西門子運動控制系統在2500t伺服壓力機上的應用

中國第一重型機械股份有限公司（黑龍江齊齊哈爾 161042）劉林峰

壓力機是金屬成形加工領域中大規模使用的沖壓設備，其中以機械式飛輪曲柄壓力機和液壓機應用最為普遍。機械式飛輪曲柄壓力機具有易于制造，結構簡單，生產效率高等優點，但同時由于壓力機需要飛輪的儲能來滿足沖壓力的要求，而飛輪的巨大轉動慣量導致滑塊在一個循環周期的運動速度不能被快速調整，因此滑塊的運行曲線非常固定單一，特別是對深拉伸的工件（沖壓瞬間要求滑塊速度較慢）效率非常低；液壓機在深壓延時效果非常好，但是工作速度比較慢，且能耗較大。隨著現代制造技術的發展，要求沖壓機械不僅能夠高效、高質量地沖壓，而且應具有更大的靈活性，能迅速、方便地改變滑塊的運動曲線來滿足越來越復雜的模具設計需求；同時要求壓力機能夠易于使用，易于維護，從產品整體生命周期來大大降低費用。伺服壓力機正是在上述要求的基礎上發展而來。

近年來隨著汽車行業的蓬勃發展，各大廠商對壓力機的要求也越來越高，目前高端壓力機市場主要被外資企業占據，為了突破壟斷，國內企業紛紛投入大量的物力與財力，努力提升自身的核心競爭力，中國第一重型機械股份有限公司就是其中的佼佼者，其研制的2500t新型壓機為目前國內最大的伺服壓機之一，為我國的大型伺服壓機研制作出了巨大的貢獻。

一、伺服壓力機與傳統壓力機的比較

1.工作原理

機械壓力機工作時，由電動機通過皮帶驅動飛輪，經過齒輪副和離合器帶動曲柄滑塊機構，使滑塊和上模直線下行。沖壓工作完成后滑塊回程上行，靠凸輪控制離合器脫開，同時制動器抱緊，使滑塊停止在上死點附近（見圖1）。

伺服壓力機是通過一個由運動控制器控制的伺服電動機直接帶動偏心輪來實現滑塊的運動過程。通過復雜的電氣控制，伺服壓力機可以任意規劃滑塊運行的行程與速度曲線等，甚至在低速運轉時也可達到壓力機的公稱噸位。

2.伺服壓力機與機械壓力機的對比

與傳統的壓力機相比，伺服壓力機具有如下優點（見圖2）：

（1）提高生產率 機械壓機在沖壓過程中的電動機和飛輪速度會短時跌落，飛輪的速降釋放的動能轉化為工件變形所需要的能量，然后靠回程及上死點停止時電動機再向飛輪上補充能量，由于能量的補充需要時間，因此系統在單位時間內能完成的沖程次數是有限的；對于沒有飛輪的伺服壓力機，因不需要動能恢復過程，且其速度給定值可變，在保證沖壓速度一定狀態下其空程下降及回程中可使用較高的速度，因此生產率更高。

（2）提高成形質量 機械壓力機在沖壓時，為了保證能可靠地完成沖壓過程，其飛輪上必須儲備有足夠的能量，因此飛輪的速度不能太低，這就造成了在沖壓過程中的速度也較高，工件的成形質量較差；而伺服壓力機的運動曲線能靈活地適應不同的沖模和工件的成形工藝需求，在壓下過程中使用較慢的速度以達到良好的成形質量。

（3）滿足多種工藝要求 由于伺服壓力機可根據要求設計和優化滑塊運動軌跡，因此可滿足不同材料、不同模具的多種工藝要求。

（4）減少機械設計和制造時間 與機械壓力機相比，由于沒有了飛輪、離合器/制動器及控制制動/離合裝置的設備，機械結構更簡單，因此大幅減少了機械設計和制造時間。

（5）減少機械沖擊、降低現場噪聲、提高模具壽命 傳統的機械壓力機在工作時，是靠摩擦片的摩擦來使滑塊停在上死點，摩擦片是消耗件，需要定時更換；伺服壓力機通過電子凸輪曲線的設置，可以達到滑塊運動的柔性化，減小對機械部分的沖擊，是靠電能使滑塊平滑停到上死點。因此，與機械壓力機相比，伺服壓力機能顯著降低現場噪聲、減少模具振動并提高模具壽命，同時省去了摩擦片的更新費用。

（6）節能環保 由于伺服壓力機取消了機械壓力機的飛輪、離合器等耗能元件，只在沖壓過程中消耗能量，因此大幅降低了能量消耗，其運行成本也大幅降低。

（7）控制精度高，易于組成同步壓力機線 為了能使沖程結束后的滑塊準確停到上死點，機械壓力機需要計算制動角，而這需要知道轉動慣量、摩擦及離合/制動器等數據，計算較復雜，且會隨工況不同而變化，每個沖次所用時間也各不相同；而對于伺服壓機，傳動系統能自動計算制動曲線且控制精確，其沖程次數控制精確，因此更容易組成需要節拍控制的由多臺壓力機組成的同步壓力機生產線。

二、西門子解決方案

一重伺服壓力機采用全套的西門子電氣控制解決方案，柜體布置及網絡拓撲分別如圖3所示。

整個系統包含下列硬件：

（1）SIMOTION－D445是整個系統的控制中心。

（2）四臺主電動機及S120驅動器：帶動滑塊運動，完成沖壓過程，由D445（圖中的SINAMI CS Int egr at ed）控制；主電動機采用大轉矩、高過載能力、高抗振性能的1FW3電動機。

（3）兩臺飛輪電動機及S120驅動器：負責能量管理，由一塊單獨的CU320（S120Fl yWheel）控制。

（4）電容柜負責能量管理，由一塊單獨的CU320（圖中的S120Pr echar ge_2）控制。

（5）DP－DP Coup l er 負責和S7－300PLC（控制整條壓力機線的節拍及輔助設備）通訊。

（6）觸摸屏完成壓機的動作控制，圖中暫由PC機代替（PG/PC）。

（7）PROFI NET網絡為時間要求苛刻的控制系統提供高速數據交換，因能量管理的需要，本系統要求較短的通信周期。

三、提升國產伺服壓力機競爭力

經過中國一重和西門子工程師的共同努力，目前該伺服壓力機已完成調試工作，通過了帶負荷測試。整套控制系統具有以下優點：

（1）自動產生運動曲線。合適的運動曲線是整個伺服壓力機正常工作的前提，由于伺服壓力機可根據要求設計和優化滑塊運動軌跡，因此可滿足不同材料、不同模具的多種工藝要求。

（2）優越的能量管理功能。伺服壓力機除了在沖壓時需要尖峰能量之外，還在加速和減速過程中有尖峰能量的出現。如果不對這些尖峰能量進行管理而直接與電網相連，那么需要一個非常巨大的電網容量來容納這些能量尖峰，而這些能量尖峰的時間在一個周期里又都非常短，大部分時間所需的平均能量都不大，電網容量得不到充分利用而造成投資上的極大浪費，同時尖峰能量又會對周邊的用電設備造成不良影響，因此需要找到合適的方法來平滑這些能量尖峰、降低系統對電網容量的需求并減少對其他用電設備的干擾。同時，為了保證壓力機系統能正常工作，從主電動機的角度看，在需要時系統還必須能提供所需的能量尖峰。

能量管理系統有兩種不同的儲能方式，一種為電容柜儲能（電能儲能），另一種為飛輪儲能（機械能儲能）。電容柜儲能的特點是控制簡單，對能量交換的響應迅速，但其成本相對較高；飛輪儲能的特點是需要復雜的算法控制，對系統的響應較慢、但其成本相對較低。通過兩種不同儲能方式的靈活選擇，可以構成滿足不同噸位、不同需求的能量管理系統。本項目中采用了電容柜儲能和飛輪儲能混合的方式，既滿足了系統快速性的要求，又降低了成本。

（3）位置同步控制。由于機械本身的特點，要求四個主電動機之間的位置必須同步，西門子PROFI BUS－DP網絡所具有的“等時同步”功能為四個電動機的位置同步提供了可靠的保障。

（4）高速數據交換。無論四個電動機的位置同步還是能量管理的可靠運作，都需要驅動器和控制器之間的高速數據交換，西門子公司的PROFI NET網絡為這些需求的實現提供了堅實基礎。

四、結語

中國一重2500t伺服壓機的成功運行表明我國在大型伺服壓力機的制造方面邁出了堅實的一步，為振興我國的裝備制造業作出了杰出的貢獻。