数控开卷线电磁堆垛控制技术分析与研究

[摘要] 本文主要介绍了数控开卷线码垛结构的典型结构、控制要求及注意事项。

关键词：电磁堆垛；运行模式；抛料控制

中图分类号： O441 文献标识码： A

引言：在板材处理设备自动化生产线中，堆垛是必不可少的重要部件之一，不同形式的生产线相应的配备不同的堆垛设备。自动堆垛技术的广泛应用，极大提高板材处理的生产效率，大幅降低了人员成本，同时提高板材的表面的面品品质，便于板料打包及物料转运，避免板料的二次污染。

1.典型码垛技术概述

1.1按照机械机构来分：常见的堆垛形式有：气浮码垛、电磁码垛、真空码垛；以及在此基础上也衍生出一些组合形式如真空+电磁码垛等。气浮式码垛多用于常规产品上，此类码垛的挡块装置多设置拍打机构；而电磁及真空码垛则多用于高档生产线上，其挡块装置现在基本上不带拍打机构，其中真空码垛专为非磁性材料堆垛而设计的。针对不同的工艺需求，合理选择适宜的码垛结构。汽车车身外覆盖多使用材质较软的外板钢卷下料，其材质软，多使用电磁码垛。磁性码垛机（图1）可实现板料的停抛及平抛功能，使用电磁抛料可以有效的降低板料抛料时与定位挡块的冲击力，减少板料边缘的卷边问题，提升板料品质及板料合格率。

气浮堆垛、电磁堆垛技术在长城公司数控飞剪线、数控落料线项目都得到有效应用，创造了很大的经济效益。飞剪线的稳定生产节拍达到100次/分，落料线的节拍也维持在40次/分左右。板料自动堆垛技术极大提高了生产效率。

1.2按照控制方式来分：连续堆垛、步进堆垛，当然这两种控制主要基于高档码垛形式：电磁码垛及真空码垛连续堆垛是目前应用最广的堆垛形式。

2.连续码垛应用形式简介

长城汽车公司应用济南二机床公司供货的数控高速摆剪线、数控飞剪线项目，应用济二自主开发连续码垛形式，在确保满足生产工艺的前提下，生产节拍及制件品质均得到很大提升。

所谓连续也就是说码垛传送机构连续运转，堆垛过程中板料前向运行的动能需要在挡块机构上消耗掉，且板料质量越大挡块机构（图2）需要承受的撞击能量也越大。这种应用方式也对挡块机构的结构及材料选用提出了较高的要求。

一方面挡块要消耗掉板料频繁撞击的能量需要使挡块的设计牢固可靠，另一方面要尽量减少撞击对板料的损伤需要考虑挡块设计的柔性，因此这种情况下挡块成了易损件消耗品。

另外由于传送机构连续运转，堆垛时发生卡料、串料的几率也较大，而这种形式的码垛检测判断卡料的手段及效率又不高，极易造成板料堆积以至于割伤堆垛皮带。

连续堆垛模式在控制上需要计算落料位置，不同规格板料对应不同的落料位置，电气硬件上需要有相应的位置控制装置，如伺服驱动或变频驱动加定位模块，实现板料抛料堆垛时的电气逻辑控制、速度控制、定位控制。

连续堆垛模式的简易示意图如下：A位置为检测到有料时的位置，B为需要计算的抛料时刻位置，C为落到堆垛台中心的要求位置。

图中相关数据位移关系：

检测开关到码垛中心的距离： c=常量,依据设计及安装

需要堆垛的板料长度： L=送进长度，依模具参数变化

皮带到挡块的适宜落料高度： h=常量，依据设计及安装

检测到板料到落料位置需走距离：

又由运动分析可得到如下关系：

板料垂直方向运动距离：h=

板料下落时间内水平运行距离：

由此可以得知：

综上可以得出板料理论抛料距离：

生产线进入正常生产阶段时，皮带速度v(一般120m/min)，板料长度L(依据模具参数改变)均为已知变量，抛料距离亦可以按照公式算出数值计入新模具试模参考数据。

当控制系统检测到板料走完s这段距离时发送信号抛料；当然如果没有伺服或定位模块时也可用时间控制，t=s/v，检测到有料时计时器走完t这段时间后发送抛料信号，只是这样误差稍大。连续堆垛模式相对比较简单，但是也有几点关键技术需要特别注意：

a．生产节拍较高，当前一张板料还未抛料后面又检测到一张板料时需要多做几个寄存器处理。

b．位置控制方式下，皮带位置总归会有过零的情况出现，如果皮带速度较高，过零位置附近的抛料点容易丢掉，过零处理需要预留一定的误差值。

3.步进码垛应用形式简介

连续转步进式堆垛方式在机械结构及功能上均比以往有了极大地进步，基本代表了当今堆垛技术的最高水平，与连续堆垛相比，步进堆垛方式更显复杂，步进堆垛属于无损堆垛技术。

3.1步进堆垛相比连续堆垛的优点

对挡块定位机构冲击小(基本无冲击)，可不必考虑挡块结构的防松抗震性，使得挡块寿命大幅增加。

对工件基本无反冲，有效的保证了工件的表面质量。大型的汽车外覆盖件使用连续模式堆垛对板料撞伤极大。精确定位的伺服控制模式有效减少卡料、串料几率，也有效的保护了码垛皮带不被卡住的板料割伤。

3.2步进堆垛相比连续堆垛的缺点

伺服控制系统相比连续模式变频驱动成本增加不少，控制程序相对复杂，开发及调试难度较大。

受电磁铁布置及步长限制，使得生产节拍并不严格跟板料长度成比例，区间跨度较大，某些板料生产节拍比不上连续堆垛。

步进堆垛的系统选择，目前成熟应用于步进堆垛的伺服控制系统仅有力士乐一家，力士乐系统在伺服控制应用上有一点非常便利，在编制cam曲线时可以选择多种函数形式，包括常用的五次方、六次方曲线。

所有涉及步进堆垛的控制系统都需要考虑同步控制，以压力机角度为主轴，其他送料轴跟随按照既定的曲线运行。

3.3步进堆垛的调试要求

首先要对传送部件及码垛皮带做出合理的步长计算，以满足各种形式的堆垛方式要求。步长的选取受到的制约较多，一是送料长度，二是电磁铁排布，三是电机的能力。遇到交替堆垛的情况还要考虑机械结构带来的影响。

其次是充分考虑压机编码器轴稳定性给设备带来的影响，相关的伺服轴如，送料、伸缩皮带、码垛皮带均跟随压机编码器0-360之间的连续变化同步运行，理论上编码器轴是线性变化的，波形为锯齿波，但由于压机震动、编码器联接的可靠性、负载变化等原因，编码器信号是有波动的，与其同步的实轴也必然波动，使得部件运行时产生抖动甚至故障，因此编码器轴有必要在配置时增加低通滤波。

4.结束语

电磁堆垛技术已经在数控开卷线广泛的应用，其实现板料的精确抛料和无损抛料极大提高的板料品质和工艺符合率。近年来的新建汽车厂整车项目板料配送中心大多数都规划高端数控落料线及飞剪线，促进了国内汽车产业的高速发展。