如何利用伺服自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)成本降低和產(chǎn)能最大化？

木材加工機(jī)器制造商采用伺服控制獲得了更高的精度和產(chǎn)能。一塊2x4英尺大小的木料是建筑工業(yè)的基本商品，這也是為什么木材加工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者開(kāi)始使用復(fù)雜的自動(dòng)化來(lái)在這樣價(jià)格敏感的產(chǎn)品上獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

利用自動(dòng)化創(chuàng)造一個(gè)解決方案

WaneShear科技公司創(chuàng)造了一款鋸木機(jī)，將加工坡口放置到規(guī)格材上，能生產(chǎn)出2x4英尺、2x6英尺、2x8英尺以及更大的板材。該設(shè)備是由美國(guó)加利福尼亞州的WaneShear公司制造的，對(duì)于將從原木毛料上鋸下來(lái)的粗加工板材加工成尺寸一致的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，所在地點(diǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)，而且粗加工板材的寬度和長(zhǎng)度在進(jìn)入切邊機(jī)之前可能有很大不同。要在價(jià)格波動(dòng)反復(fù)無(wú)常的建筑行業(yè)里保持穩(wěn)定利潤(rùn)率所帶來(lái)的壓力，必然要求企業(yè)不斷提高產(chǎn)量，這進(jìn)而增加了技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的切邊自動(dòng)化設(shè)備使用液壓部件。液壓系統(tǒng)可以提供應(yīng)用場(chǎng)合所需要的強(qiáng)大的、高轉(zhuǎn)矩的輸出，可是經(jīng)常會(huì)發(fā)生液壓用的液體泄漏。漏出的液體會(huì)損壞板材導(dǎo)致無(wú)法銷售。液體也會(huì)與鋸末混合在一起變成粘稠的物質(zhì)，會(huì)粘到機(jī)器上很難清理掉。

“我們知道如果從液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到伺服自動(dòng)化，操作員可以解決我們的很多問(wèn)題，”RonMcGehee講到，他是WaneShear公司的董事長(zhǎng)和首席設(shè)備設(shè)計(jì)師，并且持有與鋸木機(jī)相關(guān)的超過(guò)25項(xiàng)發(fā)明專利。“在過(guò)去，我們并沒(méi)有仔細(xì)關(guān)注伺服自動(dòng)化，那是因?yàn)槲覀冋J(rèn)為伺服系統(tǒng)不能提供完成工作所需要的轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度，而且它們太大了，如果不重新設(shè)計(jì)無(wú)法安裝到我們現(xiàn)有的機(jī)器設(shè)備空間內(nèi)。”

這種看法在過(guò)去幾年中發(fā)生了改變，原因是的占地面積已經(jīng)減小，而且新的、更加強(qiáng)大的伺服電機(jī)已經(jīng)開(kāi)始問(wèn)世。

“已經(jīng)到了需要新方式的時(shí)代了，而且我們看到這樣的機(jī)遇將會(huì)幫助我們成為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。”McGehee說(shuō)道。

用于切邊機(jī)的伺服自動(dòng)化

伺服運(yùn)動(dòng)為WaneShear切邊機(jī)提供了提高精度的機(jī)會(huì)，這樣會(huì)使每一根原木制造出更多可用的板材。WaneShear是率先使用視覺(jué)系統(tǒng)以及變頻傳動(dòng)來(lái)為切邊操作集結(jié)原料板材的。集結(jié)板材特別具有挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)一個(gè)不規(guī)則的板材開(kāi)方并不總是需要完美的直線切割。切割角經(jīng)常有六種角度變化，常規(guī)做法是需要使用精確的經(jīng)常必須為了補(bǔ)償板材邊緣形狀的變化而快速變化的凸輪。由于板材是劃分質(zhì)量等級(jí)的，更好的切割質(zhì)量將意味著可以賣(mài)出更高的價(jià)格。

在一個(gè)擁擠的鋸木廠里，WaneShear制造的切邊機(jī)必須與其他設(shè)備集成在一起，這對(duì)于切邊工藝自動(dòng)化來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)了一系列不同的挑戰(zhàn)。在擺滿了各種其他設(shè)備的鋸木廠車間里，每一臺(tái)切邊機(jī)都要經(jīng)過(guò)定制才能安裝在可用的空間內(nèi)，這使得減小每臺(tái)機(jī)器的占地面積變得至關(guān)重要。

“在狹小空間內(nèi)將機(jī)器連接起來(lái)變得非常重要，”McGehee說(shuō)道。“如果我們可以在相同的物理空間上使用伺服代替齒輪箱和液壓設(shè)備，在不增加集成問(wèn)題的情況下，我們就可以為我們的客戶增加產(chǎn)能。”控制系統(tǒng)的集成也同樣重要，大部分工廠為他們的生產(chǎn)設(shè)備使用以可編程邏輯(PLC)為核心的控制架構(gòu)。“PLC屬于客戶的舒適區(qū)，”McGehee說(shuō)道，“不管你增加什么自動(dòng)化系統(tǒng)，都要與PLC集成，而且集成過(guò)程要盡量少地給鋸木廠車間的工作人員制造麻煩，否則他們不會(huì)買(mǎi)帳。”

當(dāng)考慮轉(zhuǎn)換到伺服控制的時(shí)候，可靠性是用戶對(duì)WaneShear提出來(lái)的主要的顧慮和要求。鋸木廠必須一天24小時(shí)，一年365天不間斷運(yùn)行才能保證利潤(rùn)。這種對(duì)可靠性的要求使得McGehee以及工程團(tuán)隊(duì)的其他人員需要一家能夠應(yīng)對(duì)不同挑戰(zhàn)場(chǎng)合且提供可靠的伺服電機(jī)和工程支持的運(yùn)動(dòng)控制制造商。

視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別目標(biāo)

應(yīng)用方面的技術(shù)挑戰(zhàn)從等待切割的板材集結(jié)就開(kāi)始了。切邊機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)從每個(gè)板材的位置推測(cè)出四個(gè)位置點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)以此推導(dǎo)出超過(guò)1000個(gè)定位點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)控制器的凸輪編輯器工具被用來(lái)創(chuàng)造一系列運(yùn)動(dòng)配置文件，基于伺服機(jī)構(gòu)的傳送帶會(huì)使用這些配置文件精確地集結(jié)板材來(lái)獲得最精確的切邊操作以及最少的浪費(fèi)。

通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)PLC的附加指令以及增加伺服放大器來(lái)將PLC與伺服軸之間的接口簡(jiǎn)化。對(duì)于WaneShear的軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，要想避免用戶從頭學(xué)習(xí)一款新的編程接口而且確保成功集成新的伺服機(jī)構(gòu)，這個(gè)特性具有特殊的重要性。

集成伺服電機(jī)

在開(kāi)發(fā)階段，實(shí)踐證明集成伺服電機(jī)本身是最重要的積極結(jié)果之一。伺服電機(jī)的尺寸使其可以很容易就安裝在被液壓部件占用的場(chǎng)地上。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩等級(jí)可以讓其很好地適應(yīng)鋸木廠應(yīng)用中運(yùn)送板材所需要的大功率和低轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度配置文件也讓替換原有的一種機(jī)械設(shè)計(jì)中的齒輪箱成為可能，其結(jié)果是減少部件的成本。運(yùn)動(dòng)控制部件的精度讓W(xué)aneShear將其傳送帶的誤差從1/8英寸降低到1/250英寸，這使得鋸木公司可以在不犧牲切割精度的情況下縮短傳送皮帶的長(zhǎng)度。

安裝啟用伺服電機(jī)讓切邊機(jī)達(dá)到了性能目標(biāo)。其目標(biāo)是增加產(chǎn)出到每分鐘75塊板材，每塊板材需要的周期時(shí)間是800毫秒。由于伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以帶來(lái)更高的精度，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也期待可以提高板材的質(zhì)量。所有的目標(biāo)都超額完成。板材的產(chǎn)出質(zhì)量提高了25%，裝配了伺服設(shè)備的WaneShear切邊機(jī)以每秒鐘20英尺的速度處理標(biāo)準(zhǔn)的8英尺廠的板材，遠(yuǎn)超過(guò)800毫秒的目標(biāo)。

伺服驅(qū)動(dòng)解決方案帶來(lái)的好處顯而易見(jiàn)。在所有WaneShear未來(lái)的機(jī)械設(shè)備中都會(huì)采用伺服電機(jī)和傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。“我們?cè)诳蛻艄S的其他機(jī)器設(shè)備上也看到了伺服產(chǎn)品的應(yīng)用。”McGehee表示，期望會(huì)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用這項(xiàng)自動(dòng)化技術(shù)。