如何利用伺服自动化实现成本削减和产能最大化？

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年5月刊，原标题为：如何利用伺服自动化实现成本削减和产能最大化？

木材加工机器制造商采用伺服控制获得了更高的精度和产能。

一块2x4英尺大小的木料是建筑工业的基本商品，这也是为什么木材加工业的领导者开始使用复杂的自动化来在这样价格敏感的产品上获得竞争优势。

利用自动化创造一个解决方案

WaneShear科技公司创造了一款锯木机，将加工坡口放置到规格材上，能生产出2x4英尺、2x6英尺、2x8英尺以及更大的板材。该设备是由美国加利福尼亚州的WaneShear公司制造的，对于将从原木毛料上锯下来的粗加工板材加工成尺寸一致的产品来说，所在地点是一个挑战，而且粗加工板材的宽度和长度在进入切边机之前可能有很大不同。要在价格波动反复无常的建筑行业里保持稳定利润率所带来的压力，必然要求企业不断提高产量，这进而增加了技术方面的挑战。

传统的切边自动化设备使用液压部件。液压系统可以提供应用场合所需要的强大的、高转矩的输出，可是经常会发生液压用的液体泄漏。漏出的液体会损坏板材导致无法销售。液体也会与锯末混合在一起变成粘稠的物质，会粘到机器上很难清理掉。

“我们知道如果从液压系统转换到伺服自动化，操作员可以解决我们的很多问题，”Ron McGehee讲到，他是WaneShear公司的董事长和首席设备设计师，并且持有与锯木机相关的超过25项发明专利。“在过去，我们并没有仔细关注伺服自动化，那是因为我们认为伺服系统不能提供完成工作所需要的转矩强度，而且它们太大了，如果不重新设计无法安装到我们现有的机器设备空间内。”

这种看法在过去几年中发生了改变，原因是伺服电机的占地面积已经减小，而且新的、更加强大的伺服电机已经开始问世。

“已经到了需要新方式的时代了，而且我们看到这样的机遇将会帮助我们成为行业领导者。” McGehee说道。

图1：采用机器视觉、伺服放大器以及智能系统集成有助于提供高效的板材切割。图片来源：安川

用于切边机的伺服自动化

伺服运动为WaneShear切边机提供了提高精度的机会，这样会使每一根原木制造出更多可用的板材。WaneShear是率先使用视觉系统以及变频传动来为切边操作集结原料板材的。集结板材特别具有挑战，因为对一个不规则的板材开方并不总是需要完美的直线切割。切割角经常有六种角度变化，常规做法是需要使用精确的经常必须为了补偿板材边缘形状的变化而快速变化的凸轮。由于板材是划分质量等级的，更好的切割质量将意味着可以卖出更高的价格。

在一个拥挤的锯木厂里，WaneShear制造的切边机必须与其他设备集成在一起，这对于切边工艺自动化来说呈现了一系列不同的挑战。在摆满了各种其他设备的锯木厂车间里，每一台切边机都要经过定制才能安装在可用的空间内，这使得减小每台机器的占地面积变得至关重要。

“在狭小空间内将机器连接起来变得非常重要，”McGehee说道。“如果我们可以在相同的物理空间上使用伺服代替齿轮箱和液压设备，在不增加集成问题的情况下，我们就可以为我们的客户增加产能。” 控制系统的集成也同样重要，大部分工厂为他们的生产设备使用以可编程逻辑控制器(PLC)为核心的控制架构。“PLC属于客户的舒适区，”McGehee说道，“不管你增加什么自动化系统，都要与PLC集成，而且集成过程要尽量少地给锯木厂车间的工作人员制造麻烦，否则他们不会买帐。”

当考虑转换到伺服控制的时候，可靠性是用户对WaneShear提出来的主要的顾虑和要求。锯木厂必须一天24小时，一年365天不间断运行才能保证利润。这种对可靠性的要求使得McGehee以及工程团队的其他人员需要一家能够应对不同挑战场合且提供可靠的伺服电机和工程支持的运动控制制造商。

图2：安川电气的SigmaLogic伺服放大器可以通过一个可编程逻辑控制器（PLC）接口进行编程。

视觉系统识别目标

应用方面的技术挑战从等待切割的板材集结就开始了。切边机的视觉系统从每个板材的位置推测出四个位置点，运动控制器会以此推导出超过1000个定位点。运动控制器的凸轮编辑器工具被用来创造一系列运动配置文件，基于伺服机构的传送带会使用这些配置文件精确地集结板材来获得最精确的切边操作以及最少的浪费。

通过使用标准PLC的附加指令以及增加伺服放大器来将PLC与伺服轴之间的接口简化。对于WaneShear的软件开发团队来说，要想避免用户从头学习一款新的编程接口而且确保成功集成新的伺服机构，这个特性具有特殊的重要性。

集成伺服电机

在开发阶段，实践证明集成伺服电机本身是最重要的积极结果之一。伺服电机的尺寸使其可以很容易就安装在被液压部件占用的场地上。电机的转矩等级可以让其很好地适应锯木厂应用中运送板材所需要的大功率和低转速。伺服电机的转矩密度配置文件也让替换原有的一种机械设计中的齿轮箱成为可能，其结果是减少部件的成本。运动控制部件的精度让WaneShear将其传送带的误差从1/8英寸降低到1/250英寸，这使得锯木公司可以在不牺牲切割精度的情况下缩短传送皮带的长度。

图3：本图展示了在板材集结和锯架输出方面使用过去的工艺与使用伺服工艺之间的对比。

安装启用伺服电机让切边机达到了性能目标。其目标是增加产出到每分钟75块板材，每块板材需要的周期时间是800毫秒。由于伺服驱动控制系统可以带来更高的精度，设计团队也期待可以提高板材的质量。所有的目标都超额完成。板材的产出质量提高了25%，装配了伺服设备的WaneShear切边机以每秒钟20英尺的速度处理标准的8英尺厂的板材，远超过800毫秒的目标。

伺服驱动解决方案带来的好处显而易见。在所有WaneShear未来的机械设备中都会采用伺服电机和传动的设计。“我们在客户工厂的其他机器设备上也看到了伺服产品的应用。” McGehee表示 ，期望会在未来相当长的时间内继续使用这项自动化技术。

作者：Hunter Stofferahn