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會“思考”的伺服驅(qū)動——西門子運(yùn)動控制解決方案在得力仕伺服液壓成型機(jī)上的應(yīng)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(wù)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(jī)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(jī)加，就變成了陪伴我們飛行旅程的美味伴侶。

成型機(jī)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(jī)和機(jī)械式飛輪曲柄成型機(jī)應(yīng)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(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本等方面具有明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，而伺服液壓成型機(jī)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(shí)，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(yīng)用，是成型機(jī)中當(dāng)之無愧的“戰(zhàn)斗機(jī)”。

東莞市得力仕機(jī)械科技有限公司（下文簡稱得力仕）是一家液壓機(jī)械生產(chǎn)商，該公司主要產(chǎn)品為伺服液壓成型機(jī)，對于此類成型機(jī)，壓力精度和定位精度是衡量設(shè)備性能的重要指標(biāo)，而該公司為了提高其30噸級伺服液壓成型機(jī)的壓力精度和定位精度，在新機(jī)型上采用了西門子運(yùn)動控制部應(yīng)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(jī)于2013年上海國際工業(yè)博覽會前夕投入開發(fā)，并計(jì)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(xiàng)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?fù)洌?/p>

液壓機(jī)械是通過流體進(jìn)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(jī)構(gòu)(滑塊)，而液壓泵由發(fā)動機(jī)或者電動馬達(dá)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(jī)采用伺服泵作為驅(qū)動油路的元件。用伺服電機(jī)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(yīng)流量的液壓油，一方面達(dá)到節(jié)能的目一方面達(dá)到節(jié)能的目的，另一方面由于伺服電機(jī)可以精確控制液壓泵，使得油路驅(qū)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(滑塊)運(yùn)行精度大幅提高。

上方左側(cè)圖為滑塊重要工藝點(diǎn)的三個(gè)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(yīng)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(yùn)行的滑塊需要附加壓力補(bǔ)償其重力）；

D對于垂直運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)。

3.階段2（下壓狀態(tài)-滑塊由位置B運(yùn)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(jìn)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(dá)到設(shè)定壓力，之后進(jìn)入保壓狀態(tài)；

D如果保壓時(shí)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(shí)可以關(guān)斷電機(jī)。

5.階段4（回程狀態(tài)-滑塊由位置C運(yùn)行到位置A）

A同階段1，但運(yùn)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(xiàng)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(shí)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(gè)聰明的大腦，幫助上位機(jī)分擔(dān)了一部分運(yùn)算，這樣便省去了上位控制器和驅(qū)動器通訊的時(shí)間，使得單位時(shí)間里運(yùn)算次數(shù)更多，提高了控制精度和程序運(yùn)行效率。設(shè)備壓力精度從目標(biāo)值1.5bar提高到0.1-0.3bar，位置精度從目標(biāo)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(shí)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(jī)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(jī)開發(fā)周期要將近一個(gè)月的時(shí)間，西門子的工程師面臨著時(shí)間緊、任務(wù)重的困難。得益于此項(xiàng)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(xiàng)目周期；另外由德國運(yùn)動控制部應(yīng)用技術(shù)中心針對伺服泵及液壓成型機(jī)具體工藝開發(fā)的算法程序包，極大程度地縮短了項(xiàng)目開發(fā)的周期，工程師只需修改相應(yīng)接口的參數(shù)即可完成用戶自定義的工藝控制。使得原計(jì)劃近一個(gè)月的項(xiàng)目在一周左右的時(shí)間內(nèi)完成。此算法程序包由西門子免費(fèi)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(yīng)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(yīng)用（Winder）、飛剪應(yīng)用（Flying Cutter）等等，使客戶節(jié)省了成本，并為設(shè)備的改進(jìn)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(jī)開發(fā)更為艱難，但在西門子行業(yè)工藝應(yīng)用的豐富支持下，再加上產(chǎn)品強(qiáng)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(shí)，當(dāng)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。