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)者開始使用復(fù)雜的自動(dòng)化來在這樣價(jià)格敏感的產(chǎn)品上獲得競爭優(yōu)勢。

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)備是由美國加利福尼亞州的WaneShear公司制造的，對于將從原木毛料上鋸下來的粗加工板材加工成尺寸一致的產(chǎn)品來說，所在地點(diǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)，而且粗加工板材的寬度和長度在進(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)無常的建筑行業(yè)里保持穩(wěn)定利潤率所帶來的壓力，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題，”RonMcGehee講到，他是WaneShear公司的董事長和首席設(shè)備設(shè)計(jì)師，并且持有與鋸木機(jī)相關(guān)的超過25項(xiàng)發(fā)明專利?！霸谶^去，我們并沒有仔細(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)無法安裝到我們現(xiàn)有的機(jī)器設(shè)備空間內(nèi)?！?/p>

這種看法在過去幾年中發(fā)生了改變，原因是伺服電機(jī)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)開始問世。

“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說道。

圖1：采用機(jī)器視覺、伺服放大器以及智能系統(tǒng)集成有助于提供高效的板材切割。

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是率先使用視覺系統(tǒng)以及變頻傳動(dòng)來為切邊操作集結(jié)原料板材的。集結(jié)板材特別具有挑戰(zhàn)，因?yàn)閷σ粋€(gè)不規(guī)則的板材開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，這對于切邊工藝自動(dòng)化來說呈現(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)器連接起來變得非常重要，”McGehee說道?！叭绻覀兛梢栽谙嗤奈锢砜臻g上使用伺服代替齒輪箱和液壓設(shè)備，在不增加集成問題的情況下，我們就可以為我們的客戶增加產(chǎn)能?！笨刂葡到y(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控制器(PLC)為核心的控制架構(gòu)?！癙LC屬于客戶的舒適區(qū)，”McGehee說道，“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)買帳。”

當(dāng)考慮轉(zhuǎn)換到伺服控制的時(shí)候，可靠性是用戶對WaneShear提出來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。這種對可靠性的要求使得McGehee以及工程團(tuán)隊(duì)的其他人員需要一家能夠應(yīng)對不同挑戰(zhàn)場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。

圖2：安川電氣的SigmaLogic伺服放大器可以通過一個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）接口進(jìn)行編程。

視覺系統(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)就開始了。切邊機(jī)的視覺系統(tǒng)從每個(gè)板材的位置推測出四個(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)板材來獲得最精確的切邊操作以及最少的浪費(fèi)。

通過使用標(biāo)準(zhǔn)PLC的附加指令以及增加伺服放大器來將PLC與伺服軸之間的接口簡化。對于WaneShear的軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)來說，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度。

圖3：本圖展示了在板材集結(jié)和鋸架輸出方面使用過去的工藝與使用伺服工藝之間的對比。

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800毫秒的目標(biāo)。

伺服驅(qū)動(dòng)解決方案帶來的好處顯而易見。在所有WaneShear未來的機(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)?！拔覀冊诳蛻艄S的其他機(jī)器設(shè)備上也看到了伺服產(chǎn)品的應(yīng)用?！盡cGehee表示，期望會(huì)在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用這項(xiàng)自動(dòng)化技術(shù)。

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