智能化在鍛造生產線自動化改造中的應用

文/林麗·東風鍛造有限公司

智能化在鍛造生產線自動化改造中的應用

文/林麗·東風鍛造有限公司

本文主要以我公司俄羅斯80MN鍛造生產線自動化改造為藍本，探討了鍛造生產線的設備布局對生產線效率發揮及產品質量的影響程度，并探討了各類自動化裝置在自動化改造中的應用，以提升生產線智能化水平。

中國經濟已經從投資經濟向創新經濟轉型，國內鍛造行業近10年依靠投資引進的萬噸級以上的鍛造生產線有近20條，保守估計年產大型鍛件超過60萬噸。工業4.0是以智能制造為主導的第四次工業革命，一個制造高效率化、高品質化、高智能化的時代正向我們大踏步走來。發揮現有設備的最大產能，通過智能化的改造提升設備效率，在此契機下，我公司啟動了對俄羅斯80MN鍛造生產線進行布局優化及自動化改造的項目。

設備布局優化方案說明

原設備配置、布局及存在的問題

⑴設備布置。

俄羅斯80MN生產線是我公司2002年從俄羅斯引進的一條鍛造生產線，生產線配置包括2臺1250kW的加熱床、φ1000mm的輥鍛機、80MN熱模鍛壓力機、操作機械手和1250t切邊壓床，同時配置兩條傳送帶和一條控溫爐。生產線布置圖如圖1所示。

⑵存在的問題。

圖1 80MN生產線布置圖

該生產線加熱床出料口距離主機側窗口10.6m，經過實測坯料從加熱床出口到達輥鍛機喂料鉗的時間為17s，輥鍛后至T2接料位時間為39s，輥坯從T2傳送到預鍛位時間為59s，工步時序圖見圖2。由于物流距離長引起了坯料溫度的明顯下降，溫度變化曲線如圖3所示。由此帶來了大量的零件質量問題，主要集中在零件未充滿和尺寸超差，具體分布如圖4所示。

圖2 工步時序

圖3 溫度變化曲線圖

圖4 質量缺陷分布

同時由于是雙爐并行的生產方式，在實際加熱過程中常常發生兩臺加熱床同時出料的情況，為此必須甩料，還必須調整節拍或電壓，以便保證后續生產的連續。

由此可以看出，最大限度的縮短加熱床至主機的距離尤為重要，在加熱床加熱功率不變的前提下更新為單爐連續性加熱方式，同時對布局進行大幅度調整以便滿足各工步間的節拍匹配。

布局優化后的方案

取消原有的主機機械手，新增一臺KUKA機器人，實現輥鍛與非輥鍛件的主機送料動作，同步輥鍛機前移8.3m，側向移動2m，安裝在主機飛輪下側，加熱床同步前移8.6m。

優化后的優點：非輥鍛件傳送時間可縮短20～25s。輥鍛件傳送時間縮短15s。坯料鍛造時的溫度較原布局相比上升100℃，大大降低了鍛造成形力。

自動化改造方案說明

加熱床改造前的現狀

⑴進料部分。

進料機構采用氣缸進油方式推料，返程時氣缸進氣推動，氣缸速度受流量大小和氣壓波動影響較大，而流量的大小靠球閥控制，調整困難，無法實現精準調節。

⑵出料部分。

采用雙爐雙列布局（2×1250kW），出爐口的坯料操作人員可隨意調整節拍，雙爐同時出料的現象經常發生。隨著主機工位機器人投入運行，出料節拍的不一致，造成坯料主機位等待，坯料的溫度下降很快，直接造成鍛壓機超噸位報警，鍛件品質下降。

⑶電源部分。

溫度反饋開環，且A、B雙電源為獨立供電的分離電源，兩臺電源及電容柜內元器件技術參數上存在微量偏差，造成坯料溫度在±50℃的范圍波動。

加熱床改造方案說明

⑴改造方案簡述。

①布局方式雙爐單列，分區控制。為保證坯料快速達到居里點，一臺電源控制加熱節感應器，使坯料快速加熱到800℃以上，另一臺電源控制升溫節和均溫節感應器，感應器總長7500mm；

②為提高加熱質量、防止粘料，采用夾輥進料方式。每個滾輪間有一定的速度差，速度差控制在5%以內。

③步進式上料、同時儲備熱清空裝置用以實現在線清空，即在正常生產情況下可將最后一根坯料生產完成；

④增加溫度閉環反饋，觸摸屏菜單式自動控制，同時根據進料的速度及坯料狀況，功率自動分配，在線熱清空時也自動調整電壓。

⑵自動上料方案。

①對于坯料長度尺寸小于450mm的坯料，采用階梯上料的方式。該機構主要由階梯上料機（油壓系統）、翻料機構、進料檢測機構組成。通過天車將料箱內的坯料傾倒入專用料斗內，再使用天車將料斗吊運至翻料機構上，通過控制翻料機構升降，將料斗內的坯料斜滑入階梯上料機的料倉中，階梯上料機再有序的把坯料送到鏈式進料機上，通過夾輥進料機下檢測開關檢測坯料，坯料通過時上壓輥夾住坯料往加熱爐里連續送料，采用自動上料后，不需要人員干預，所以必須考慮人員兼顧問題，目前單根坯料的重量均在20kg以上，每次料斗中裝料總重3t，為此采用液壓油缸驅動。為防止自動上料機構中垂直坯料進入送料傳送帶上，在最后一級的搓板機構前增加一個橫推的氣缸。為降低倒料過程中坯料對料斗的沖擊、降低噪聲，在接料滑板側，降低角度。同時為保證坯料能順利進入階梯上料機構中，增加振動電機帶動六個支撐塊，實現振動進料。

②對于長度尺寸大于等于450mm的坯料，主要由偏心擺動機構、儲料斗組成。通過天車將長坯料直接吊到料斗內，通過電機帶動偏心機構，料斗中的坯料步進式前進，最終把坯料送到鏈式進料機上，通過夾輥進料機下檢測開關，檢測到坯料通過時上壓輥夾住坯料往加熱爐里連續送料。

⑶電源部分改造。

從材料規格上看，現有的2500kW的加熱功率可滿足節拍的要求，維持不變，同時考慮變壓器的原因，中頻電源的進線電壓維持不變。采用全集成化控制線路，電壓電流雙閉環，為電源提供精確的功率控制；增設了過流、過壓、換流監控、水壓、水溫、缺相等保護功能；采用預充電、預充磁控制啟動電源，保證啟動成功率達到100%。同時采用PLC完成電源的啟動、保護和時序控制；采用恒反壓時間調節方式保證逆變可控硅準確、可靠關斷。在整個加熱床中采用水冷快換接頭保證可靠性。

全線自動控制系統

由于整條生產線涉及9個獨立部件，每個部件也都有各自的控制系統，為此保證整個控制系統按照統一的指令相互協調工作是至關重要的，這也是本次改造過程中的重點工作。該生產線中各單臺設備使用的控制系統如表1所示。

表1 設備使用的控制系統

為整合以上資源，同時保證該生產線中各設備的數據傳送快捷，同時實現設備相互間的互鎖功能，重新整合網絡系統。縱觀整個控制系統，核心控制器大多采用西門子系統或是德國標準，因此改造中統一采用PROFIBUS-DP協議組成網絡。

考慮整條生產線長期需要生產的零件品種共約六大類，在鍛壓機控制面板上設置了人機界面，用以實現零件的配方管理。操作者只需要選擇生產的零件，即可完成所有系統部件的不同控制程序選擇和動作執行。

兩臺KUKA機器人夾鉗設計及優化

機器人的夾鉗設計在機器人的使用中十分重要，設計得當可大大減少機器人本身的負載，提高機器人的使用壽命。我公司從事鍛造行業多年，具備豐富的熱加工經驗，本次改造中我們只采購裸機，自行設計夾爪。夾爪的設計符合以下要求：

⑴夾緊可靠，剛性適當。夾緊后既不使鍛件松動滑移，又不使鍛件因拘束度過大而產生壓傷，從而導致鍛件出現質量問題（折紋等）。

⑵夾鉗抓緊和松開鍛件動作迅速、操作方便。

⑶夾鉗適應能力強，對不同品種鍛件的兼容性與可靠性良好。

⑷在保證裝夾平穩可靠的前提下，盡量降低夾鉗本身的制作與維修成本。具有較好的制造工藝性和較高的拆裝效率。

根據該設備上生產零件的重量及相關尺寸，對于主要抓取加熱后的圓棒料及生產中的預鍛件的R1機器人，夾爪開合角度設計必須大，同時要保證足夠的夾緊力，因此選用液壓油缸做為驅動夾爪的動力源。夾爪采用液壓油缸帶動齒輪轉動，帶動夾爪開合，同時采用三爪方式，前爪為兩爪，后爪為一爪?？紤]動靜負載情況，選用的是KR210 R2700 prime型機器人。通過模擬軟件核算夾爪重量及各軸負載（圖5），可以看出各軸負載均在使用范圍內，滿足要求。

圖5 機器人負載模擬

對用于鍛件轉移的R2機器人，夾爪仍然采用液壓油缸驅動的三爪方式，但此時的三爪是前爪為一爪，后爪為兩爪。同時由于始終抓取的是帶飛邊的鍛件，所以夾爪開檔盡量大。

冷卻設計

在整個鍛造生產過程中，為提升模具壽命及機器人夾爪的壽命，必須對模具和夾爪進行冷卻，但這兩種冷卻需求是不一樣的。

⑴模具冷卻。

在鍛造過程中，模具需要不斷地與熱鍛件接觸，模具的溫度也會隨著時間逐步上升，由于坯料在模具中成形，金屬會在模具中產生流動，模具會受力，也可能產生疲勞裂紋等，因此需對模具及時潤滑。同時鍛造中還會產生大量的氧化皮，必須及時清理，否則將導致零件充不滿。實際生產時的模具溫升情況如圖6所示。

從圖6中可以看出模具溫度在1h內上升速度較快，為保證自動化生產的順利開展，有必要對模具實現自動潤滑和冷卻，具體的冷卻步驟在本次改造中設計如下：

吹氣（去除氧化皮）—水+石墨的混合物（冷卻及潤滑）—吹氣（吹去模腔內的殘留水）。

圖6 實際生產時1h模具溫升

自動潤滑和冷卻的基本工作原理：使用一個儲水罐，用公司現有的壓縮空氣對儲水罐中的自來水加壓后，與石墨罐內的石墨，通過噴霧管進行混合，霧化后對模具進行噴霧冷卻。根據模具的型腔設置噴嘴，采用小孔高壓以便霧化。

⑵機器人夾爪冷卻。

將熱模鍛壓力機的側窗口設置為機器人的HOME點，當機器人完成一次行程后，在HOME等待時，用側窗口的冷卻水管對機器人夾爪進行冷卻，每次噴霧冷卻時間3～5s。

結束語

經過近半年的努力，俄羅斯80MN的生產線改造已經完成，全線生產連續穩定，新的感應加熱設備正發揮著越來越好的效果，全線能源消耗降低了20%，各生產線單臺設備的生產節拍趨向一致，機器人穩定運行，產品的表面質量明顯提升，人員的JPMH提升10%。智能化的改造取得了成功。