運動控制/ 伺服技術 “E-motion”節能方案
2015-2-23 來源：數控機床市場網 作者：-
液壓泵和伺服電機組合使用是一種高效和高動態響應的解決方案。壓缸制造商Lasco 將這種伺服電泵驅動應用于體積成形和板材成形加工。“該驅動系統帶來了出乎意料的好處”，位于科堡的金屬技術成形壓缸制造商 Lasco 公司的電氣工程部經理Harald Barnickel 碩士說道。“新的伺服技術能夠顯著的提升節能效應”，HaraldBarnickel 介紹，他將這一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制造商還會制造螺旋壓缸、鍛錘、橫楔軋機、輥鍛機，甚至是用于生產石灰石產品的建材機械裝置。1863 年公司成立，主要從事鑄鐵生產，幾年后開始制造水輪機，自1880 年開始制造鍛機。
從那以后，公司的業務核心便是制造金屬成形技術設備。多年來，Lasco 多年來一直面向全球市場。該部門經理還稱：“作為方案供應商，我們還研發了用戶專用設備，包括可優化壓缸內部運輸工件以及運送零件的自動化裝置。”該企業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里程碑，如最新投入市場的壓制力為800 t，每分鐘最高可達40 個沖程的拉深壓力機。
快速運動控制器是核心
“最初的應用表明了此類伺服技術能夠帶來非常好的結果”，電氣工程師Harald Barnickel 說道：“與西門子伺服電機Simotics 1PH8 的組合構成了此類解決方案的核心，液壓泵由該伺服電機直接驅動該驅動由 Sinamics S120 變頻器控制。控制系統Simotion D445 負責軸的總行程、速度和位置調節（二者都來自同一制造商)。在250 μs 的響應時間內最多可以對256 根軸進行快速同步并運行出非常精準的運動輪廓和曲線輪廓。調節技術和性能方面都適用于該應用。”
上述拉深壓力機要能在設置了運動輪廓后按規定的壓力和壓制速度運行。此時便可以借助伺服電機上的扭矩預先設置好液壓力和壓制力。此時，可通過電機轉速和泵的流量對挺桿的速度進行調節。所述項目中使用的是每轉帶有固定液體流量的軸向柱塞泵。
位于科堡的金屬成形技術有限責任公司研發出了一款用于壓缸的伺服電泵驅動，相比于傳統的閥門調節器，它更加節能。
泵系統的可擴展性是一大優勢Harald Barnickel 稱：“四種泵系統中，壓力最大為250bar 的那個用于為挺桿的壓力升程提供高壓管道，其它三個負責壓桿的回程。也可進行擴展，即根據需要調整此類標準化伺服解決方案，這是新技術不可低估的一個優勢。”據了解，拉深壓力機的油罐中裝有大約9000L 的液壓油。在挺桿作快速下行運動時，由于流量高達16000 L/min，因此，需要用到補油閥。壓制過程中，速度最高可達100 mm/s，此時，伺服泵會提供所需的流量。過去為了精準地顯示運行輪廓，需要用到高精度零切割調節閥，而如今，連接著伺服泵的運動控制系統會全權負責該任務。借助該技術，在壓制過程中最高可以省去40% 的閥門技術。原則上應保留余下的閥門技術，以滿足機器安全相關方面的要求。
性能里程碑
新技術取代了傳統昂貴的閥門技術，本質上也改善了能量平衡，正如電氣技術專家Harald Barnickel 所述：“過去，Lasco 在進行第一次試運行時就必須安裝好用于液壓油的大型冷卻系統，而如今采用伺服技術后則只需一個小型冷卻設備，甚至只有在進行現場生產時才需用到。”這樣做的原因之一就是油不再是通過狹窄的縫隙擠壓到調節閥的控制邊緣上，也不會再產生工藝方面的損耗。壓制機制造商非常重視通過這種方式來提高效率，和舊機器相比，新伺服技術能幫助用戶節省大量的電費。實際節能程度取決于各個應用。將新技術與采用“黑白技術”的簡式液壓機和采用控制技術的壓制機進行對比，前者的節能效果一定會更好。由于拉力也是由采用伺服電機的泵產生的且拉深墊泵的電機是作為發電
機工作的，因此，拉制過程中的節能效果尤為明顯。
電氣技術的另一個優點在于對液壓油進行減壓時甚至可以回收能量，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，那么所含的“彈簧能”會流經軸向柱塞泵并驅動伺服電機。此外，對壓制機進行減壓也會增強該效果。在所謂的再生運行模式下，還可以為變頻器S120 的直流母線提供相應的電能。“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·立即記錄所有內容
盡管西門子的Simotion 控制系統是專為運動控制應用的要求而優化的，但除了整個設備的控制系統，該系統也可發揮作用。但在Lasco，會遵循分開的任務區域的特性并為設備的控制系統配備一個獨立的可編程控制器，將其用作故障安全控制器以滿足安全技術的要求。原則上，可通過多種方法對Simotion 進行編程，如通過標準語言、圖形編程或運動控制圖(MCC) 以及一個傳統的邏輯控制器。帶有8 個通道記錄儀的跟蹤功能可幫助調試人員對壓制過程進行詳細的記錄。調節參數保存在驅動中，從而確保對驅動系統的完整記錄。
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，將其用作設備的控制系統，以滿足整體安全技術的要求，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并通過Profisafe 將其傳送到控制系統中。對于壓制專家Lasco 來說這是一個完美的整體解決方案：“這樣我們就可以確保機器有一個清晰的架構。”通常，系統會配備兩個監控閥門，從而對設定模式下降低的挺桿運行速度進行監控。而最新的解決方案是：在故障安全變頻器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型和異步型兩種伺服電機。挺桿的動態響應能力決定了采用哪種類型的伺服電機。
系統一體化實現簡單編程在很多專家看來，西門子提供的解決方案的另一個優勢是系統一體化，這樣變頻器便可以自動識別伺服電機并讀取其參數。該伺服解決方案中有趣的一點是：提供了同步和異步兩種類型的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。兩種類型的電機具有相同的機械結構尺寸，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的：放棄了傳統的17 芯電纜，取而代之的是帶有RJ45 連接器的單芯電纜。
最終，這個以一個伺服電泵控制系統為基礎的用于液壓機的新驅動方案使整個系統得到了明顯的改善：相比于以前傳統的閥門控制器，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。
在某些壓制過程中，運動控制系統也證實了自己具有極大的幫助作用，比如：如果挺桿運行到了上止點，Simotion中的位置閉環控制會對可能的漏損進行補償。HaraldBarnickels 總結道：“相比于單純的閥門技術，使用伺服技術能夠明顯地提高精確度。
伺服技術提高了壓制機中的動態響應能力以西門子運動控制器Simotion 為基礎，針對大型液壓泵的新伺服技術研發使得Lasco 金屬成形技術有限責任公司在短期內已經為用戶帶來了巨大的收益。不僅僅是制造新的機器有助于推動擁有400 名員工的企業節省成本和改善質量，上述驅動方案也適用于對產品進行改裝和更新。借助由伺服電機Simotics 1PH8、Sinamics S120 變頻器和運動控制單元組成的標準方案，Lasco 金屬成形技術有限公司已經證明：如果在液壓泵中優先選擇了伺服電泵驅動，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、更高的精度和更低的能耗。
HaraldBarnickel 表示：“誰先勇于面對“E-motion”壓制技術的挑戰，誰就先贏得機遇，突破創新。”
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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