基于三维板料输送的重型数控剪切中心技术升级与改造*＊

王东明

(天水锻压机床(集团)有限公司国家级技术中心，甘肃省制管装备自动化及信息化重点实验室，甘肃天水741020)

1 基于三维板料输送的数控剪切中心简介

过去一些国内自主研发的装备，经历了从填补空白，到基本满足用户使用的过程。当下要从基本满足用户使用，向高速度、高精度、高可靠性升级。如基于三维板料输送的重型数控剪切中心是2004年根据重卡汽车大梁制造企业需求，设计、生产的全自动宽台面重型数控装备。该装备是集机、电、液、气动、真空于一体的机电一体化装备，由主剪板机、侧剪板机、吸盘上料机、夹钳送料机、侧挡料器、托料机、出料车和备料车共8台套不同类型的设备组成［1］，是当时国内可加工板料规格最大、自动化程度最高的板料自动剪切装备。

该装备经过十几年的使用，基本满足了用户使用需求，设备运行稳定。由于该装备是十几年前设计的，在一些功能、结构、控制等方面，与今天的技术和经验积累相比还有技术升级与改造的空间。

(1)主剪自动送料效率不高。该装备尽管实现了全自动生产，但是工作流程繁杂，运行速度低，影响整机效率。

(2)侧剪定位过程需要侧夹钳重复多次定位，侧剪板机工作时需要侧夹钳退让，流程重叠，时间消耗多，影响整机效率。

(3)三维吸盘板料输送机的链条传动，运行速度低，运行噪声大。油缸提升机构采用多缸机械同步，控制性能差，影响运行效率。

(4)主剪板机效率不高。第一台可剪板厚14 mm，可剪宽度12 m的宽台面主剪板机，刀架运行速度低，效率不高。

(5)真空吸盘运行过程中，随着使用年限的增加，真空吸盘橡胶材料出现脆裂，是吸盘老化的现象，性能变差，真空系统的密封性能降低，吸着响应时间变长［2］。特别是在突然断电情况下，真空系统泄漏量大，吸盘保持时间短，存在安全隐患。

(6)十几年前的自动控制方案，采用剪板机专用数控系统DAC350+西门子PLC系统+台达HMI+埃莫森变频器的系统集成方式，各自动化公司产品之间不能实现通讯，无法完成数据和信息共享。

2 升级改造的目标和任务

以重型剪切中心为主，从板料辅助上料到成品出料的全过程一体化全面解决方案，是剪、折生产线装备制造企业产品研发、技术升级与改造的方向，是装备制造企业实现创新驱动、产品智能升级的必然途径。

改造升级的目标是在保证剪切精度的前提下提高装备工作稳定性、可靠性、提高工作效率、完善故障报警功能;主剪板机效率提高20%，送料部分提高速度，优化流程，整机效率提高30%～40%;自动控制系统升级为基于西门子 T－CPU(technilogical tasks with SIMATIC)技术的全集成控制系统。

改造升级的任务是改造液压系统提高主剪板机速度，提高效率;将主机送料机构与侧剪送料机构，升级为二维两轴前送料与单轴侧送料一体化单元;将三维真空吸盘送料系统链条传动，升级为高精度齿轮齿条传动，半闭环位置控制;真空吸盘改造为永磁式电磁吸盘;提高基于三维板料输送数控剪切中心自动化和信息化水平、管控一体化水平，为车间级MES系统提供所需的控制和管理数据，为企业信息化升级提供设备级技术保障。

3 升级与改造方案

3.1 主机升级

目前国内剪板机与国外同类剪板机相比存在的最大缺陷是剪切频率低，能量损耗大［3］。研究表明，对剪板机剪切质量影响最大的是刀架水平方向的变形。因此，剪板机刀架的有限元计算都是把剪切力作用下刀架刀片水平方向的位移作为衡量标准［4］。原设计在主机机架与刀架结构优化设计、油缸连接方式、油缸缸径等方面已经做过了分析与验证。主机升级改造主要以提高剪切速度为主，主机油泵电动机功率由原45 kW变成55 kW，油泵由原100 mL/r变为125 mL/r，主机效率由原5次/min变成6次/min，主机效率提高20%。

3.1 前送料升级改造方案

取消原变频器控制+普通电动机驱动+链条传动+检测开关的辅助送料方式，升级为双伺服电动机同步驱动+高精度齿轮齿条传动的半闭环位置控制。送料流程简单，送料速度快、效率高。前送料功能由二维两轴前送料与单轴侧送料一体化单元中的二维两轴前送料完成。前送料改造前后技术参数与功能对比如表1。

3.2 侧送料升级改造方案

取消原侧挡料器+侧液压夹钳+检查开关的送料方式，升级为单轴伺服电动机+滚珠丝杆+直线导轨的半闭环位置控制。将板料精确送入侧剪板机，完成板料自动测长，自动计算修边量，修边完成后主夹钳将板料自动送入主剪板机。克服了侧剪时多次重复定位，提高了侧剪送料效率。侧送料功能由二维两轴前送料与单轴侧送料一体化单元中的单轴侧送料完成。侧送料改造前后技术参数与功能对比如表2。

3.3 三维真空吸盘送料系统

取消前/后板料输送由变频器控制+普通电动机驱动+链条传动+检测开关控制方式;取消左/右板料输送由液压油缸+检测开关控制方式;取消上/下板料输送由多液压油缸+多缸机械同步机构+检测开关控制方式。升级为前/后;左/右;上/下板料输送为变频器控制+变频电动机驱动+高精度齿轮齿条传动+编码器的半闭环位置控制方式。用户使用铁磁性板材，板材起吊方式将原真空吸盘全部改造为永磁式电磁吸盘，该类吸盘具有掉电保护功能和较大的吸力，非常可靠。三维真空吸盘送料系统改造前后技术产数与功能对比如表3。

表1 前送料技术升级改造前后技术参数和功能对比

表2 侧送料改造前后技术参数与功能对比

表3 三维真空吸盘送料系统改造前后技术参数与功能对比

3.2 自动控制系统升级

3.2.1 取消DAC350剪板机专用数控系统

原系统采用DAC350剪板机专用数控系统+西门子PLC的控制方式。DAC350专用数控系统能完成后挡料伺服、剪切角、剪切间隙、剪切行程等控制功能。PLC与DAC350之间只能通过I/O量来交换逻辑信号，无法通讯，传输数字量信号。升级后的基于TCPU平台开发的剪切中心数控系统，除了能实现DAC350所有控制功能外，T－CPU提供了S7－300 PLC逻辑控制的同时，提供了典型的多轴联动运动控制、压力控制和液压轴的控制功能，是一种实用性很强的电气液压多功能控制平台［5］。基于Profibus－DP网络的控制系统使设备的故障率降低至最低，各主要测量元件都接入至网络或分布式I/O，保证其信号稳定的同时传输率也明显提高［6］。预留的以太网接口实现将控制系统与管理系统高度集成，实现整机自动控制数据共享与无缝链接，实现车间级MES系统通讯的软硬件组态方便快捷。图1是基于三维板料输送的重型数控剪切中心自动控制系统结构图。

3.2.2 应用T－CPU技术的三轴伺服控制系统

原前送料由变频器控制+普通电动机驱动+链条传动+位置检查开关的辅助推料方式，主要作用是将板料送至一定范围内，再由气缸推动板料靠紧数控后挡料;板料的剪切精度由后挡料控制，自动控制系统由简单的I/O量控制。技术升级为应用T－CPU技术的前送料X1、X2伺服电动机组成的两轴数控系统，和侧送料Z轴伺服电动机组成的单轴数控系统。三轴伺服驱动器挂接在IM－174模块上，通过DP(DRIVE)接口和IM174模块链接。每个IM174模块，可以输出4个独立的模拟量给定信号;编码器类型可以选择4个TTL增量型编码器;20路I/O点，和T－CPU的同步通讯速率最大到 12MBbit/s［7］。X1、X2轴为双伺服电动机位置半闭环控制，同时X1、X2轴实现同步控制;Z轴为伺服电动机半闭环控制。图2是应用T－CPU+IM174模块的三轴伺服控制系统图。