基于三維板料輸送的重型數(shù)控剪切中心技術(shù)升級(jí)與改造*＊

王東明

(天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司國(guó)家級(jí)技術(shù)中心，甘肅省制管裝備自動(dòng)化及信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741020)

1 基于三維板料輸送的數(shù)控剪切中心簡(jiǎn)介

過去一些國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的裝備，經(jīng)歷了從填補(bǔ)空白，到基本滿足用戶使用的過程。當(dāng)下要從基本滿足用戶使用，向高速度、高精度、高可靠性升級(jí)。如基于三維板料輸送的重型數(shù)控剪切中心是2004年根據(jù)重卡汽車大梁制造企業(yè)需求，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的全自動(dòng)寬臺(tái)面重型數(shù)控裝備。該裝備是集機(jī)、電、液、氣動(dòng)、真空于一體的機(jī)電一體化裝備，由主剪板機(jī)、側(cè)剪板機(jī)、吸盤上料機(jī)、夾鉗送料機(jī)、側(cè)擋料器、托料機(jī)、出料車和備料車共8臺(tái)套不同類型的設(shè)備組成［1］，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)可加工板料規(guī)格最大、自動(dòng)化程度最高的板料自動(dòng)剪切裝備。

該裝備經(jīng)過十幾年的使用，基本滿足了用戶使用需求，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。由于該裝備是十幾年前設(shè)計(jì)的，在一些功能、結(jié)構(gòu)、控制等方面，與今天的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累相比還有技術(shù)升級(jí)與改造的空間。

(1)主剪自動(dòng)送料效率不高。該裝備盡管實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)生產(chǎn)，但是工作流程繁雜，運(yùn)行速度低，影響整機(jī)效率。

(2)側(cè)剪定位過程需要側(cè)夾鉗重復(fù)多次定位，側(cè)剪板機(jī)工作時(shí)需要側(cè)夾鉗退讓，流程重疊，時(shí)間消耗多，影響整機(jī)效率。

(3)三維吸盤板料輸送機(jī)的鏈條傳動(dòng)，運(yùn)行速度低，運(yùn)行噪聲大。油缸提升機(jī)構(gòu)采用多缸機(jī)械同步，控制性能差，影響運(yùn)行效率。

(4)主剪板機(jī)效率不高。第一臺(tái)可剪板厚14 mm，可剪寬度12 m的寬臺(tái)面主剪板機(jī)，刀架運(yùn)行速度低，效率不高。

(5)真空吸盤運(yùn)行過程中，隨著使用年限的增加，真空吸盤橡膠材料出現(xiàn)脆裂，是吸盤老化的現(xiàn)象，性能變差，真空系統(tǒng)的密封性能降低，吸著響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)［2］。特別是在突然斷電情況下，真空系統(tǒng)泄漏量大，吸盤保持時(shí)間短，存在安全隱患。

(6)十幾年前的自動(dòng)控制方案，采用剪板機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)DAC350+西門子PLC系統(tǒng)+臺(tái)達(dá)HMI+埃莫森變頻器的系統(tǒng)集成方式，各自動(dòng)化公司產(chǎn)品之間不能實(shí)現(xiàn)通訊，無(wú)法完成數(shù)據(jù)和信息共享。

2 升級(jí)改造的目標(biāo)和任務(wù)

以重型剪切中心為主，從板料輔助上料到成品出料的全過程一體化全面解決方案，是剪、折生產(chǎn)線裝備制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)升級(jí)與改造的方向，是裝備制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)品智能升級(jí)的必然途徑。

改造升級(jí)的目標(biāo)是在保證剪切精度的前提下提高裝備工作穩(wěn)定性、可靠性、提高工作效率、完善故障報(bào)警功能;主剪板機(jī)效率提高20%，送料部分提高速度，優(yōu)化流程，整機(jī)效率提高30%～40%;自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)為基于西門子 T－CPU(technilogical tasks with SIMATIC)技術(shù)的全集成控制系統(tǒng)。

改造升級(jí)的任務(wù)是改造液壓系統(tǒng)提高主剪板機(jī)速度，提高效率;將主機(jī)送料機(jī)構(gòu)與側(cè)剪送料機(jī)構(gòu)，升級(jí)為二維兩軸前送料與單軸側(cè)送料一體化單元;將三維真空吸盤送料系統(tǒng)鏈條傳動(dòng)，升級(jí)為高精度齒輪齒條傳動(dòng)，半閉環(huán)位置控制;真空吸盤改造為永磁式電磁吸盤;提高基于三維板料輸送數(shù)控剪切中心自動(dòng)化和信息化水平、管控一體化水平，為車間級(jí)MES系統(tǒng)提供所需的控制和管理數(shù)據(jù)，為企業(yè)信息化升級(jí)提供設(shè)備級(jí)技術(shù)保障。

3 升級(jí)與改造方案

3.1 主機(jī)升級(jí)

目前國(guó)內(nèi)剪板機(jī)與國(guó)外同類剪板機(jī)相比存在的最大缺陷是剪切頻率低，能量損耗大［3］。研究表明，對(duì)剪板機(jī)剪切質(zhì)量影響最大的是刀架水平方向的變形。因此，剪板機(jī)刀架的有限元計(jì)算都是把剪切力作用下刀架刀片水平方向的位移作為衡量標(biāo)準(zhǔn)［4］。原設(shè)計(jì)在主機(jī)機(jī)架與刀架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、油缸連接方式、油缸缸徑等方面已經(jīng)做過了分析與驗(yàn)證。主機(jī)升級(jí)改造主要以提高剪切速度為主，主機(jī)油泵電動(dòng)機(jī)功率由原45 kW變成55 kW，油泵由原100 mL/r變?yōu)?25 mL/r，主機(jī)效率由原5次/min變成6次/min，主機(jī)效率提高20%。

3.1 前送料升級(jí)改造方案

取消原變頻器控制+普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+鏈條傳動(dòng)+檢測(cè)開關(guān)的輔助送料方式，升級(jí)為雙伺服電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)+高精度齒輪齒條傳動(dòng)的半閉環(huán)位置控制。送料流程簡(jiǎn)單，送料速度快、效率高。前送料功能由二維兩軸前送料與單軸側(cè)送料一體化單元中的二維兩軸前送料完成。前送料改造前后技術(shù)參數(shù)與功能對(duì)比如表1。

3.2 側(cè)送料升級(jí)改造方案

取消原側(cè)擋料器+側(cè)液壓夾鉗+檢查開關(guān)的送料方式，升級(jí)為單軸伺服電動(dòng)機(jī)+滾珠絲桿+直線導(dǎo)軌的半閉環(huán)位置控制。將板料精確送入側(cè)剪板機(jī)，完成板料自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)，自動(dòng)計(jì)算修邊量，修邊完成后主夾鉗將板料自動(dòng)送入主剪板機(jī)?？朔藗?cè)剪時(shí)多次重復(fù)定位，提高了側(cè)剪送料效率。側(cè)送料功能由二維兩軸前送料與單軸側(cè)送料一體化單元中的單軸側(cè)送料完成。側(cè)送料改造前后技術(shù)參數(shù)與功能對(duì)比如表2。

3.3 三維真空吸盤送料系統(tǒng)

取消前/后板料輸送由變頻器控制+普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+鏈條傳動(dòng)+檢測(cè)開關(guān)控制方式;取消左/右板料輸送由液壓油缸+檢測(cè)開關(guān)控制方式;取消上/下板料輸送由多液壓油缸+多缸機(jī)械同步機(jī)構(gòu)+檢測(cè)開關(guān)控制方式。升級(jí)為前/后;左/右;上/下板料輸送為變頻器控制+變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+高精度齒輪齒條傳動(dòng)+編碼器的半閉環(huán)位置控制方式。用戶使用鐵磁性板材，板材起吊方式將原真空吸盤全部改造為永磁式電磁吸盤，該類吸盤具有掉電保護(hù)功能和較大的吸力，非?？煽俊ＨS真空吸盤送料系統(tǒng)改造前后技術(shù)產(chǎn)數(shù)與功能對(duì)比如表3。

表1 前送料技術(shù)升級(jí)改造前后技術(shù)參數(shù)和功能對(duì)比

表2 側(cè)送料改造前后技術(shù)參數(shù)與功能對(duì)比

表3 三維真空吸盤送料系統(tǒng)改造前后技術(shù)參數(shù)與功能對(duì)比

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)升級(jí)

3.2.1 取消DAC350剪板機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)

原系統(tǒng)采用DAC350剪板機(jī)專用數(shù)控系統(tǒng)+西門子PLC的控制方式。DAC350專用數(shù)控系統(tǒng)能完成后擋料伺服、剪切角、剪切間隙、剪切行程等控制功能。PLC與DAC350之間只能通過I/O量來(lái)交換邏輯信號(hào)，無(wú)法通訊，傳輸數(shù)字量信號(hào)。升級(jí)后的基于TCPU平臺(tái)開發(fā)的剪切中心數(shù)控系統(tǒng)，除了能實(shí)現(xiàn)DAC350所有控制功能外，T－CPU提供了S7－300 PLC邏輯控制的同時(shí)，提供了典型的多軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、壓力控制和液壓軸的控制功能，是一種實(shí)用性很強(qiáng)的電氣液壓多功能控制平臺(tái)［5］。基于Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)使設(shè)備的故障率降低至最低，各主要測(cè)量元件都接入至網(wǎng)絡(luò)或分布式I/O，保證其信號(hào)穩(wěn)定的同時(shí)傳輸率也明顯提高［6］。預(yù)留的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)將控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)高度集成，實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)控制數(shù)據(jù)共享與無(wú)縫鏈接，實(shí)現(xiàn)車間級(jí)MES系統(tǒng)通訊的軟硬件組態(tài)方便快捷。圖1是基于三維板料輸送的重型數(shù)控剪切中心自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

3.2.2 應(yīng)用T－CPU技術(shù)的三軸伺服控制系統(tǒng)

原前送料由變頻器控制+普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+鏈條傳動(dòng)+位置檢查開關(guān)的輔助推料方式，主要作用是將板料送至一定范圍內(nèi)，再由氣缸推動(dòng)板料靠緊數(shù)控后擋料;板料的剪切精度由后擋料控制，自動(dòng)控制系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的I/O量控制。技術(shù)升級(jí)為應(yīng)用T－CPU技術(shù)的前送料X1、X2伺服電動(dòng)機(jī)組成的兩軸數(shù)控系統(tǒng)，和側(cè)送料Z軸伺服電動(dòng)機(jī)組成的單軸數(shù)控系統(tǒng)。三軸伺服驅(qū)動(dòng)器掛接在IM－174模塊上，通過DP(DRIVE)接口和IM174模塊鏈接。每個(gè)IM174模塊，可以輸出4個(gè)獨(dú)立的模擬量給定信號(hào);編碼器類型可以選擇4個(gè)TTL增量型編碼器;20路I/O點(diǎn)，和T－CPU的同步通訊速率最大到 12MBbit/s［7］。X1、X2軸為雙伺服電動(dòng)機(jī)位置半閉環(huán)控制，同時(shí)X1、X2軸實(shí)現(xiàn)同步控制;Z軸為伺服電動(dòng)機(jī)半閉環(huán)控制。圖2是應(yīng)用T－CPU+IM174模塊的三軸伺服控制系統(tǒng)圖。