50000kN全自動AT軌跟端成形熱模鍛生產線研制

周志江

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

鋼軌道岔是鐵路人字分岔線必不可少的關鍵零件，鋼軌道岔件的生產效率及產品質量至關重要。近年來，隨著中國高鐵技術的迅速發展，鐵路產業逐漸成為我國國民經濟的支柱產業。鐵路建設中的許多關鍵零部件大多采用鍛造生產工藝，因此，提供鍛造生產的工藝裝備必須滿足生產效率高、產品質量穩定、人力配置少等要求。

1 生產線主要設計思路

全自動AT軌跟端成形生產線依據現代數字控制理論，結合自動物料傳輸系統、自動噴淋潤滑系統、數控四工位模鍛液壓機、多軸同步工業機器人等技術，實現鋼軌鍛造生產過程的數字化、程序化，大大提高生產效率，大幅度降低工人的勞動強度。系統采用成熟的聯線生產模式，可以一次性完成原料從輸入到成品輸出的全自動生產過程，徹底改變傳統的生產模式，提高工件成品率。

2 生產線的主要組成

全自動AT軌跟端成形生產線由自動物料傳輸系統、自動噴淋潤滑系統、數控四工位模鍛液壓機和多軸同步工業機器人等主要部分組成。

2.1 自動物料傳輸系統

（1）物料上傳。在整個自動生產過程中物料的上傳采用多節點遞進的方式，各節點均設置數字信號采集點，統一上傳到PLC控制中心。當上料架的初始位首次放入物料，系統接到有料數字信號后，上料架自動遞進式向前傳遞物料，直到物料到達上料架的終端并觸動物料就緒數字信號，完成物料的上傳工作。

（2）物料下傳。在整個自動生產過程中物料的下傳采用多節點遞進的方式，各節點均設置數字信號采集點，統一上傳到PLC控制中心。當工件加工完成后，由機器人將物料送入下料架的初始位，系統接到有料數字信號后，下料架自動遞進式向后傳遞物料，直到物料到達下料架的終端（即下一工序正火的起點）并觸動物料就緒數字信號，完成物料的上傳工作。

（3）物料正火滾動傳輸。接到正火位物料就緒數字信號，控制中心檢測到物料已達到適合的工藝溫度，指示輥道傳輸系統將物料傳入正火爐腔內進行正火，通過爐腔內的紅外測溫儀實時探測物料溫度并不斷采集數字信號上傳到控制中心，物料達到正火工藝溫度時，控制中心指示中頻感應加熱爐停止工作，同時指示輥道傳輸系統將物料傳出爐腔，最終完成物料的生產傳輸并發出報警。圖1為自動物料傳輸系統。

2.2 自動噴淋潤滑系統

自動噴淋潤滑系統由數控驅動機構、自動吹氣模塊、自動潤滑模塊等組成。自主開發的數控驅動機構采用伺服驅動，由觸發式信號自動運行，即機構接到控制中心傳來的鍛造完成數字指令后，按預設的動作工藝過程，自行驅動吹氣模塊和潤滑模塊進入模腔進行吹氧化皮和噴涂潤滑液。自動吹氣模塊按預定的工藝過程，在識別驅動機構位置信號后，將自行開啟閥門吹掉模腔內的氧化皮等雜物。自動潤滑模塊按預定的工藝過程，在識別驅動機構位置信號后，將自行開啟閥門向上下模腔表面噴涂霧狀潤滑液。圖2為自動噴淋潤滑系統。

圖1 自動物料傳輸系統

圖2 自動噴淋潤滑系統

2.3 數控四工位模鍛液壓機

在普通數控液壓機的基礎上開發的數控四工位模鍛液壓機，是整個自動線數控化生產的核心之一。采用成熟的伺服閉環控制系統完成對模鍛液壓機多工位的精準控制，具有工位位置無級可調、多工位重復定位精度高、運行平穩等特點。整個控制系統均有Profibus-DP的總線控制，解決了模鍛液壓機與物料傳輸系統、噴淋潤滑系統、多軸同步工業機器人、中頻感應加熱爐、中頻感應正火爐等功能部件協同作業的控制問題。

總體控制思路是采用SIEMENS PLC控制。全數字控制系統的硬件包括：上位機、加熱系統（設為從站 1）、送出料系統（設為從站2）、壓機控制系統（設為從站3）、吹氧化皮系統（設為從站4）、噴潤滑劑系統（設為從站5）、主控制 HMI（設為從站 6）、現場 HMI（設為從站 7）。具體的從站設定由設計時確定。

上位機采用 SIEMENS S7，安裝在主控制電氣柜中，其主要功能：各過程參數，形成壓機的壓力，行程數據庫系統（報表系統，歷史曲線，并能實現打印輸出），通過采集壓機、送出料機構、中頻加熱爐等子控制系統的各點I/O，最終形成整個系統完善的報警系統。

數字控制系統（即從站1加熱系統、從站2送出料系統、從站3壓機控制系統、從站4吹氧化皮系統、從站5噴潤滑劑系統）的工藝動作，發出控制指令，協調各子系統動作，最終完成制件的合格制品。

2.4 多軸同步工業機器人

需要加工的工件長度5～25米，多軸數控專用工業機器人，具有多軸同步響應快，同步精度高等特點。多軸工業機器人包括：垂直向五軸運動同步機構、水平向五軸旋轉同步機構、水平向兩軸行走同步機構。

（1）垂直向五軸液壓同步。工件的抓取共采用五個機械手，五個機械手在上下方向的運行是分別驅動的，均采用高頻響比例伺服控制相應的液壓缸，實現5個液壓軸同步運動。上下的五軸同步控制程序，采用成熟的伺服閉環控制系統，減少了誤差，提高了同步精度和響應速度。

伺服閉環控制系統工作時，位移傳感器實時記錄機械手的位移量，該位移量是模擬量，必須通過A/D轉換器轉換為數字量以便輸入計算機；計算機每隔一定時間T對輸入信號和反饋信號采樣一次（時間間隔T為采樣周期），經比較后得出誤差信號，再按控制算法進行運算，將算出的控制信號進D/A轉換器轉換為模擬量送到液壓伺服系統，即通過控制比例伺服閥開口量的大小來實現對機械手速度的控制，從而達到最終控制機械手的位置。其構成如圖3所示。

圖3 計算機控制的液壓伺服系統

（2）水平向五軸旋轉液壓同步。五個機械手上分別設計了可旋轉的運動夾頭，五個夾頭的旋轉是分別驅動的，均采用高頻響比例伺服控制相應的液壓馬達，實現5個運動夾頭旋轉同步。五軸的旋轉同步控制程序，采用成熟的伺服閉環控制系統，減少了誤差，提高了同步精度和響應速度。

（3）水平向兩軸行走同步機構。工業機器人長約25米，行走采用前后兩軸獨立驅動方式，兩個伺服電機分別驅動兩端，采用閉環控制方式，行走兩軸同步精度高，響應時間快，并可以數字化控制其行走速度及定位位置等，并能實現全過程控制。圖4為多軸同步工業機器人。

圖4 多軸同步工業機器人

3 結束語

由全自動生產線生產的AT鋼軌跟端鍛造零件，成形過程連續化，工件鍛造后充分利用物料下傳的過程自然冷卻，在冷卻到一定的工藝溫度時，能及時利用余溫連續進行正火熱處理，較傳統的生產方式節能。同時，這種自動生產模式大大降低了人工物料的轉運時間，生產效率可以提高80%以上，產成品合格率提高，質量穩定，零件材料損耗降低，人工成本降低。所提供的5000噸全自動AT軌跟端成形生產線，到目前為止是國產自動化程度較高、數控技術運用較全面的專用熱成形鍛造生產線。