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會“思考”的伺服驅(qū)動——西門子運動控制解決方案在得力仕伺服液壓成型機上的應用

高速發(fā)展的現(xiàn)代生活，讓我們享受著越來越便捷的交通，無論是商務出行還是旅游，都少不了云端的飛行。我們也許都會記得飛機上可口的簡餐，但可能從來不會關(guān)心盛裝簡餐的餐盒是如何生產(chǎn)出來的。類似的這種餐盒是由塑料板原材料，經(jīng)過成型機加，就變成了陪伴我們飛行旅程的美味伴侶。

成型機是成型加工領(lǐng)域中大規(guī)模使用的沖壓設(shè)備，其中以液壓成型機和機械式飛輪曲柄成型機應用最為普遍。與傳統(tǒng)的沖壓工藝相比，液壓成型工藝在減輕重量、減少零件數(shù)量和模具數(shù)量、提高剛度與強度、降低生產(chǎn)成本等方面具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，而伺服液壓成型機在設(shè)備油路系統(tǒng)中通過采用伺服泵，在節(jié)約能源的同時，大幅提高了設(shè)備的壓力與位置精度，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到更高保障，在工業(yè)領(lǐng)域中得到了越來越多的應用，是成型機中當之無愧的“戰(zhàn)斗機”。

東莞市得力仕機械科技有限公司（下文簡稱得力仕）是一家液壓機械生產(chǎn)商，該公司主要產(chǎn)品為伺服液壓成型機，對于此類成型機，壓力精度和定位精度是衡量設(shè)備性能的重要指標，而該公司為了提高其30噸級伺服液壓成型機的壓力精度和定位精度，在新機型上采用了西門子運動控制部應用技術(shù)中心和西門子工業(yè)自動化有限公司(SIAS) 提供全套電氣產(chǎn)品解決方案。此臺樣機于2013年上海國際工業(yè)博覽會前夕投入開發(fā)，并計劃參加展覽，客戶一方面對設(shè)備的位置和壓力精度有很高要求，另一方面希望設(shè)備能在三周內(nèi)完成調(diào)試。所以該項目面臨著開發(fā)周期短、開發(fā)難度大的種種困難。

下圖為系統(tǒng)拓撲：

液壓機械是通過流體進行工作的設(shè)備和工具。在這類設(shè)備中，液壓油通過液壓泵以高壓被傳送到設(shè)備中的執(zhí)行機構(gòu)(滑塊)，而液壓泵由發(fā)動機或者電動馬達驅(qū)動。通過操縱各種液壓控制閥，控制液壓油以獲得所需的壓力或者流量，各液壓元件則通過液壓管道相連接。

伺服液壓成型機采用伺服泵作為驅(qū)動油路的元件。用伺服電機來控制液壓泵，對液壓缸提供動力源，就構(gòu)成伺服泵。與單純動力泵區(qū)別在于，動力泵輸出功率固定，而伺服泵可以按照需要改變輸出功率大小，根據(jù)不同工況所需供給相應流量的液壓油，一方面達到節(jié)能的目一方面達到節(jié)能的目的，另一方面由于伺服電機可以精確控制液壓泵，使得油路驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)(滑塊)運行精度大幅提高。

上方左側(cè)圖為滑塊重要工藝點的三個位置(A：滑塊初始位置；B：滑塊接觸到待成型物料位置：C：滑塊下壓最低位置)；右側(cè)為滑塊不同工藝段的伺服泵流量和液壓系統(tǒng)壓力的對應曲線。具體工藝如下：

1.階段0（空閑狀態(tài)-滑塊處于位置A）

A滑塊不動，處于工作循環(huán)周期的開始；

B無流量設(shè)定；

C無壓力設(shè)定（如果是垂直運行的滑塊需要附加壓力補償其重力）；

D對于垂直運行的滑塊，如果工作循環(huán)周期比較長，可以通過關(guān)閉油路系統(tǒng)的控制閥，使滑塊停止在該位置。

2.階段1（快下狀態(tài)-滑塊由位置A運行到位置B）

A滑塊盡可能快地移動到待成型物料的位置；

B設(shè)定最大流量值；

C無壓力設(shè)定（如果是垂直運行的滑塊，其重力可幫助其加速下滑）；

D此階段可通過驅(qū)動器壓頻比控制（V/F控制）、速度控制或位置控制實現(xiàn)。

3.階段2（下壓狀態(tài)-滑塊由位置B運行到位置C）

A需要設(shè)定最大流量值20%左右的流量；

B需要設(shè)定最大壓力值50%左右的壓力；

C需要限制壓力上限值；

D需要進行精確的位置控制。

4.階段3（保壓狀態(tài)-滑塊處于位置C）

A無流量設(shè)定；

B最大壓力設(shè)定；

C滑塊位置逐漸壓緊物料直至達到設(shè)定壓力，之后進入保壓狀態(tài)；

D如果保壓時間足夠長，可以關(guān)閉油路系統(tǒng)的控制閥，封閉油路完成保壓，此時可以關(guān)斷電機。

5.階段4（回程狀態(tài)-滑塊由位置C運行到位置A）

A同階段1，但運動方向相反。

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制邏輯的程序和控制工藝的程序會被放在可編程邏輯控制器(PLC)里執(zhí)行，而對于本項目使用的Siemens SINAMICS S120單軸伺服驅(qū)動器，它本身具備的驅(qū)動控制圖表DCC(Drive Control Chart)功能便可實現(xiàn)邏輯與工藝的編程，就好比伺服驅(qū)動器也裝上了一個聰明的大腦，幫助上位機分擔了一部分運算，這樣便省去了上位控制器和驅(qū)動器通訊的時間，使得單位時間里運算次數(shù)更多，提高了控制精度和程序運行效率。設(shè)備壓力精度從目標值1.5bar提高到0.1-0.3bar，位置精度從目標值0.015mm提高到0.005-0.0075mm，精度的提高讓我們手中的餐盤變得更加精美，讓你的空中旅行更有味道；同時加工效率也得到提升，最小滑塊工作循環(huán)周期為2-3s。

由于客戶期待樣機可以在2013年上海國際工業(yè)博覽會參展，而調(diào)試于開幕的前三周才開始，通常的樣機開發(fā)周期要將近一個月的時間，西門子的工程師面臨著時間緊、任務重的困難。得益于此項目采用的是全套西門子產(chǎn)品的電氣解決方案，基于全集成自動化（Totally Integrated Automation）的高效組態(tài)與調(diào)試，大大縮短了項目周期；另外由德國運動控制部應用技術(shù)中心針對伺服泵及液壓成型機具體工藝開發(fā)的算法程序包，極大程度地縮短了項目開發(fā)的周期，工程師只需修改相應接口的參數(shù)即可完成用戶自定義的工藝控制。使得原計劃近一個月的項目在一周左右的時間內(nèi)完成。此算法程序包由西門子免費提供并開放源代碼。更值得一提的是，西門子針對于不同行業(yè)和不同應用，提供了豐富的工藝包：印刷行業(yè)（Printing）、注塑行業(yè)（Injection Moulding Electric）以及收放卷應用（Winder）、飛剪應用（Flying Cutter）等等，使客戶節(jié)省了成本，并為設(shè)備的改進提供了上升的空間。

小小的餐盒也是來之不易，新設(shè)備的樣機開發(fā)更為艱難，但在西門子行業(yè)工藝應用的豐富支持下，再加上產(chǎn)品強大的功能和性能保障，讓這一切變得簡單高效，改變著工業(yè)，也改變著我們的生活！下一次你在享受云中飛翔的自由時，當陽光暖暖的灑在身上，為你披上一件柔亮的外衣，你在萬米高中品嘗著美味的午餐，手指劃過精致餐盤的瞬間，你能否感受到西門子正在裝飾我們的生活。