西門子運動控制解決方案為濟(jì)南二機(jī)床開卷落料之龍點睛

■ 西門子公司供稿

在如今的汽車板材生產(chǎn)車間里已經(jīng)很少能看到手持簡單工具零敲碎打的工人，取而代之的是高度集成、高度自動化的流水線作業(yè)，從原材料卷板到成型的汽車板材所需經(jīng)歷的開卷、清洗涂油、校平、落料和碼垛等操作可以通過“開卷落料線”的工藝流程先后完成。此類生產(chǎn)線在發(fā)達(dá)國家的汽車制造商中已普遍采用，并且逐漸走向了國內(nèi)企業(yè)的廠房之中。

濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)是目前國內(nèi)唯一一家能夠生產(chǎn)高檔開卷線的企業(yè)，也是中國規(guī)模最大的重型鍛壓設(shè)備和大型金屬切削機(jī)床制造企業(yè)，公司的生產(chǎn)和技術(shù)研發(fā)能力、產(chǎn)品品類和技術(shù)水平等方面多年來均位于國內(nèi)同行業(yè)的首位（見圖1）。

近期濟(jì)南二機(jī)床為株洲匯隆實業(yè)訂做了一條設(shè)計產(chǎn)能達(dá)5萬t（約500萬片）/年冷軋鋼板、年生產(chǎn)時間3 800h的大型開卷落料生產(chǎn)線。如果把整條生產(chǎn)線的設(shè)計實施比作描繪一條巨龍，那么解決生產(chǎn)線的運動控制問題就好比為這條龍注入靈動的活力——點睛。西門子為這點睛之筆提供了2個PLC300，分別控制開卷和堆垛；1臺Simotion D445運動控制器和7臺Sinamics S120；39臺Simotics 1FT6與1PH7電動機(jī)；4個ALM可回饋整流單元。此套系統(tǒng)在功效、精度及節(jié)能等方面的整體性能無不各具過人之處。通過西門子完整解決方案及全套電器設(shè)備的助力，整條生產(chǎn)線的工作效率、工藝精度和穩(wěn)定性均得到了大幅提升——使用一臺600T壓機(jī)實現(xiàn)了65次/min的最高沖次，送料速度最高可達(dá)70次/min和180m/min，加工精度達(dá)到了±0.15mm的水平。

圖1 濟(jì)南二機(jī)床廠區(qū)

為擺剪模保駕護(hù)航

開卷落料線并不是新興產(chǎn)業(yè)，但這并不意味著其中缺乏技術(shù)創(chuàng)新的空間。作為目前已趨于成熟的傳統(tǒng)生產(chǎn)線，各主要廠商競爭的焦點在于提高生產(chǎn)效率以及減少能耗。

通常的開卷落料線主要分為開卷、較平、活套、輥輪進(jìn)給和剪切（沖壓）等5個部分。由于汽車所需板材具有多種型號，而此次設(shè)計實現(xiàn)的生產(chǎn)線僅有1條，因此它對于成品規(guī)格而言必須具有一定的普適性，這種普適性是通過最后的剪切（沖壓）工藝中不同模具的更換而加以實現(xiàn)的（見圖2）。

然而模具的更換過程將不可避免地導(dǎo)致整個工序的全面停滯，因而成為了決定整個生產(chǎn)線整體效率的關(guān)鍵因素之一；以及由于制動和起動過程無不牽扯著巨大的能耗，更換模具也在生產(chǎn)過程的整體能耗中占有一席之地。為了在提高效率和減少能耗的焦點之戰(zhàn)中占得先機(jī)，濟(jì)南二機(jī)床在此項目中決定在模具體系中加入國內(nèi)市場中少有先例的“擺剪模”。的自如拆裝。應(yīng)用Park功能后，擺剪模的整個更換時間僅需3～4h，其中重新起動時間僅需1～2h，很大程度上提高了整個生產(chǎn)線的工作效率。

軸同步，效率與精度的同步

整條流水線是一個整體，它的整體效率受到諸多因素的協(xié)同影響，其中的另一個瓶頸因素是壓機(jī)送料。采用西門子的Simotion和Sinamics做壓機(jī)的主軸控制，齒輪同步非常方便，從而帶來產(chǎn)品整體性能的高度穩(wěn)定（見圖3）。

圖2 開卷落料線工藝簡圖

擺剪模是一種特殊的模具，它相比傳統(tǒng)的固定模具而言，最大的特點是可以在自身允許范圍內(nèi)變換不同的形狀（例如不同斜度的平行四邊形和不同角度的梯形），可以在不更換模具的情況下生產(chǎn)不同規(guī)格的板材成品，從而大大減少模具的更換次數(shù)，提高加工效率。值得一提的是，此次項目中擺剪模的控制系統(tǒng)同樣采用的是西門子的解決方案。

然而擺剪模作為一種“活”的模具，由于自帶形狀控制電機(jī)及其控制部件，牽扯和整個生產(chǎn)線的總線系統(tǒng)的對接等問題，它的更換過程相比傳統(tǒng)固定模具而言顯得更加復(fù)雜。如果沿用傳統(tǒng)的方式，拆裝舊模具的時候易造成較難解除的系統(tǒng)告警；安裝新模具的時候也將出現(xiàn)系統(tǒng)兼容性方面的諸多麻煩，將嚴(yán)重提高后期維護(hù)的難度并且降低生產(chǎn)效率。

西門子團(tuán)隊針對這一情況進(jìn)行了大量開創(chuàng)性的研發(fā)工作，成功地為此條生產(chǎn)線設(shè)計出了針對擺剪模拆裝的Park 功能，通過對系統(tǒng)總線中涉及擺剪?？刂频娜舾晒δ苣K的關(guān)閉與開啟，順利實現(xiàn)了擺剪模

圖3 西門子Sinamics產(chǎn)品在濟(jì)南二機(jī)床的應(yīng)用

具體而言，采用西門子解決方案的送料系統(tǒng)可以直接讀取伺服壓機(jī)的外部編碼器數(shù)據(jù)，直接知道壓機(jī)主軸的位置，實現(xiàn)軸同步，精準(zhǔn)控制壓機(jī)送料連續(xù)性，提高生產(chǎn)效率。而在其他廠家的類似解決方案中，同樣的反饋控制過程需要首先把伺服控制器或者編碼器的數(shù)據(jù)讀出，再通過通信發(fā)給送料控制器。西門子的這一改進(jìn)的直接結(jié)果是提高了通訊效率和降低了延遲，使送料機(jī)具有足夠“敏銳”的反應(yīng)余地，可以實時辨認(rèn)壓機(jī)的準(zhǔn)確位置，確定安全區(qū)域，從而使兩者可以同步工作，而不必等到壓機(jī)的上一次工作完全結(jié)束后再執(zhí)行下一次送料操作。這一改進(jìn)，不僅大大提高了生產(chǎn)效率，而且使得送料精度達(dá)到了±0.15mm。

制動能耗，自動回收

在能耗控制方面，西門子提供電氣設(shè)備的這條開卷落料線同樣具有不俗的表現(xiàn)，其中用于回收制動能耗的ALM模塊功不可沒。

在傳統(tǒng)的類似生產(chǎn)線中，送料、堆垛等電動機(jī)由于需要頻繁起停，會有大量能量堆疊消耗在周而復(fù)始的制動與起動、減速與加速之中。西門子提供的ALM模塊，可以在制動過程中對電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電進(jìn)行整流，并在檢測到直流母線電壓升高時將多余能量回饋給電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。該器件的能量反饋效率極高，電動機(jī)制動期間由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成的電能幾乎能夠無損地返回電網(wǎng)，以此大大降低了整條生產(chǎn)線的綜合能耗。

全套的運動控制解決方案不僅帶來了效率的提升和能耗的下降，更是直接導(dǎo)致了設(shè)計流程的簡化和項目周期的縮短——由于統(tǒng)一采用了西門子公司的器件，整條生產(chǎn)線各部分之間的兼容性取得了極大的提升，并且由于得到了西門子方面的技術(shù)指導(dǎo)，電氣方面在1～2個月的短暫時間內(nèi)即完成；由于器件之間的品牌一致性，客戶日后的維護(hù)工作也將得到無形的簡化。此外就器件性能而言，Simotion D445和Sinamics S120以其強(qiáng)大的功能受到了客戶極大好評；全套系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊功能更是受到了客戶的交口稱贊。

西門子的運動控制系統(tǒng)解決方案使得濟(jì)南二機(jī)床制造的這條龐大的生產(chǎn)線得以更加高效低耗、準(zhǔn)確自如地投入到交付后的生產(chǎn)工作之中，它的助力無疑為這條巨龍做了點睛之筆。