在將不同的工作單元整合在一起時(shí)，如果能以正確的方式將一個(gè)工序的產(chǎn)品以流水線形式向下一工序傳送，必會(huì)大幅提升金屬成形的生產(chǎn)效率。位于賓夕法尼亞州哈里斯堡的Dayton Parts 公司就證實(shí)了這一點(diǎn)。

這家公司生產(chǎn)汽車售后市場(chǎng)用產(chǎn)品，部分生產(chǎn)設(shè)施創(chuàng)建于上世紀(jì)20 年代。去年，公司板簧生產(chǎn)工藝進(jìn)行了更新，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，并將板簧沖孔和成型工藝的，連接成順暢的流水線（如圖1）。

圖1：在這幅CAD示意圖中，擺放著成型加工臺(tái)（右）和沖壓機(jī)（左），中間為加熱爐。板簧材料從右向左，通過加熱爐進(jìn)入沖壓機(jī)，然后再從左至右，到達(dá)成型加工臺(tái)。

Dayton Part 公司的板簧，采用1?2～1-5?8英寸厚的6150牌號(hào)高碳鋼棒，在沖壓和成型加工階段，必須加熱到1800 F°。這就意味著在進(jìn)入后續(xù)工序前要對(duì)板簧加熱兩次。現(xiàn)在，有了新的緊密聯(lián)動(dòng)配置，板簧只需要在沖壓和成型前加熱，因此節(jié)約了能源和時(shí)間，使生產(chǎn)效率翻番。

Dayton Parts 公司一體化的工作單元，已經(jīng)證明了其加工工序的緊密聯(lián)動(dòng)性和聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。更新的生產(chǎn)線盡可能減少了再次加熱和換批停機(jī)時(shí)間，每個(gè)部件的加工時(shí)間則降低到了17 秒。

“我們看到，機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間為95%，”Dayton Parts公司的項(xiàng)目經(jīng)理Joseph Garcia 說：“為公司節(jié)省的材料處理和能源成本，在一年內(nèi)就抵得上項(xiàng)目投資了。”

運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)聯(lián)合工藝的關(guān)鍵

這種聯(lián)合設(shè)備要縮短生產(chǎn)時(shí)間，就需要對(duì)不同工序間運(yùn)動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)精密控制。監(jiān)控由可編程邏輯控制器（PLC）執(zhí)行，但如要控制各運(yùn)動(dòng)軸，需要有能夠進(jìn)行多軸協(xié)調(diào)能力的PLC。在當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商美國(guó)賓夕法尼亞州的Penn-Air & Hydraulics 公司的推薦下，Dayton Parts 公司的工程師選擇了位于華盛頓的DeltaComputer Systems 公司的RMC150 和RMC75 運(yùn)動(dòng)控制器。

板簧加工的熱沖壓工序在RMC150 的控制下，由六個(gè)運(yùn)動(dòng)軸支持（如圖2）完成。因?yàn)閱蝹€(gè)RMC150 即可控制和協(xié)調(diào)多達(dá)8 軸的同時(shí)運(yùn)動(dòng)。推軸將部件推向端部定位裝置，該端部定位裝置由另一個(gè)運(yùn)動(dòng)作動(dòng)器定位于推軸的對(duì)面，從而設(shè)置好板端與沖壓孔中心的距離。板的寬幅方向的兩個(gè)校中心棘爪動(dòng)作，準(zhǔn)確校準(zhǔn)孔中心在幅寬方向的位置。推軸和端部定位裝置軸通過定位控制移動(dòng)，而校中心爪使用定位和重力控制。一個(gè)棘爪移到目標(biāo)位置，另一個(gè)棘爪使用重力控制來抓取部件。

圖2：熱沖壓詳細(xì)示意圖顯示了在此操作過程中六運(yùn)動(dòng)控制軸的使用

“將不同類型的軸控制器整合到一套系統(tǒng)中非常有幫助，”Dayton Parts 公司電氣工程師Greg Shortridge 表示：“使用定位和重力控制，我們可以確保部件握持牢固，同時(shí)避免由于夾持過緊而造成損壞。”

“此前我們從未使用重力控制，”他補(bǔ)充道，“但使用Delta 進(jìn)行壓力/ 重力控制很方便。”

六軸中的最后兩根軸控制沖壓，由伺服液壓閥和卸料裝置控制一個(gè)帶10 英寸孔的液壓缸。

磁致伸縮位移傳感器提供了控制沖孔、卸料裝置和中心校準(zhǔn)爪的液壓缸的位置反饋，而端部定位裝置則通過伺服電機(jī)進(jìn)行定位，并由絕對(duì)編碼器提供位置反饋。由液壓缸控制的推軸，同樣也采用一只絕對(duì)編碼器來指示其位置。

“新的控制器為我們提供了非常準(zhǔn)確的定位，”Shortridge 說：“每一根軸的定位都可以控制在0.001 英寸精度之內(nèi)。成型頭由兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軸控制，其中一軸夾住框架進(jìn)行折彎（如圖3），獲得所需形狀，另一軸垂直移動(dòng)框架。

圖3：成型頭使板簧形成彎曲，可以從受熱發(fā)光部分看出。彎折好以后，整個(gè)成型頭下降到淬火油中，進(jìn)行硬化，然后將彎折部分放在最后的工位

夾持機(jī)構(gòu)在接觸到框架時(shí)，采用自動(dòng)壓力控制方式，確保部件在一定的夾持壓力下以合適的方式向板簧折曲。這個(gè)動(dòng)作由一只PLC、自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器和比例閥一起完成。夾持部件時(shí)，通過壓力調(diào)節(jié)閥控制壓力。而在釋放夾持件時(shí)，RMC75 兩軸電壓運(yùn)動(dòng)控制器使用比例閥，平穩(wěn)地打開部件，放置到需要的位置。為方便操作，工人可以對(duì)此進(jìn)行調(diào)節(jié)。

同樣由RMC75 控制的成型頭中的第二根運(yùn)動(dòng)軸，將框架下放到淬火油浴，硬化部件，并使形成的曲線形狀固定下來。運(yùn)動(dòng)控制器使用定位控制，抬起和降下框架，通過比例閥控制液壓缸。

“我們?cè)褂肂-B 閥來觸發(fā)液壓缸，下放框架，但由此產(chǎn)生的沖擊是一個(gè)問題，” Shortridge 說道，“通過RMC 運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)行閉環(huán)控制來操作比例閥，可以使成型頭運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的加速、減速。”

快速安裝控制停機(jī)時(shí)間

Dayton Parts 分三步升級(jí)了板簧操作，加熱爐、熱沖壓，然后是成型頭。每一階段都需要包括周末在內(nèi)的4 天工作時(shí)間，以盡可能減少停機(jī)。

“圍繞故障排除PLC 編程軟件，我們對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行了一周的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，” Shortridge 在描述了公司的計(jì)劃，“為了培訓(xùn)操作員工，我們?yōu)樾略O(shè)備制定了工作指導(dǎo)，包括安全信息、設(shè)置、操作規(guī)程、產(chǎn)品質(zhì)量控制要求和故障排除信息。”

整個(gè)公司不同設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)通訊，確保生產(chǎn)效率最大化

Dayton Parts 沖壓及成型聯(lián)合單元，為機(jī)器間通訊如何改進(jìn)工藝提供了示范。監(jiān)控PLC 通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接，與兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器和多臺(tái)人機(jī)界面終端形成界面，并通過基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線EtherCat 連接到一系列輸入/ 輸出槽( 如圖4)。通過網(wǎng)絡(luò)的通訊，PLC調(diào)整加熱爐的循環(huán)時(shí)間，設(shè)定生產(chǎn)線后續(xù)工序的速度。為了最大化生產(chǎn)率，同時(shí)為確保從加熱部件穿過系統(tǒng)傳導(dǎo)的熱量不會(huì)影響敏感的系統(tǒng)元件，必須確保工序盡可能平穩(wěn)而快速地進(jìn)行。

圖4：該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)屏幕顯示了主PLC、遠(yuǎn)程I/O 面板及三個(gè)15英寸的操作人員觸摸屏，網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和路由器，一級(jí)兩個(gè)新的運(yùn)動(dòng)控制器。可以從這三個(gè)觸摸屏中的任一個(gè)獲得所有的信息屏幕和操作人員功能

本地機(jī)器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也連接到工廠LAN，這樣公司SPC和質(zhì)量分析軟件就可以獲得生產(chǎn)信息，從而有助于優(yōu)化績(jī)效，并在問題升級(jí)前，得到確定并進(jìn)行維護(hù)。

任務(wù)要求加快換批速度

PLC 連接到包含著Dayton Parts 所有板簧加工參數(shù)的微軟Access數(shù)據(jù)庫。操作人員通過觸摸屏界面選擇接下來要加工的板簧， PLC 將合適的加工參數(shù)下載到溫度/ 壓力控制器，并將運(yùn)動(dòng)步驟下載到Delta運(yùn)動(dòng)控制器。

“系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)單（如圖5）自動(dòng)進(jìn)行加工，以加快生產(chǎn)速度，獲得重現(xiàn)性，這在以前，是做不到的，” Shortridge 表示：“我們常會(huì)有相對(duì)較小的批量生產(chǎn)，那種情況下，板簧可能包含多達(dá)12 個(gè)葉片。以前，在更換加工零件時(shí)，我們不得不手工調(diào)整新的爐溫，成型壓力和淬火定時(shí)裝置的設(shè)置。這很費(fèi)時(shí)間，并容易導(dǎo)致錯(cuò)誤，會(huì)造成我們不能承受的停機(jī)時(shí)間。”

圖5 ： Dayton Parts系統(tǒng)使用工藝任務(wù)單，有選擇性地使用觸摸屏，加快生產(chǎn)換批，確保板簧生產(chǎn)工藝的重現(xiàn)性

為了使運(yùn)動(dòng)更加精確，Shortridge 以前會(huì)采用Delta Computer Systems 公司提供的整套工具。其中之一是Plot Manager，設(shè)計(jì)人員可以通過視覺查看軸的運(yùn)動(dòng)，并將測(cè)試運(yùn)轉(zhuǎn)中所希望的軸的運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行數(shù)字化對(duì)比。

有了這種可視化功能，可以微調(diào)控制回路的參數(shù)獲得，再次運(yùn)行系統(tǒng)，直到測(cè)試中的目標(biāo)位置和實(shí)際位置重合，顯示出系統(tǒng)調(diào)整非常完美。

“沒有他們提供的新型運(yùn)動(dòng)控制器和精確的液壓比率控制，”Garcia 強(qiáng)調(diào)說：“這一項(xiàng)目的實(shí)施可能會(huì)碰到諸多困難。”