一种有关S120驱动在汽车行业中的飞剪应用

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项目介绍：

此项目属于汽车行业中汽车保险杠的随动切断装置项目，属于客户研发的新机型，主要改造的是保险杠

的追剪部分，原有设备是半自动剪切以及传统的直线切断，现在改造为全自动剪切的方案，目的是提高

设备运行效率。现场中传统的直线飞剪以及新机型圆弧飞剪同时调试，真正实现了程序标准化。

保险杠飞剪应用的工艺详细介绍：

备注：

1、西门子伺服电机；2、减速机；3、气缸切

断头；4、产品件；5、材料切口处

客户工艺要求：

• 压送辊电机：采用第三方直流电机驱动，采用模拟量控制

速度；本身无编码器，无抱闸，减速机+齿轮齿条连接机构；

此电机用于送料机构，机械端配置外部测长增量编码器，

作为位置实际值反馈，进行位置矫正，保证位置精度。

• 飞剪机构：西门子1FK7系列电机，绝对值编码器，带抱闸，

二级减速机直驱负载；

• 剪切机构：用气缸作为带刀剪切的动力，同步后输出气缸

剪切信号，实现最终切断。

控制系统构成及前期选型：

此项目中，电机选型尤为重要，因为电机选型选不好，会导致运行不稳定，不能达到客户要求的加速度等性能参

数，最终导致影响节拍。压送辊驱动部分客户自己选型的是直流电机，本项目不做描述，重点描述的是飞剪机构

电机的选型。

根据机械参数，飞剪机构伺服电

机选型计算（如下以圆弧飞剪为

例)已知飞剪机构参数：

• 质量m=1200kg

• 弧度半径r=1380mm

• 辊压速度V1=200mm/s

• 加速时间Ta=0.3s

• 匀速时间Tb=2s

• 减速时间Tc=0.3s

• 摩擦系数μ=0.05

• 减速机速比i=360

• 安全系数S >=1.25

电机选型计算过程：

1.电机转速的计算:

由于辊压线速度为V1=200mm/s =12m/min;

飞剪机构摆臂机械端转速n1=V1/（3.14*2*r）=0.023 r/s=1.38rpm

电机转速N >= n1*i= 1.38*360= 496.8 rpm

2.电机惯量计算：

根据客户提供的机械模型，惯量计算等效于围绕细棒端侧旋转的惯量模型计算。

J负载= 𝑚𝑟2/3=（1200*1.38*1.38）/3 = 761.76kg.m2

J总= J负载+J减速机= (761.76+0.0060) kg.m2= 761.766 kg.m2

按照惯量比为3，减速机速比为i=360;

转化为电机端的惯量至少为J电机>=J负载/(3*i2) =761.766/3/(360*360)= 19.59*10^-4kg.m2

3.电机转矩计算：

飞剪摆臂端转速n1=V1/（3.14*2*r）=0.023 r/s=0.144rad/s

已知加减速时间Ta=Tc=0.3s，摆臂角速度ω1=0.144rad/s

经计算：摆臂的角加速度a=ω1/0.3=0.48rad/s2

负载加速力矩:Ma= J总* a =365.64N.M

负载减速力    矩：Mb= J总* a =-365.64N.M

摩擦力矩：MF=μmg*r2(联轴器输出轴半径)=0.05*1200*9.8*0.17=100N.M

附加力矩（偏载力矩）：MP=750N.M(客户提供)

负载总力矩：M总= （Ma+ MF + MP ）*S=1215.64*1.6=1945.02N.M

安全系数在机构参数中，已经进行描述，客户根据载荷系数计算后提供。

电机所需力矩M电机>= M总/i=5.40N.M

4.最终确定电机功率：

综合上述计算，通过最终确定的电机转速N,电机所需力矩M电机，以及电机最小惯量的

要求，通过Sizer验证热过载曲线，在S1曲线涵盖范围之内，最终确定2KW 1FK7086电机

满足工艺要求的最优电机选型。并匹配S120 共直流母线方案，选用SLM整流单元。

CPU最终确定及资源占用情况：

基于绝对齿轮同步功能，在工艺对象中组态外部编码器，将编码器实际值作为主值，在Profinet IRT等时同步功能条件下，实现绝对齿轮同步以及基本定位等功能。

S7-1500T CPU可以实现项目要求功能，对比S7-1500T CPU，S7-1500 CPU在博图里组态工艺对象中，同步轴需要同步的主值无法与外部编码器的实际值连接，无法实现实际位置值耦合，故而选T-CPU。

驱动组态及电机优化：

在博图平台下，通过HSP方式组态S120，包含电机，编码器等组态，报文选用105标准报文。初次调试，进行电机优化，优化速度环以及位置环参数,保证电机运行稳定性。

PLC 组态及IRT等时同步功能激活：

在博图平台下，激活IRT等时同步功能，需要正确连接拓扑结构，拓扑与硬件接口一致。MC_Servo[OB91]周期因子默认为1，位置环扫描周期4ms。

工艺对象组态：

组态工艺对象，其中包含压送辊的组态（Leading Axis）定位轴、飞剪轴的组态(FlyingSaw Axis)为同步轴、外部编码器组态、快速测量输入工艺对象组态。其中外部编码器直接接入到1511T CPU中，并将其实际值作为引导轴主值。

重点功能描述：

本文中重点描述关于飞剪部分的主要程序，其他外围程序不作为重点描述，本项目我们更多的是利用西门子标准库来最终实现客户应用标准化，设备标准化。本项目利用的是FlyingSawBasic功能块实现。

设备运行精度及Trace曲线：

用Potal下的Trace功能，测量轴运行速度、位置轨迹，对设备精度进行监控，并进行多次运行调整，实现客户所需精度。经过纵向标尺位置测量，剪切精度控制在0.4mm以内，满足客户的要求。

项目难点分析一：飞剪轴电机选型计算，丝杠机构下的惯量匹配计算

直线飞剪轴电机的计算也是尤为重要，尤其是对电机惯量的要求也是非常的高，否则长时间会对丝杠磨损严重导致变形，以及运行中产生大的噪音。客户之前由于没有正确的计算好机械惯量，导致运行一段时间后丝杠变形。经过重新惯量计算，以及加速力矩计算，在保证机械速度下，重新优化了减速机速比。

客户开始计算惯量比k=J/i2/Jm电机>10,(其中i为减速机速比)已经超出了电机所承受的惯量，所以，飞剪轴无法正常运行，最终解决方案为，在不影响设备整个节拍的情况下，提高了减速机的速比，保证了惯量比在7之内，从而解决了此问题。

项目难点分析二：提高飞剪轴剪切精度

在飞剪过程中，不仅仅要保证剪切的节拍，还要保证设备在剪切过程中的平稳度，此案例中，我们应用了对称同步的方法，保证了在追剪过程中设备运行曲线的平滑，即MasterStarDistance = 1/2SlaveSyncPosition。其他一些因素,如外部编码器精度等因素也会影响最终的追剪精度。

在MC_Servo更新周期：4ms ，主线速度：200mm/s下

Kv= 50时，测试最高切割精度：±0.080mm左右

Kv=150时，测试最高切割精度：±0.040mm左右

在MC_Servo更新周期：4ms ，主线速度：200mm/s下

T=0.0，测试最高切割精度：±0.080mm左右

T=0.08时，测试最高切割精度：± 0.060mm左右

挑战一：实时更改工艺对象中机械参数，本次谈论的是更改工艺对象中的丝杠导程。

针对一套电控对多套机械装置的情况下，由于物料不同，设备丝杠导程设计各不相同，那么如何实现HMI在线修改丝杠的导程，是当时遇到的其中一个问题点，如果在周期通讯中直接通过写入变量的方式修改CPU会报警停机，必须还需要在stop模式下下载配置。而非周期通讯WRIT_DBL块将数据写入到装载存储器中即可成功写入。

注：此方法前提是必须有存储卡，因为数据会写入到存储卡中，断电后不易失。

挑战二：客户提出新的应用思路，将原来切锯在机械行板上追剪，现改为机械行板不动，更改为锯切平台伺服跟外部编码器同步剪切。

由于锯切平台伺服电机与外部测量编码器做同步匀速运动，而实际上由于机械结构的原因，实际锯切移动平台速度非线性，如果机械行板与锯切的位置关系匹配不当的话，不利于产品精确剪切，会造成撞刀问题。最终跟客户提供凸轮同步方案，待测试。

NX MCD 虚拟仿真，提前验证自动化程序以及验证机械动作。

MCD的核心是打通虚拟与现实的桥梁

基于Potal V15.1+S7-PLCSIM Advanced V2.0+NX MCD 1847下的软件在环虚拟仿真

由于工期比较紧张，所以进场前，利用传统机型的机械模型，利用MCD机电一体化虚拟仿真软件，提前对自动化程序进行测试验证，以及对设备的机械动作细节进行调整。从而达到了提前调试，缩短新机型上市时间的结果。

第一步– 创建设备物理和运动学模型

• 导入客户提供的STEP 214格式的机械部件图，完成对设备部件的基本机电对象的设置，将设备动作的机械组件设置好正确的刚体以及碰撞体属性。以及刚体的运动副，运动方式，及其相关的传感器等。

第二步–创建设备电气和行为模型

• 利用行为模型仿真设备外围部件

传感器、执行器、工艺系统行为特征

• 实现联合仿真

第三步–创建设备自动化模型

• 全面功能仿真通讯、受保护功能块、安全、web server等通讯连接，本项目是通过PLCSIM Advance仿真Profinet通讯。

• 开放式API接，程序下载完毕后，在MCD中进行信号的链接，添加信号适配器，并映射输入输出信号。

• 虚拟时间同步，仿真IRT等时同步功能，可以设置循环时间。