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會“思考”的伺服驅動——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

時間：2014-04-24 09:50:24來源：西門子（中國）有限公司工業業務領域

導語：?高速發展的現代生活，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，但可能從來不會關心盛裝簡餐的餐盒是如何生產出來的。類似的這種餐盒是由塑料板原材料，經過成型機加，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域中大規模使用的沖壓設備，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。與傳統的沖壓工藝相比，液壓成型工藝在減輕重量、減少零件數量和模具數量、提高剛度與強度、降低生產成本等方面具有明顯的技術和經濟優勢，而伺服液壓成型機在設備油路系統中通過采用伺服泵，在節約能源的同時，大幅提高了設備的壓力與位置精度，使產品的質量得到更高保障，在工業領域中得到了越來越多的應用，是成型機中當之無愧的“戰斗機”。

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商，該公司主要產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中心和西門子工業自動化有限公司(SIAS)提供全套電氣產品解決方案。此臺樣機于2013年上海國際工業博覽會前夕投入開發，并計劃參加展覽，客戶一方面對設備的位置和壓力精度有很高要求，另一方面希望設備能在三周內完成調試。所以該項目面臨著開發周期短、開發難度大的種種困難。

下圖為系統拓撲：

液壓機械是通過流體進行工作的設備和工具。在這類設備中，液壓油通過液壓泵以高壓被傳送到設備中的執行機構(滑塊)，而液壓泵由發動機或者電動馬達驅動。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，就構成伺服泵。與單純動力泵區別在于，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，根據不同工況所需供給相應流量的液壓油，一方面達到節能的目一方面達到節能的目的，另一方面由于伺服電機可以精確控制液壓泵，使得油路驅動的執行機構(滑塊)運行精度大幅提高。

上方左側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)；右側為滑塊不同工藝段的伺服泵流量和液壓系統壓力的對應曲線。具體工藝如下：

1.階段0（空閑狀態-滑塊處于位置A）

A滑塊不動，處于工作循環周期的開始；

B無流量設定；

C無壓力設定（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，如果工作循環周期比較長，可以通過關閉油路系統的控制閥，使滑塊停止在該位置。

2.階段1（快下狀態-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設定最大流量值；

C無壓力設定（如果是垂直運行的滑塊，其重力可幫助其加速下滑）；

D此階段可通過驅動器壓頻比控制（V/F控制）、速度控制或位置控制實現。

3.階段2（下壓狀態-滑塊由位置B運行到位置C）

A需要設定最大流量值20%左右的流量；

B需要設定最大壓力值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-滑塊處于位置C）

A無流量設定；

B最大壓力設定；

C滑塊位置逐漸壓緊物料直至達到設定壓力，之后進入保壓狀態；

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

5.階段4（回程狀態-滑塊由位置C運行到位置A）

A同階段1，但運動方向相反。

在傳統的控制系統中，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)里執行，而對于本項目使用的SiemensSINAMICSS120單軸伺服驅動器，它本身具備的驅動控制圖表DCC(DriveControlChart)功能便可實現邏輯與工藝的編程，就好比伺服驅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動器通訊的時間，使得單位時間里運算次數更多，提高了控制精度和程序運行效率。設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，最小滑塊工作循環周期為2-3s。

由于客戶期待樣機可以在2013年上海國際工業博覽會參展，而調試于開幕的前三周才開始，通常的樣機開發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品的電氣解決方案，基于全集成自動化（TotallyIntegratedAutomation）的高效組態與調試，大大縮短了項目周期；另外由德國運動控制部應用技術中心針對伺服泵及液壓成型機具體工藝開發的算法程序包，極大程度地縮短了項目開發的周期，工程師只需修改相應接口的參數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和不同應用，提供了豐富的工藝包：印刷行業（Printing）、注塑行業（InjectionMouldingElectric）以及收放卷應用（Winder）、飛剪應用（FlyingCutter）等等，使客戶節省了成本，并為設備的改進提供了上升的空間。

小小的餐盒也是來之不易，新設備的樣機開發更為艱難，但在西門子行業工藝應用的豐富支持下，再加上產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，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。