基于三維板料輸送的重型數控剪切中心技術升級與改造*＊

王東明

(天水鍛壓機床(集團)有限公司國家級技術中心，甘肅省制管裝備自動化及信息化重點實驗室，甘肅天水741020)

1 基于三維板料輸送的數控剪切中心簡介

過去一些國內自主研發的裝備，經歷了從填補空白，到基本滿足用戶使用的過程。當下要從基本滿足用戶使用，向高速度、高精度、高可靠性升級。如基于三維板料輸送的重型數控剪切中心是2004年根據重卡汽車大梁制造企業需求，設計、生產的全自動寬臺面重型數控裝備。該裝備是集機、電、液、氣動、真空于一體的機電一體化裝備，由主剪板機、側剪板機、吸盤上料機、夾鉗送料機、側擋料器、托料機、出料車和備料車共8臺套不同類型的設備組成［1］，是當時國內可加工板料規格最大、自動化程度最高的板料自動剪切裝備。

該裝備經過十幾年的使用，基本滿足了用戶使用需求，設備運行穩定。由于該裝備是十幾年前設計的，在一些功能、結構、控制等方面，與今天的技術和經驗積累相比還有技術升級與改造的空間。

(1)主剪自動送料效率不高。該裝備盡管實現了全自動生產，但是工作流程繁雜，運行速度低，影響整機效率。

(2)側剪定位過程需要側夾鉗重復多次定位，側剪板機工作時需要側夾鉗退讓，流程重疊，時間消耗多，影響整機效率。

(3)三維吸盤板料輸送機的鏈條傳動，運行速度低，運行噪聲大。油缸提升機構采用多缸機械同步，控制性能差，影響運行效率。

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

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

(6)十幾年前的自動控制方案，采用剪板機專用數控系統DAC350+西門子PLC系統+臺達HMI+埃莫森變頻器的系統集成方式，各自動化公司產品之間不能實現通訊，無法完成數據和信息共享。

2 升級改造的目標和任務

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、折生產線裝備制造企業產品研發、技術升級與改造的方向，是裝備制造企業實現創新驅動、產品智能升級的必然途徑。

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

改造升級的任務是改造液壓系統提高主剪板機速度，提高效率;將主機送料機構與側剪送料機構，升級為二維兩軸前送料與單軸側送料一體化單元;將三維真空吸盤送料系統鏈條傳動，升級為高精度齒輪齒條傳動，半閉環位置控制;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控剪切中心自動化和信息化水平、管控一體化水平，為車間級MES系統提供所需的控制和管理數據，為企業信息化升級提供設備級技術保障。

3 升級與改造方案

3.1 主機升級

目前國內剪板機與國外同類剪板機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，對剪板機剪切質量影響最大的是刀架水平方向的變形。因此，剪板機刀架的有限元計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準［4］。原設計在主機機架與刀架結構優化設計、油缸連接方式、油缸缸徑等方面已經做過了分析與驗證。主機升級改造主要以提高剪切速度為主，主機油泵電動機功率由原45 kW變成55 kW，油泵由原100 mL/r變為125 mL/r，主機效率由原5次/min變成6次/min，主機效率提高20%。

3.1 前送料升級改造方案

取消原變頻器控制+普通電動機驅動+鏈條傳動+檢測開關的輔助送料方式，升級為雙伺服電動機同步驅動+高精度齒輪齒條傳動的半閉環位置控制。送料流程簡單，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參數與功能對比如表1。

3.2 側送料升級改造方案

取消原側擋料器+側液壓夾鉗+檢查開關的送料方式，升級為單軸伺服電動機+滾珠絲桿+直線導軌的半閉環位置控制。將板料精確送入側剪板機，完成板料自動測長，自動計算修邊量，修邊完成后主夾鉗將板料自動送入主剪板機。克服了側剪時多次重復定位，提高了側剪送料效率。側送料功能由二維兩軸前送料與單軸側送料一體化單元中的單軸側送料完成。側送料改造前后技術參數與功能對比如表2。

3.3 三維真空吸盤送料系統

取消前/后板料輸送由變頻器控制+普通電動機驅動+鏈條傳動+檢測開關控制方式;取消左/右板料輸送由液壓油缸+檢測開關控制方式;取消上/下板料輸送由多液壓油缸+多缸機械同步機構+檢測開關控制方式。升級為前/后;左/右;上/下板料輸送為變頻器控制+變頻電動機驅動+高精度齒輪齒條傳動+編碼器的半閉環位置控制方式。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功能和較大的吸力，非常可靠。三維真空吸盤送料系統改造前后技術產數與功能對比如表3。

表1 前送料技術升級改造前后技術參數和功能對比

表2 側送料改造前后技術參數與功能對比

表3 三維真空吸盤送料系統改造前后技術參數與功能對比

3.2 自動控制系統升級

3.2.1 取消DAC350剪板機專用數控系統

原系統采用DAC350剪板機專用數控系統+西門子PLC的控制方式。DAC350專用數控系統能完成后擋料伺服、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量來交換邏輯信號，無法通訊，傳輸數字量信號。升級后的基于TCPU平臺開發的剪切中心數控系統，除了能實現DAC350所有控制功能外，T－CPU提供了S7－300 PLC邏輯控制的同時，提供了典型的多軸聯動運動控制、壓力控制和液壓軸的控制功能，是一種實用性很強的電氣液壓多功能控制平臺［5］。基于Profibus－DP網絡的控制系統使設備的故障率降低至最低，各主要測量元件都接入至網絡或分布式I/O，保證其信號穩定的同時傳輸率也明顯提高［6］。預留的以太網接口實現將控制系統與管理系統高度集成，實現整機自動控制數據共享與無縫鏈接，實現車間級MES系統通訊的軟硬件組態方便快捷。圖1是基于三維板料輸送的重型數控剪切中心自動控制系統結構圖。

3.2.2 應用T－CPU技術的三軸伺服控制系統

原前送料由變頻器控制+普通電動機驅動+鏈條傳動+位置檢查開關的輔助推料方式，主要作用是將板料送至一定范圍內，再由氣缸推動板料靠緊數控后擋料;板料的剪切精度由后擋料控制，自動控制系統由簡單的I/O量控制。技術升級為應用T－CPU技術的前送料X1、X2伺服電動機組成的兩軸數控系統，和側送料Z軸伺服電動機組成的單軸數控系統。三軸伺服驅動器掛接在IM－174模塊上，通過DP(DRIVE)接口和IM174模塊鏈接。每個IM174模塊，可以輸出4個獨立的模擬量給定信號;編碼器類型可以選擇4個TTL增量型編碼器;20路I/O點，和T－CPU的同步通訊速率最大到 12MBbit/s［7］。X1、X2軸為雙伺服電動機位置半閉環控制，同時X1、X2軸實現同步控制;Z軸為伺服電動機半閉環控制。圖2是應用T－CPU+IM174模塊的三軸伺服控制系統圖。