西門子V90 伺服驅動器在自動化磁力分張中的應用

文／于順義·長城汽車股份有限公司

在汽車沖壓自動化生產線中，傳統的手持式磁力分張器不僅費時費力，而且不能保證每次都在相同位置，容易造成端拾器碰撞，進而撞壞吸盤和雙料檢測，十分不方便。現在的高速沖壓自動化生產線都采用自動化磁力分張器，其優點在于能夠每次精準定位，并且路程一樣，可以讓拆垛端拾器完美地避開而不會發生碰撞。

由于高端的伺服驅動器價格非常昂貴，而且受到當前國際形勢的影響，貨期同樣成為一大難題，西門子V90 伺服驅動器完美地改變了這一現狀，本文就西門子V90 伺服驅動器在磁力分張器中的應用做一下詳細介紹，以便于借鑒使用。

自動化磁力分張器

自動化沖壓生產線的線首自動上料系統由上料臺車、板料托盤、磁力分張器三者組合而成。在上料臺車上做定位孔，能夠讓托盤在上料臺車上的實際位置相對一致。當前行業內的自動開卷線通過使用自動碼垛加伺服拍打，可以使同樣托盤上的板料每次位置一致：板料相對托盤位置一致，托盤相對上料臺車位置一致，這樣就可以保證板料相對上料臺車位置保持一致。

托盤結構制作

先用方型鋼材拼焊做成支架，如圖1 所示，底層有叉車穿叉孔，上層間隔開，使磁力分張器在分張斜邊板料時可以左右旋轉一定角度，盡量去貼近板料。

圖1 托盤示意圖

長寬尺寸宜參考線體最大工藝，通過板料尺寸一致使板料不至于超出托盤，也不會使托盤空間浪費。托盤不同大小時，前后方向一致，左右方鋼間距一致，只允許左右長度不同。在定位孔的夾持下，將每種型號的托盤放到臺車上后，上層方鋼縫隙相對臺車面重復一致，這樣可使磁力分張器在每種托盤上時都可以正常使用。

磁力分張器的數量按照最大長度與托盤上層方鋼中間空格數保持一致，這樣使每一個空格都有一臺磁力分張器來分張板料。

伺服驅動器

進口的高端磁力分張器采用的伺服一體機，是由伺服整流模塊、伺服接口模塊及綜合電纜將伺服一體機串聯起來。伺服一體機方案的線纜施工方便簡單，其劣勢在于成本較高，而且貨期較長。性價比較高的磁力分張器，可以采用伺服電機驅動和絲杠傳動，沿直線導軌使磁頭伸縮，磁頭有被頂起檢測，磁頭內的磁鐵靠氣缸動作使板料得磁和失磁。

西門子V90 伺服驅動器采用220V 電源輸入，為保證線首配電均勻，采用三相變壓器(進線電壓380V，出線電壓220V)，接線方法如圖2 所示。為確保三相輸出負載均勻，所帶的伺服驅動器要均勻分配兩兩組合三相線。變壓器功率按負載數量選擇即可，每臺伺服電機的功率為0.75kW，需要給每臺驅動器配置獨立空開、濾波器。西門子V90 伺服驅動器本身集成STO(安全扭矩關斷)功能，防止電機意外的轉動，該安全功能無需使用附加元件，通過SINAMICS V90 端子激活STO 功能，使只有在線首安全狀態下才能激活磁力分張器動作使能狀態，通過系統安全點輸出端子來給STO 點輸入安全激活信號即可。

圖2 三相變壓器接線

西門子V90 伺服驅動器的STO 功能適用于可自由停車、不需要緊急停止的場合。STO 僅關閉電能的輸出，在負載慣性較大的場合電機不會立刻停止。如果以時間t 為橫坐標，電機速度v 為縱坐標，則STO功能曲線如圖3 所示。因為驅動器本身有外部接線端子，所以磁頭開進和縮回，以及被頂起檢測的傳感器狀態信息可以選擇直接接入驅動器。

圖3 STO 功能曲線

動作控制

驅動電機帶動磁頭前進過程中需要配置位置信息。

第一種情況，在距離終點位置前20mm 處切換控制方法，前段距離采用速度控制，使磁力分張器能同時快速到達各自的位置，再一同切換成扭矩控制，使每個磁頭在貼近板料的終點±20mm 范圍內靠扭矩去感受與板料的位置關系，當貼近并負載扭矩達到5N.m 時，停止輸出；

另一種情況，即超出20mm 仍未找到停止扭矩，這時可以在顯示屏上顯示出報警信息，以表達給操作人員該磁頭設置的目標位置有問題，通過人工調整目標位置參數后全部退回原點，再次啟動重新執行尋找板料功能。

當尋到板料后，在斜邊板料的情況下磁頭已經旋轉了一定的角度，這時磁頭鎖緊氣缸動作將磁頭的方向鎖緊。然后整體向后退回5mm，以達到磁頭與板料未貼合的狀態，動作完成后再充磁。充磁完成后，即可看到料垛中板料上面的幾張邊緣部分分開，這時在拆垛吸料時不會造成雙張板料同時被吸起，從而達到自動分張的目的。

對于磁頭的位置和選擇配方，要配置示教器人工操作第一遍，示教器操作時外防護門被打開，這時可以用示教器的使能按鈕來給伺服驅動加使能。

電控系統

將西門子V90 伺服驅動器組態到網絡中，需要配置單獨的以太網地址和單獨硬件標識符，用于鏡像讀取和寫入組態的輸入輸出點。驅動器與電機接線包括1 根動力專用電纜，1 根編碼器電纜，1 根抱閘電纜。伺服驅動器分組安裝于控制柜，一般一側有磁力分張器10 臺，所以一側電柜內安裝10 組濾波器、伺服驅動器以及配電空開，如圖4 所示。交換機輸出網線串聯伺服驅動器，為保持網絡穩定一般一個出口串聯不超過5 臺。

圖4 驅動柜簡易布局示意圖

通過西門子V90 伺服驅動器控制磁力分張器的前進、后退動作，控制環節配有外部檢測點：檢測磁頭被頂起檢測、前進和縮回硬限位檢測。同時，氣缸驅動部分包括磁頭鎖緊、磁鐵推進和退出，區域安全控制用到安全繼電器或安全模塊，網絡連接用到的網絡交換機。這些控制用到的輸入輸出分站，以及空開、繼電器、交換機等部分需要單獨一面柜子與動力部分分開，此外驅動和控制的柜子高度不超過1 米，柜子及柜門需帶內部結構框架(避免長期使用后產生形變)。

磁力分張器主體結構為橫向，下面有立柱支撐，故此可以將兩面柜子放在磁力分張器結構的下面，這樣布局也可以節約線纜長度且方便布線，如圖5 所示。

圖5 電柜與分張器布局方案示意圖

總結

該系統可以在上料臺車開進并舉升到位后快速反應，穩定的按照配置來執行動作，將磁力分張器快速推進到距離板料20mm 的位置，再統一切換成扭矩控制后穩定靠近板料。當扭矩檢測到5N.m 的力矩后磁頭停止前進，則上方的微型氣缸使磁頭鎖緊，后退5mm 后氣缸動作，使磁頭內的磁鐵向前動作并使板料充磁分張，經過使用驗證穩定可靠。