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運動控製/ 伺服技術 “E-motion”節能方案

2015-2-23 來源：數控（kòng）機床市場（chǎng）網作者：-

液（yè）壓泵和伺服（fú）電機組合（hé）使用是一種高效和高（gāo）動態響應的解（jiě）決方案。壓缸製造商Lasco 將這種伺服電泵驅動應用於體積成形和板材成形（xíng）加工。“該（gāi）驅動係統帶來了出乎意料的好處（chù）”，位（wèi）於科堡的金屬技術成形壓缸製造商 Lasco 公司（sī）的電氣工程部經理Harald Barnickel 碩（shuò）士說道。“新的伺服技術能（néng）夠顯（xiǎn）著的提升節能效應”，HaraldBarnickel 介（jiè）紹，他將這（zhè）一（yī）點歸結為全新金屬成形技術的最大優勢。此外，一流的體積成形和板材成形設備製造商還會製造螺旋壓缸、鍛錘、橫楔軋機（jī）、輥鍛（duàn）機，甚至是用於生產石灰石（shí）產品的（de）建材（cái）機械（xiè）裝置。1863 年（nián）公司成立，主要從事鑄（zhù）鐵生產，幾年（nián）後開始製（zhì）造水（shuǐ）輪機（jī），自1880 年開始（shǐ）製造鍛機。

從那以後，公司的業務核心便是製造金屬成形技術設備。多年來，Lasco 多年來一直麵（miàn）向全球市場（chǎng）。該部門經理還（hái）稱：“作為方案（àn）供應商，我們還研發了用戶專用設備，包括可優化壓（yā）缸（gāng）內部運輸工件以及運送零件的（de）自動化裝置。”該企業（yè）堅持優化自身的加工過程和工藝。上文提到的伺服技術便是這樣一個工藝裏程碑，如最新投入市場的壓製力為（wéi）800 t，每分鍾最高可達40 個（gè）衝程的拉深壓力機。

快速運動控製（zhì）器是核心

“最初的應用（yòng）表明了此類伺服技（jì）術能夠帶來非常好的結果”，電氣工程師Harald Barnickel 說道：“與西門子伺服（fú）電機Simotics 1PH8 的組合構成（chéng）了此類解決方案的核心，液壓泵（bèng）由該伺服（fú）電機直接驅動該驅動由 Sinamics S120 變頻器（qì）控製。控製係統Simotion D445 負責軸（zhóu）的總行程、速度和位置調節（二者都來（lái）自同一製造商)。在250 μs 的響應時間內最（zuì）多可以對256 根軸進行快速同（tóng）步並運（yùn）行出非常精準的運（yùn）動輪廓和曲線輪廓。調節技術和性能方麵都適（shì）用於（yú）該應用。”

上述拉深壓（yā）力機（jī）要能（néng）在設置了運動輪廓後按規定的壓力和壓製速度運（yùn）行。此時便可以借助伺服電機上的扭矩（jǔ）預先設置（zhì）好液（yè）壓力和壓製（zhì）力。此時，可（kě）通過電機轉速和泵的流量對挺杆的速度進行調節（jiē）。所述項目中使用的是每轉帶有固定液體流量的軸向（xiàng）柱塞泵（bèng）。

位於科堡（bǎo）的金屬成形技術有限責任公司研發出了一款用於壓缸的伺服電泵驅動，相比於傳統的閥門調節器，它更加節能。

泵係統的可擴展（zhǎn）性是一大（dà）優勢Harald Barnickel 稱：“四種泵係統中，壓力最大為250bar 的那個用於為挺杆的（de）壓力（lì）升（shēng）程提供高壓管道，其它三個負責壓杆的回程。也可進（jìn）行擴（kuò）展，即根據需要調整此類標準化（huà）伺服解決方案，這是新技術不可低估的一個優勢。”據了（le）解，拉深壓力機的油罐中裝有大約9000L 的液（yè）壓油。在（zài）挺杆作快速下行運動時，由於流量高達16000 L/min，因此，需要用到（dào）補油閥。壓製過程中，速度最高可達100 mm/s，此時，伺服泵會提供所需的流量。過去為了精準地顯（xiǎn）示運行輪廓，需要用到高精度零切割調節閥，而如今（jīn），連接（jiē）著（zhe）伺服泵的運動控製係統會全權負責該任務。借助該技術，在（zài）壓製過程中最高可以省去40% 的閥（fá）門技術。原則上應（yīng）保留餘下的閥門技術，以滿足機器安全相關方麵的要求。

性能裏程碑

新技術取代了傳統（tǒng）昂貴的閥門技術，本質上（shàng）也改（gǎi）善了能量平衡，正如電氣（qì）技術專家Harald Barnickel 所述（shù）：“過去（qù），Lasco 在進行（háng）第一次試運行（háng）時就必須安裝好用於液壓油的大型（xíng）冷卻係統，而如今（jīn）采用伺服技術後則隻需一個小（xiǎo）型冷卻設備，甚至隻有在進（jìn）行現（xiàn）場（chǎng）生產時才（cái）需用到。”這樣做的（de）原因之一就（jiù）是油不（bú）再是通過狹窄的縫隙擠壓到調節閥的控製（zhì）邊緣（yuán）上，也不會再產生（shēng）工藝方麵的損耗。壓製機製造商非常（cháng）重（chóng）視通過這種方式來提高效率，和舊機器相比，新伺服技術能幫（bāng）助用戶節省大量的電費。實際節能程度取決（jué）於各個應用。將新（xīn）技術與采用“黑白（bái）技術”的簡式液壓機和（hé）采用控製技術的（de）壓（yā）製機進行對（duì）比，前者的節能效果一定會更好。由於拉力也是由采（cǎi）用伺服電機的泵產生的（de）且拉深墊泵的電機是作為發電

機工作（zuò）的，因此，拉製過程（chéng）中的節能效果尤為明顯。

電氣（qì）技術的另（lìng）一（yī）個優點在於對液壓（yā）油進行減壓（yā）時甚至可（kě）以回（huí）收能（néng）量，原因是在補油閥進行補油前，減壓過程中主動缸要從250 bar 減壓至10 bar 左右，該過程大約持續100 ms。

如果所用液壓油的壓縮比例在2.5 左右且氣缸的容量為800L，那麽所含的“彈簧能”會（huì）流經軸向柱（zhù）塞泵並驅動伺服電機。此外，對壓製（zhì）機（jī）進行減壓也會增強該效果。在所謂（wèi）的再生運行（háng）模式下，還可以為變頻器S120 的（de）直流母線提供相應（yīng）的電能。“但不僅僅是獲得能量這一個優點，在傳統方案中，還可能會產生額外的熱損耗”，Harald Barnickel 說道。

簡單優化·立即（jí）記錄所有內容

盡管西門子（zǐ）的Simotion 控製（zhì）係（xì）統是專為運動控製應用的（de）要求而（ér）優（yōu）化（huà）的，但除了整個設備（bèi）的控製係統，該係統也可發揮作用。但在Lasco，會遵循分開（kāi）的任（rèn）務區域的特（tè）性並為設備的控（kòng）製係統配備一個獨立的可編程控製器，將其用作故障安全控製器以滿足安全技術的（de）要求。原則（zé）上，可通過多種方法對Simotion 進行編程，如通過標準語言、圖形編程或運動控製圖(MCC) 以及一個傳統的邏輯控製器。帶有8 個通道記錄儀的（de）跟蹤功能可幫助調試人員對（duì）壓製過程進行詳細的記錄。調節參數保存在驅動中，從而確保對驅動（dòng）係統的完整記錄。

安全技術易集成

此外，還可以使用西門子的故障安全PLC Simatic S7-319 F 3PN/DP，將其用作設備（bèi）的控製係統，以滿足整體安（ān）全技術的要（yào）求，而無需額外的投入。通過同一品牌的分布式外設站Simatic ET200S 可以讀取故障安全信號並通過Profisafe 將其傳送到控製係統中。對於壓製專家Lasco 來說這是一個完美的（de）整體解決方案：“這樣我們就可以確保機器（qì）有一個清晰的架構（gòu）。”通常，係統會配（pèi）備兩個監控閥門（mén），從而對設定（dìng）模（mó）式（shì）下降低的挺杆（gǎn）運行速（sù）度進行監控。而最新的解決方案是：在故障安全變頻器（qì）S120 中，除了會監控降低的速度(Safely Limited Speed: SLS)，還會監控安全停止 (SafeStop 1: SS1)。

西門子為壓缸設備提供了同步（bù）型和異（yì）步（bù）型兩種（zhǒng）伺服（fú）電機。挺杆的動態響應能（néng）力決定了采用哪種類型的伺服電機。

係統一體化實現簡單編程在很多專（zhuān）家看來，西門子提供的解（jiě）決方（fāng）案的另一個（gè）優勢是係統一體化（huà），這（zhè）樣變頻器便可（kě）以自動識別伺服電機並讀（dú）取其參（cān）數。該伺服解決方（fāng）案中有趣的一點是：提（tí）供了同步和異步兩種類型（xíng）的1PH8 電機。具體采用哪種類型的電機由應用所要求的動態響應能力決定。兩種類型的電機具（jù）有相同的（de）機械結構尺寸，采用相同的布線方式和編碼器連接方式。這也表明了現代技術是極具優勢（shì）的：放棄了傳（chuán）統的17 芯電纜（lǎn），取而代之的是帶有RJ45 連接器的（de）單芯電纜。

最終，這個以（yǐ）一個伺服電泵控製（zhì）係統為基礎的用於液壓機的新（xīn）驅動方案使整個係統得到了明顯的改善：相比於以前傳統的閥門控製器，除節能效果得到提高外，調節精度也得到了大幅提升。正如上文所述，這樣就可以精準運行出任意指定的運動輪廓。

在（zài）某些壓（yā）製（zhì）過程中，運（yùn）動控製係統也（yě）證實了自己具有（yǒu）極大的幫助作用，比如：如果挺杆運行到（dào）了上（shàng）止點，Simotion中的位置閉環控製會對可能的漏損（sǔn）進行補償。HaraldBarnickels 總結道：“相比於單純的閥門技術，使用（yòng）伺（sì）服技術能夠明顯地提高（gāo）精確度。

伺服技術提高了壓製機中的動態響應能力以西門子運動控製器Simotion 為基礎，針對大型液壓泵的新伺服技術研發使得Lasco 金屬成形技術（shù）有限責任公司在短期內已經為用戶帶來了巨大的（de）收益。不僅僅是製造新的機器有助於推動擁有400 名（míng）員（yuán）工的企業節省成本和改善質量，上述驅（qū）動方（fāng）案（àn）也適用於對產品（pǐn）進行改裝和更新。借助由（yóu）伺服電機Simotics 1PH8、Sinamics S120 變頻器和運動控製單元組（zǔ）成（chéng）的標準方案，Lasco 金屬成形技（jì）術有限公司（sī）已經證明：如果在液壓泵中優（yōu）先選擇了伺服電（diàn）泵驅動，而不是單純的閥門技術，則可以獲得符合市場需要的更好的動態響應能力、更（gèng）高的精度（dù）和更低的（de）能耗（hào）。

HaraldBarnickel 表示：“誰先勇於麵對“E-motion”壓製技術的挑（tiāo）戰，誰就先贏得機遇，突破創新。”

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