智能化在鍛造生產(chǎn)線自動化改造中的應(yīng)用

文/林麗·東風(fēng)鍛造有限公司

智能化在鍛造生產(chǎn)線自動化改造中的應(yīng)用

文/林麗·東風(fēng)鍛造有限公司

本文主要以我公司俄羅斯80MN鍛造生產(chǎn)線自動化改造為藍(lán)本，探討了鍛造生產(chǎn)線的設(shè)備布局對生產(chǎn)線效率發(fā)揮及產(chǎn)品質(zhì)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(yīng)用，以提升生產(chǎn)線智能化水平。

中國經(jīng)濟(jì)已經(jīng)從投資經(jīng)濟(jì)向創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，國內(nèi)鍛造行業(yè)近10年依靠投資引進(jìn)的萬噸級以上的鍛造生產(chǎn)線有近20條，保守估計(jì)年產(chǎn)大型鍛件超過60萬噸。工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，一個制造高效率化、高品質(zhì)化、高智能化的時代正向我們大踏步走來。發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的最大產(chǎn)能，通過智能化的改造提升設(shè)備效率，在此契機(jī)下，我公司啟動了對俄羅斯80MN鍛造生產(chǎn)線進(jìn)行布局優(yōu)化及自動化改造的項(xiàng)目。

設(shè)備布局優(yōu)化方案說明

原設(shè)備配置、布局及存在的問題

⑴設(shè)備布置。

俄羅斯80MN生產(chǎn)線是我公司2002年從俄羅斯引進(jìn)的一條鍛造生產(chǎn)線，生產(chǎn)線配置包括2臺1250kW的加熱床、φ1000mm的輥鍛機(jī)、80MN熱模鍛壓力機(jī)、操作機(jī)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(chǎn)線布置圖如圖1所示。

⑵存在的問題。

圖1 80MN生產(chǎn)線布置圖

該生產(chǎn)線加熱床出料口距離主機(jī)側(cè)窗口10.6m，經(jīng)過實(shí)測坯料從加熱床出口到達(dá)輥鍛機(jī)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(yù)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(zhì)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(zhì)量缺陷分布

同時由于是雙爐并行的生產(chǎn)方式，在實(shí)際加熱過程中常常發(fā)生兩臺加熱床同時出料的情況，為此必須甩料，還必須調(diào)整節(jié)拍或電壓，以便保證后續(xù)生產(chǎn)的連續(xù)。

由此可以看出，最大限度的縮短加熱床至主機(jī)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(xù)性加熱方式，同時對布局進(jìn)行大幅度調(diào)整以便滿足各工步間的節(jié)拍匹配。

布局優(yōu)化后的方案

取消原有的主機(jī)機(jī)械手，新增一臺KUKA機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)輥鍛與非輥鍛件的主機(jī)送料動作，同步輥鍛機(jī)前移8.3m，側(cè)向移動2m，安裝在主機(jī)飛輪下側(cè)，加熱床同步前移8.6m。

優(yōu)化后的優(yōu)點(diǎn)：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(xiàn)狀

⑴進(jìn)料部分。

進(jìn)料機(jī)構(gòu)采用氣缸進(jìn)油方式推料，返程時氣缸進(jìn)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(diào)整困難，無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

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(diào)整節(jié)拍，雙爐同時出料的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。隨著主機(jī)工位機(jī)器人投入運(yùn)行，出料節(jié)拍的不一致，造成坯料主機(jī)位等待，坯料的溫度下降很快，直接造成鍛壓機(jī)超噸位報(bào)警，鍛件品質(zhì)下降。

⑶電源部分。

溫度反饋開環(huán)，且A、B雙電源為獨(dú)立供電的分離電源，兩臺電源及電容柜內(nèi)元器件技術(shù)參數(shù)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(qū)控制。為保證坯料快速達(dá)到居里點(diǎn)，一臺電源控制加熱節(jié)感應(yīng)器，使坯料快速加熱到800℃以上，另一臺電源控制升溫節(jié)和均溫節(jié)感應(yīng)器，感應(yīng)器總長7500mm；

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

③步進(jìn)式上料、同時儲備熱清空裝置用以實(shí)現(xiàn)在線清空，即在正常生產(chǎn)情況下可將最后一根坯料生產(chǎn)完成；

④增加溫度閉環(huán)反饋，觸摸屏菜單式自動控制，同時根據(jù)進(jìn)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(diào)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(jī)構(gòu)主要由階梯上料機(jī)（油壓系統(tǒng)）、翻料機(jī)構(gòu)、進(jìn)料檢測機(jī)構(gòu)組成。通過天車將料箱內(nèi)的坯料傾倒入專用料斗內(nèi)，再使用天車將料斗吊運(yùn)至翻料機(jī)構(gòu)上，通過控制翻料機(jī)構(gòu)升降，將料斗內(nèi)的坯料斜滑入階梯上料機(jī)的料倉中，階梯上料機(jī)再有序的把坯料送到鏈?zhǔn)竭M(jìn)料機(jī)上，通過夾輥進(jìn)料機(jī)下檢測開關(guān)檢測坯料，坯料通過時上壓輥夾住坯料往加熱爐里連續(xù)送料，采用自動上料后，不需要人員干預(yù)，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(qū)動。為防止自動上料機(jī)構(gòu)中垂直坯料進(jìn)入送料傳送帶上，在最后一級的搓板機(jī)構(gòu)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(cè)，降低角度。同時為保證坯料能順利進(jìn)入階梯上料機(jī)構(gòu)中，增加振動電機(jī)帶動六個支撐塊，實(shí)現(xiàn)振動進(jìn)料。

②對于長度尺寸大于等于450mm的坯料，主要由偏心擺動機(jī)構(gòu)、儲料斗組成。通過天車將長坯料直接吊到料斗內(nèi)，通過電機(jī)帶動偏心機(jī)構(gòu)，料斗中的坯料步進(jìn)式前進(jìn)，最終把坯料送到鏈?zhǔn)竭M(jìn)料機(jī)上，通過夾輥進(jìn)料機(jī)下檢測開關(guān)，檢測到坯料通過時上壓輥夾住坯料往加熱爐里連續(xù)送料。

⑶電源部分改造。

從材料規(guī)格上看，現(xiàn)有的2500kW的加熱功率可滿足節(jié)拍的要求，維持不變，同時考慮變壓器的原因，中頻電源的進(jìn)線電壓維持不變。采用全集成化控制線路，電壓電流雙閉環(huán)，為電源提供精確的功率控制；增設(shè)了過流、過壓、換流監(jiān)控、水壓、水溫、缺相等保護(hù)功能；采用預(yù)充電、預(yù)充磁控制啟動電源，保證啟動成功率達(dá)到100%。同時采用PLC完成電源的啟動、保護(hù)和時序控制；采用恒反壓時間調(diào)節(jié)方式保證逆變可控硅準(zhǔn)確、可靠關(guān)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(tǒng)

由于整條生產(chǎn)線涉及9個獨(dú)立部件，每個部件也都有各自的控制系統(tǒng)，為此保證整個控制系統(tǒng)按照統(tǒng)一的指令相互協(xié)調(diào)工作是至關(guān)重要的，這也是本次改造過程中的重點(diǎn)工作。該生產(chǎn)線中各單臺設(shè)備使用的控制系統(tǒng)如表1所示。

表1 設(shè)備使用的控制系統(tǒng)

為整合以上資源，同時保證該生產(chǎn)線中各設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送快捷，同時實(shí)現(xiàn)設(shè)備相互間的互鎖功能，重新整合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？v觀整個控制系統(tǒng)，核心控制器大多采用西門子系統(tǒng)或是德國標(biāo)準(zhǔn)，因此改造中統(tǒng)一采用PROFIBUS-DP協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)。

考慮整條生產(chǎn)線長期需要生產(chǎn)的零件品種共約六大類，在鍛壓機(jī)控制面板上設(shè)置了人機(jī)界面，用以實(shí)現(xiàn)零件的配方管理。操作者只需要選擇生產(chǎn)的零件，即可完成所有系統(tǒng)部件的不同控制程序選擇和動作執(zhí)行。

兩臺KUKA機(jī)器人夾鉗設(shè)計(jì)及優(yōu)化

機(jī)器人的夾鉗設(shè)計(jì)在機(jī)器人的使用中十分重要，設(shè)計(jì)得當(dāng)可大大減少機(jī)器人本身的負(fù)載，提高機(jī)器人的使用壽命。我公司從事鍛造行業(yè)多年，具備豐富的熱加工經(jīng)驗(yàn)，本次改造中我們只采購裸機(jī)，自行設(shè)計(jì)夾爪。夾爪的設(shè)計(jì)符合以下要求：

⑴夾緊可靠，剛性適當(dāng)。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(chǎn)生壓傷，從而導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)質(zhì)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(yīng)能力強(qiáng)，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(wěn)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(jù)該設(shè)備上生產(chǎn)零件的重量及相關(guān)尺寸，對于主要抓取加熱后的圓棒料及生產(chǎn)中的預(yù)鍛件的R1機(jī)器人，夾爪開合角度設(shè)計(jì)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(qū)動夾爪的動力源。夾爪采用液壓油缸帶動齒輪轉(zhuǎn)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(fù)載情況，選用的是KR210 R2700 prime型機(jī)器人。通過模擬軟件核算夾爪重量及各軸負(fù)載（圖5），可以看出各軸負(fù)載均在使用范圍內(nèi)，滿足要求。

圖5 機(jī)器人負(fù)載模擬

對用于鍛件轉(zhuǎn)移的R2機(jī)器人，夾爪仍然采用液壓油缸驅(qū)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(shè)計(jì)

在整個鍛造生產(chǎn)過程中，為提升模具壽命及機(jī)器人夾爪的壽命，必須對模具和夾爪進(jìn)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(chǎn)生流動，模具會受力，也可能產(chǎn)生疲勞裂紋等，因此需對模具及時潤滑。同時鍛造中還會產(chǎn)生大量的氧化皮，必須及時清理，否則將導(dǎo)致零件充不滿。實(shí)際生產(chǎn)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(nèi)上升速度較快，為保證自動化生產(chǎn)的順利開展，有必要對模具實(shí)現(xiàn)自動潤滑和冷卻，具體的冷卻步驟在本次改造中設(shè)計(jì)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(nèi)的殘留水）。

圖6 實(shí)際生產(chǎn)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(xiàn)有的壓縮空氣對儲水罐中的自來水加壓后，與石墨罐內(nèi)的石墨，通過噴霧管進(jìn)行混合，霧化后對模具進(jìn)行噴霧冷卻。根據(jù)模具的型腔設(shè)置噴嘴，采用小孔高壓以便霧化。

⑵機(jī)器人夾爪冷卻。

將熱模鍛壓力機(jī)的側(cè)窗口設(shè)置為機(jī)器人的HOME點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人完成一次行程后，在HOME等待時，用側(cè)窗口的冷卻水管對機(jī)器人夾爪進(jìn)行冷卻，每次噴霧冷卻時間3～5s。

結(jié)束語

經(jīng)過近半年的努力，俄羅斯80MN的生產(chǎn)線改造已經(jīng)完成，全線生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，新的感應(yīng)加熱設(shè)備正發(fā)揮著越來越好的效果，全線能源消耗降低了20%，各生產(chǎn)線單臺設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍趨向一致，機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)品的表面質(zhì)量明顯提升，人員的JPMH提升10%。智能化的改造取得了成功。