鋼管自動碼垛成型機的研制*

汪萌生，祝守新，楊偉方

（1湖州師范學院，浙江 湖州 313000；2浙江金州管道有限公司，浙江 湖州 313000）

經驗交流

鋼管自動碼垛成型機的研制*

汪萌生1，祝守新1，楊偉方2

（1湖州師范學院，浙江 湖州 313000；2浙江金州管道有限公司，浙江 湖州 313000）

通過對鋼管堆垛成型工藝過程的分析，進行了鋼管自動碼垛成型機的機械和控制系統設計、制造及實現。設備運行的穩定性、可靠性和自動化程度都比較高，能夠適用多個規格的鋼管的碼垛成型，碼垛能力可達到12捆/h。

鋼管碼垛成型機；機械結構；控制系統

1 前言

近十年來，我國鋼鐵產品出口量快速增長，同時，鋼鐵企業也面臨著嚴峻的市場競爭。產品的“軟”質量（成形包裝質量）在繼“硬”質量（生產質量）之后，成為了企業市場競爭能力的又一明顯體現。國內大型鋼鐵企業仍然使用以前的手工包裝鋼管的運作模式，其包裝方式已經遠遠不能滿足實際生產和出口任務。從包裝形式看，國內大多數的鋼管成形包裝企業主要采用人工方式。鋼管沿著供管臺架下移后，直接滾落到落差1 m左右的正六邊形成型框架中，待鋼管滾落成型后，采取人工手動打包的方式將鋼捆打包運走。鋼管在下落的過程中，碰撞會使鋼管的表面鍍鋅層磨損，因此帶來鋼管成型包裝產量的損失。國內也有一些企業研制出了較為先進的鋼管包裝成型機，如天津的無縫鋼管廠的全自動鋼管成型機等[1-2]。

從19世紀60年代開始，德國、日本等國家已經開發出了半自動和全自動鋼管碼垛成型機[3]。這些國家生產的碼垛成型機成型響應時間短，定位精準，具有很高的穩定性和可靠性，造價約在100萬以上，能夠適應的鋼管規格很多，鋼管的成型時間是30捆/h以上。在借鑒國外鋼管成型機的基礎上，設計全自動鋼管碼垛成型機，能夠適用于外徑60～219 mm多個規格的鋼管的碼垛成型。

2 鋼管自動碼垛成型機的設計

2.1 產品規格

鋼管自動碼垛成型機產品規格要求：最大規格支重254.4 kg，最大規格鋼管捆重2 128 kg，材質Q195～Q345。鋼管的各種規格如表1所示，鋼管長度均為6 000 mm。

表1 鋼管規格

2.2 工作流程

1）鋼管對齊。鋼管通過供管臺架進入到臺架的水平位置，再由氣缸帶動撥板，使鋼管的一端對齊，鋼管對齊。

2）層管運輸。工作前，電磁吊在定位原點等待取料，定位原點位于擋板與等待水平輥道的中心位置左上方800 mm處。鋼管對齊后，安裝在供管臺架上的接近開關觸發，使得伺服驅動器工作，進而帶動伺服電機轉動。通過伺服電機的正轉，電磁吊將形成的層管運送到碼垛臺架中心位置的正上方，完成層管的運輸；通過伺服電機的反轉，使得電磁吊回到定位原點，等待下一層的堆垛。

3）碼垛成型。當層管運輸至碼垛臺架中心位置的正上方時，電磁吊下移放料，按照鋼管的類型將鋼管碼垛成正六邊形。

4）成型鋼管的運輸。鋼管碼垛成型后，通過水平輥道傳送機構將堆垛好的鋼管運輸至人工氣動打捆區域。鋼管自動碼垛成型的順序過程：鋼管下滾、鋼管對齊、電磁吊下移取料、電磁吊上移、層管運輸、電磁吊下移放料、電磁吊上移、打包運走。按照要求，鋼管每捆的最大數量是37根，此時所需的垛碼成型的時間最長為315 s，分為7層碼垛。7層碼垛分別是：第1層碼垛（4根）29 s，第2～7層碼垛（5、6、7、6、5、4根）16 s，打包運走時間為90 s。

2.3 機械部分設計

鋼管自動碼垛成型機的結構如圖1所示。機械結構包括對齊機構裝置、電磁吊輸送層管機構裝置、鋼管碼垛成型機構裝置及成型輥道傳送機構裝置等。

圖1 鋼管自動碼垛成型機結構

1）對齊機構裝置：供管臺架的臺面向水平輥道傾斜，鋼管自動滾送到靠近水平輥道一側放置后，控制系統檢測到水平臺面處有鋼管（限位開關檢測），起動交流電機，氣路控制系統控制電磁閥通斷，繼而控制氣缸氣路的通斷，從而帶動氣缸的拉桿往復運動，使推板接觸鋼管端部，將鋼管的一端對齊。

2）電磁吊運輸層管機構裝置。結構包括2組電磁鐵、門框式支架、伺服電機、滾珠絲杠、升降滑動機構及水平滑動機構等。

3）鋼管自動碼垛成型機構裝置。機構的工作流程是調節水平絲杠上的螺母，使得側輥定位準確，保證鋼管碼垛緊湊。

4）成型輥道傳送機構裝置。成型輥道傳送機構主要由2組小電機、二級減速器、12個小滾筒、滾道、皮帶等組成。

2.4 液壓驅動系統的設計

在液壓驅動系統中，油缸的動作要經過5個過程，分別為啟動、加速、勻速、減速、停止。液壓驅動系統采用的液壓元件是缸徑為125 mm、活塞桿直徑90 mm、行程為1 000 mm，型號是YGD-125/90-7，內置位移傳感器的豎直方向驅動的油缸。液壓系統如圖2所示。

圖2 電磁吊液壓驅動系統

2.5 電氣控制系統設計

鋼管成型機控制系統以SIMATIC S7-300 CPU314C-2DP和工控機為控制核心，采用可靠性強的驅動元件，包括電機、氣動元件、電磁鐵、液壓缸內置式位移傳感器等。在電氣驅動系統中，電氣執行元件是4臺交流電動機，分別用于鋼管輸入部分的鋼管對齊輥道電機1臺，帶有伺服驅動器的伺服電機1臺，水平輥道的橫向驅動電機2臺。根據電機的額定功率和額定電流，水平輥道上的橫向驅動電機2臺（帶制動器和減速箱）均選用了SIEMENS公司7.5 kW的變頻器。PLC采集的開關量信號主要有對齊擋料位置開關，伺服橫移機構左右限位和零點位置開關，電磁鐵通、斷電狀態信號，操作臺啟動、停止控制開關信號；PLC輸出開關信號主要有運送鋼管氣缸電磁閥控制信號，對齊機構氣缸電磁閥控制信號，操作臺運行、停止等信號燈芯信號，電磁鐵通、斷電控制開關，電磁吸吊升降氣缸電磁閥控制信號，鋼管捆輸出輥道電機啟停信號；PLC模擬量采集的信號是電磁吸吊升降氣缸位置信號；PLC模擬量輸出信號為控制電磁吸吊升降氣缸的比例電磁閥信號；PLC輸出脈沖信號有控制橫移機構伺服電機信號。主站控制柜實現的功能模塊見圖3。

設備運行的控制程序的編制主要根據電磁吊控制流程（見圖3a）和電磁吊運輸層管機構的控制流程（見圖3b）進行編制。電磁吊運輸層管機構裝置的控制流程是電磁吊橫移到指定位置，現快速下降1 m，再慢速下降到鋼管層上方20 mm處，電磁鐵通電吸吊鋼管，延時2 s后快速上升到橫移高度，橫移伺服電機運轉電磁吊平移到堆垛臺架上方，快速下降1 m，再慢速下降到臺架上方20 mm處，到達指定放管高度后，電磁鐵消磁釋放鋼管，電磁吊再重新上升到指定高度，橫移到程序設定吸吊鋼管位置，按照程序設定的吸吊高度完成下一層的鋼管堆垛放置。整個電磁吊裝置控制流程還包括鋼管來料的計數，鋼管層端部對齊，電磁吊的逐層堆放，堆放成型后將鋼管捆運送出堆垛臺架[4-6]。

3 結語

在借鑒國外鋼管成型機的基礎上，設計研制的全自動鋼管碼垛成型機能夠適用于外徑60.3～219 mm多個規格的鋼管的碼垛成型，定位精度和穩定性較好，具有較高的自動化水平，并且功能完善，彌補了國內成型機的空白。該成型機的碼垛能力可達到12捆/h左右，已經接近國外的碼垛能力，并且整套設備的造價遠遠低于國外的碼垛成型機。

TB486

B

1004-4620（2015）04-0068-02

*2014年湖州市科技攻關計劃工業項目（2014GG16）。

2015-05-20

汪萌生，男，1973年生，2013年畢業于武漢理工大學機械專業，博士?，F為湖州師范學院講師，從事機械設計及自動化專業的教學工作。