西門子V90 伺服驅動器在自動化磁力分張中的應用

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。

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。

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

驅動電機帶動磁頭前進過程中需要配置位置信息。

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。

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

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5Nm 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。