懸臂成型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)在制管成型機(jī)中的應(yīng)用研究*

王東明

(天水鍛壓機(jī)床(集團(tuán))有限公司 甘肅省制管裝備自動化及信息化重點實驗室，甘肅 天水 741020)

1 JCO制管成型機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

JCO制管成型機(jī)在國內(nèi)使用已經(jīng)有十幾年時間。從最初的全部依賴進(jìn)口，到全部國產(chǎn)化生產(chǎn)，成型機(jī)主機(jī)無論從理論研究到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、多缸電液比例控制技術(shù)、自動化系統(tǒng)集成技術(shù)，到用戶使用維修等方面都達(dá)到了一定水平。但是，制管成型機(jī)在下模開口調(diào)節(jié)方面，還沿用傳統(tǒng)墊板式機(jī)構(gòu)，通過增加或減少墊板的數(shù)量便可調(diào)節(jié)下模的開口[1]。通過人工更換墊板滿足下模開口調(diào)節(jié)的方法，費(fèi)時、費(fèi)力、不安全。

為了消除滑塊變形帶來的不利影響，需要對滑塊的撓度變形進(jìn)行補(bǔ)償。液壓補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償就是使工作臺產(chǎn)生向上的彈性變形，以抵消機(jī)床滑塊的變形，保證加工結(jié)合面精度，提高工件精度[2]。在液壓補(bǔ)償方面，國內(nèi)外一些設(shè)備采用下模多油缸補(bǔ)償方式，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控折彎機(jī)上[3]。在機(jī)械補(bǔ)償方面，采用單一縱向斜塊式補(bǔ)償方式，楔塊在工作臺內(nèi)均勻分布，加凸后的曲線設(shè)計成與工作臺的變形曲線，加凸補(bǔ)償較精確，能提高制件折彎角度的精度[3]，在國產(chǎn)制管成型機(jī)上已經(jīng)普遍采用了單一縱向補(bǔ)償方式。

2 JCO制管成型機(jī)技術(shù)改造與升級

為了降低管道建設(shè)成本，大幅提高單管輸量，一方面可增加鋼管直徑和壁厚，另一方面可提高鋼級，增加輸送壓力[4]。對JCO制管成型機(jī)加工的直縫鋼管，無論材質(zhì)、厚度、直徑都有了新的要求。厚度6～65 mm，鋼板最大寬度5 100 mm，長度9 000～18 400 mm，管徑1 626 mm，材質(zhì)X80-X100[5]。JCO制管成型機(jī)在加工高鋼級管坯時對開口形狀控制不理想，容易產(chǎn)生波浪和開口寬度不均勻現(xiàn)象，對后續(xù)合縫預(yù)焊設(shè)備、擴(kuò)徑整形設(shè)備形成壓力。為進(jìn)一步提高JCO制管成型機(jī)制管質(zhì)量，必須從成型設(shè)備技術(shù)改造升級著手，其中包括下模自動開口和自動多點撓度補(bǔ)償技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)實現(xiàn)以及自動控制技術(shù)應(yīng)用。讓下模開口自動調(diào)節(jié)到更接近理論成形圓管的曲率半徑理論值；多點補(bǔ)償使鋼管管坯直線度更接近理論圓管的直線度理論值。加工同一根鋼管的不同工步，選擇不同的下模開口和撓度補(bǔ)償值，實現(xiàn)鋼管加工。

3 高精度懸臂成型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

汽車懸臂吊車的生產(chǎn)，國內(nèi)外向大型和重型化方向發(fā)展，對大噸位懸臂吊中關(guān)鍵受力構(gòu)件起重臂要求高，材料選用不僅要求有良好的綜合力學(xué)性能，還要有良好的工藝性能，如彎曲性、焊接性、切削加工性等。此時，普通碳素鋼已經(jīng)不能滿足結(jié)構(gòu)性能要求，所以材料選用瑞典鋼鐵公司生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼WELDOX1100。汽車懸臂的截面形狀為多邊或U形，U形截面懸臂上下槽板尺寸、幾何公差精度要求，很難保證[6]。折彎會出現(xiàn)槽板扭曲、旁彎、開口尺寸中間大兩端小、槽板兩邊一高一低等變形，因此折彎前工序應(yīng)嚴(yán)格按照參數(shù)控制，并提高折彎機(jī)上、下模具精度，設(shè)備能力[7]。高精度數(shù)控懸臂成型機(jī)比通用折彎機(jī)，在加工精度等參數(shù)上均高出國家標(biāo)準(zhǔn)。國際上意大利Colgar、瑞典的烏斯維肯、比利時的LVD等幾家企業(yè)能生產(chǎn)這種高精度懸臂成型機(jī)。該類設(shè)備中除滑塊采用電液比例數(shù)控技術(shù)外，下模自動開口、多點撓度自動補(bǔ)償是此類設(shè)備的共性和關(guān)鍵技術(shù)。國外各廠家的具體技術(shù)實現(xiàn)方法有差別，但設(shè)計思想是一致的，這種關(guān)鍵技術(shù)在實際使用中已得到了充分驗證，對提高懸臂成型機(jī)加工精度至關(guān)重要。表1列出了數(shù)控懸臂成型機(jī)與板料折彎機(jī)參數(shù)對比情況。

4 關(guān)鍵技術(shù)在JCO制管成型機(jī)中的應(yīng)用

4.1 下模開口調(diào)整機(jī)構(gòu)

組成與功能：如圖1下模開口調(diào)整機(jī)構(gòu)所示。在下模長向兩側(cè)各安裝開口調(diào)整伺服電動機(jī)1，兩臺電動機(jī)同步運(yùn)行；下模調(diào)整齒輪9安裝在伺服電動機(jī)軸上，下模及模座4下面安裝有下模調(diào)整齒條8，通過齒輪齒條運(yùn)動調(diào)整下模開口；下模及模座4下面安裝數(shù)列下模頂升油缸組6，下模及模座4下面有多組鋸齒底座7和10，齒距10 mm，上下嚙合，下模及模座4被頂起后上下鋸齒脫開，準(zhǔn)備下模調(diào)整。

表1 高精度數(shù)控懸臂成型機(jī)與板料折彎機(jī)參數(shù)對比表

參數(shù)指標(biāo)《GB/T14349-2011板料折彎機(jī)精度》參數(shù)[8]高精度數(shù)控懸臂成型機(jī)參數(shù)加工工件直線度/(mm/m)0.650.35加工工件角度全長±1°全長±25'懸臂筒體直線度/(mm/m)≤1≤0.3下模開口調(diào)節(jié)精度/mm無±0.1縱向撓度補(bǔ)償調(diào)節(jié)精度/mm無±0.01橫向撓度補(bǔ)償調(diào)節(jié)精度/mm無±0.01

工作原理：下模開口調(diào)整時，首先下模頂升油缸組6將下模及模座4頂起，并與鋸齒底座7、10上下脫離。其次由伺服電動機(jī)驅(qū)動下模調(diào)整齒輪9旋轉(zhuǎn)，與下模調(diào)整齒條8嚙合推動模座開口變大或變小，調(diào)整到位后，驅(qū)動機(jī)構(gòu)停止。最后下模頂升油缸組6卸壓落下，上下模座鋸齒重新嚙合，并通過補(bǔ)償機(jī)構(gòu)鎖緊油缸12將模座與底座鎖緊。

4.2 下模多點撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

組成與功能：如圖2下模多點撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)所示。上半部分是縱向撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，下半部分是橫向撓度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。

縱向補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中，縱向補(bǔ)償上斜塊5和下斜塊7是上下對應(yīng)斜鐵形式，伺服電動機(jī)驅(qū)動縱向補(bǔ)償絲杠6；多組橫向補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中，橫向補(bǔ)償上斜塊3和下斜塊8是上下對應(yīng)斜鐵形式，橫向補(bǔ)償伺服電動機(jī)2直驅(qū)橫向補(bǔ)償下斜塊8。縱橫向上下斜鐵貼合緊密，微間隙配合，能相對滑動。

工作原理：下模撓度補(bǔ)償由縱向總補(bǔ)償和橫向多點局部補(bǔ)償共同完成。

縱向補(bǔ)償，通過安裝在工作臺上的兩臺伺服電動機(jī)，同步驅(qū)動縱向補(bǔ)償絲杠6，絲杠帶動縱向補(bǔ)償上斜塊5，與縱向補(bǔ)償下斜塊7之間產(chǎn)生相對滑動，頂起或落下補(bǔ)償機(jī)構(gòu)蓋板4，達(dá)到縱向撓度補(bǔ)償目的。

橫向補(bǔ)償，通過橫向補(bǔ)償伺服電動機(jī)2，帶動橫向補(bǔ)償下斜塊8前后移動，橫向補(bǔ)償上斜塊3升起或落下，達(dá)到橫向補(bǔ)償目的。在全長方向布置多組相同機(jī)構(gòu)，每個斜面上下運(yùn)動的位移量不同，不同的移動量組成不同的補(bǔ)償曲線，補(bǔ)償曲線由人機(jī)界面設(shè)置，在實際使用過程中可以修正。通過縱向和橫向補(bǔ)償，根據(jù)理論要求，配置出任意補(bǔ)償曲線，獲得精準(zhǔn)補(bǔ)償，實現(xiàn)高精度鋼管加工。

補(bǔ)償機(jī)構(gòu)鎖緊油缸11，一方面在縱、橫向補(bǔ)償機(jī)構(gòu)工作時頂起下模和底座，減輕補(bǔ)償移動重量，另一方面在主機(jī)工作時鎖緊下模、底座、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)消除間隙。

4.3 自動控制系統(tǒng)功能

制管成型機(jī)自動控制系統(tǒng)方案一般采用，液壓系統(tǒng)專業(yè)控制器+工控機(jī)+專業(yè)軟件+可編程控制器+網(wǎng)絡(luò)通訊的模式。液壓系統(tǒng)專業(yè)控制器實現(xiàn)對滑塊電液比例系統(tǒng)雙缸或多缸速度同步、精確定位控制；工控機(jī)+專業(yè)軟件解決人機(jī)界面和車間級數(shù)據(jù)傳輸；可編程控制器進(jìn)行設(shè)備級與現(xiàn)場級各類傳感器連接與控制；各個控制單元之間采用現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)連接。同時，在機(jī)組單機(jī)自動化、信息化的基礎(chǔ)上，向全線數(shù)字自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展是焊管機(jī)組的方向[9]。

西門子公司的T-CPU(Technological tasks with SIMATIC )，T-CPU設(shè)計理念是把PLC控制功能和運(yùn)動控制功能，傳動裝置參數(shù)化功能融合在一起，組成一個自動化控制平臺。T-CPU是雙CPU系統(tǒng)，一個是傳統(tǒng)的S7系列PLC的CPU,另一個是運(yùn)動控制CPU，兩CPU之間通過硬件連接，不需要用戶編寫程序[10]。技術(shù)改造和升級后的JCO成型機(jī)控制系統(tǒng)采用T-CPU與WINCC技術(shù)集成，在工廠自動化系統(tǒng)中，一方面要求控制過程相對集中，另一方面要求在一個組織內(nèi)部的所有層面和站點之間實現(xiàn)持續(xù)的信息流動。SIMATIC WinCC針對這樣的要求提供了完整的解決方案[11]。第一通過WINCC完成數(shù)控編程；控制數(shù)據(jù)計算；實時信息顯示；車間級管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊。第二通過T-CPU分別控制滑塊多缸液壓軸控制；下模開口伺服軸同步控制；多點撓度補(bǔ)償伺服軸控制；前后送料伺服軸控制。第三下模開口數(shù)據(jù)與每一個補(bǔ)償點的補(bǔ)償值由控制系統(tǒng)自動計算，操作者通過設(shè)定參數(shù)與調(diào)整補(bǔ)償曲線，提高鋼管加工質(zhì)量。

5 結(jié)語

將懸臂成型機(jī)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用到JCO制管成型機(jī)中，涉及到機(jī)械系統(tǒng)功能部件升級，控制系統(tǒng)和自動化升級，能有效提高制管成型機(jī)工作效率，提高自動化水平和制管質(zhì)量,應(yīng)用這些技術(shù)對JCO制管成型機(jī)技術(shù)改造和升級具有現(xiàn)實意義。

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