NCU当中。第二，西门子840D伺服控制器的X轴和Y轴，通过齿箱编码器，将测速轮编码器数据，传入到西门子PLC程序当中，这时，管线管生产线铣切锯的伺服电机启动，并与电机内置编码器同步。第三，齿箱编码器将伺服电机内置编码器的编码数据，通过ABB变频器，反馈到西门子840D伺服控制器的CPU、NCU的X轴和Y轴当中，对切割系统进行同步控制。

三、西门子840D数控及ABB变频器在铣切锯同步控制上的应用

（一）伺服电机位置控制功能的同步

齿箱编码器是伺服电机位置控制功能同步的关键元件。在管线管生产线铣切锯的控制回路当中，齿箱编码器向前沟通起了位置控制元件，向后沟通起了速度控制元件。一方面，齿箱编码器通过西门子840D伺服控制器的CPU和NCU中，已经缓存的切割数据，确定钢管的位置，并自动获取测速轮中已经存储的本批次需切割的钢管数据信息，将这些数据反馈给ABB变频器。另一方面，齿箱编码器与电机同步，获取电机的电流、电压、电阻信息，将这些信息反馈给位置控制装置，保障需切割钢管的行进速度，与切割装置的运行速度一致。利用PROFIBUS-DP通讯总线连接起了西门子840D伺服控制器的CPU/NCU——管线管生产线铣切锯的PLC模块——ABB变频器——切割传动系统，大大提高了管线管生产的精准度。

（二）铣切锯伺服电机与钢管的快速同步

1.X轴和Y轴同步

应用西门子840D数控技术与ABB变频器，测速轮可以在钢管长度即将达到指定的长度时，向切割系统发出指令，保障切割工具的行进速度既不会过快，造成钢管的过量切割，也不会过慢，影响钢管切割的完整程度。这种控制方式可以保障管线管生产线铣切锯的X轴和Y轴同步，在数控程序中共享一套指令代码。经过同步升级之后，X轴和Y轴在执行程序中的直线变为一条曲线，可以通过插补计算，进行快速的位置调整与变动。这种调整可以瞬时发生，对切割系统几乎不产生影响，大大提升了铣切锯同步控制的同步性。

2.伺服电机最大同步速度调整

应用西门子840D数控技术与ABB变频器，采用SOFT平缓轨迹加速度命令,控制伺服电机的运行速度，可以避免伺服电机运行中的无故突然加速，保障伺服电机运行的平稳性。既可以提高伺服电机运行的轨迹精度，又可以减少伺服电机运行的机械载重负累。因而，应用西门子840D数控技术与ABB变频器的伺服电机电机，一方面，可以保障短距离内，伺服电机与钢管的同步，另一方面，可以减少齿箱编码器在运行过程中承受的机械压力。伺服电机的ACCLIMA[CD]命令，可以根据小车运行速率，自动与测速轮编码器进行匹配，大大提升了铣切锯控制的智能化程度。

3.铣切锯切割同步时间控制

应用西门子840D数控技术与ABB变频器，铣切锯与钢管的时间控制消耗，可以大大减少。第一，西门子840D伺服控制器的CPU/NCU具有强大的运算能力与数据分析能力，可以将钢管运行控制的速度提高至15m/min。第二，ABB变频器可以将铣切锯与钢管的同步速率，控制在200ms之内。第三，这样的时间控制精度，可以为后续的钢管切割与钢管焊接，预留出充足的时间，保障管线管生产线铣切锯同步运行的高效性，减少钢管切割过程中，打刀现象的发生，提高锯片的使用寿命，减少锯片的自然耗损。

4.伺服电机与钢管同步精度调整

应用西门子840D数控技术与ABB变频器，伺服电机的X轴和Y轴，同步精度可以达到1mm，X轴与管线管的同步精度，可以达到0.8mm。Y轴与管线管的同步精度，可以达到0.9mm。从切割的整个过程来看，伺服电机运行的SOFT功能加速曲线平滑度的提升，使整个切割流程中的断点率明显下降。伺服电机和钢管同步的平稳性显著提升，避免了伺服电机运行速度过快，导致切割的断口不平整，或者钢管的运行速度过快，导致钢管切口破碎，严重影响钢管切割的质量。

5.铣切锯卡爪抱紧与释放流程的同步优化

应用西门子840D数控技术与ABB变频器，管线管生产线通过齿箱编码器的中继作用，将SAA-SYNC[fa]中存储的钢管数据，传输给西门子PLC数控模块，并将数据处理成DB10.DBB64的格式，方便测速轮编码器对数据的自动识别，自动通知管线管生产线铣切锯卡爪，启动抱紧程序，将钢管的位置锁死。在切割过程完成之后，铣切锯将ABB变频器参数调低，将伺服电机力矩限制降低至±30，克服伺服电机运行当中的摩擦力，通过POS[CD]命令，使伺服电机高速返还至原始位置，卡爪释放，为下一次切割做好准备。

结论：综上所述，西门子840D数控技术及ABB变频器能够优化铣切锯切割流程，最终实现铣切锯同步控制。从本文的分析可知，研究西门子840D数控系统及ABB变频器在铣切锯同步控制上的应用，有助于控制人员从问题的角度出发，看待目前铣切锯同步控制过程中存在的不足，进行有针对性的技术改进，因而，技术人员要学会利用西门子840D数控系统及ABB变频器，加强相关设备的发展使用研究，并在生产实践中，探索优化铣切锯同步控制的方式。

参考文献：

[1]刘旭.基于西门子G120变频器电主轴在840D数控系统的应用[A].四川省机械工程学会.四川省机械工程学会第二届学术年会论文集[C].四川省机械工程学会:四川省机械工程学会,2016:2.

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