鋼格板制造排料系統(tǒng)研究

張永飛　楊大珊　賴堅(jiān)仁　易斌　林旭肖

摘要：面對壓焊鋼格板越來越廣闊的市場前景，人工上料和排料顯然已不能滿足企業(yè)大量生產(chǎn)的要求，需要研發(fā)一種用于鋼格板制造自動(dòng)追剪排料的系統(tǒng)?；诖耍蒙衔粰C(jī)—PLC—觸摸屏的硬件架構(gòu)控制系統(tǒng)，開發(fā)了一套鋼格板數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)追剪和自動(dòng)排料的控制系統(tǒng)，并且在車間進(jìn)行試用。試用結(jié)果表明，扁鋼自動(dòng)追剪排料控制系統(tǒng)替代人工上料，不僅降低了企業(yè)人力成本，而且提高了鋼格板的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：鋼格板制造;自動(dòng)追剪;自動(dòng)排料;自動(dòng)識(shí)別;自動(dòng)下發(fā)

0 引言

鋼格板是一種由承載扁鋼與橫桿按照一定的間距正交組合，通過焊接或壓鎖加以固定的開敞板式鋼構(gòu)件。鋼格板廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工、造船、能源、市政等行業(yè)的工業(yè)建筑、公共設(shè)施、裝置框架、平臺(tái)、地板、走道、樓梯踏板、溝蓋、圍欄、吊頂?shù)冉ㄔ熘?。根?jù)制作方法不同，可以將鋼格板分為壓焊鋼格板和壓鎖鋼格板。其中壓焊鋼格板是在承載扁鋼和橫桿的每個(gè)交點(diǎn)處通過壓力電阻焊固定的鋼格板，其橫桿通常采用扭絞方鋼，如圖1所示。

鋼格板的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法包括統(tǒng)一調(diào)直裁剪、人工排料、自動(dòng)壓焊、人工裁剪、后處理5個(gè)步驟，如圖2所示。首先由廠家訂購固定長度的直扁鋼，或者對卷扁鋼進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)直裁剪，然后由工人進(jìn)行排料，接著由壓焊機(jī)進(jìn)行壓焊，壓焊出來的產(chǎn)品只有一種規(guī)格，再根據(jù)訂單的需要對產(chǎn)品進(jìn)行裁剪，最后進(jìn)行熱浸鍍鋅等后處理。

傳統(tǒng)的人工排料方法，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大;生產(chǎn)出來的鋼格板規(guī)格是固定的，對于不同規(guī)格的訂單需求，必須進(jìn)行后期人工裁剪，導(dǎo)致加工時(shí)間長，剪下來的邊角料會(huì)造成浪費(fèi)。目前，國內(nèi)關(guān)于壓焊設(shè)備的研究有很多，但幾乎沒有針對提高人工排料效率環(huán)節(jié)的改進(jìn)研究，這主要是工廠年久、設(shè)備陳舊、場地限制、改造難等問題所致。為了進(jìn)一步提高鋼格板的生產(chǎn)效率，鋼格板生產(chǎn)行業(yè)亟需一種可以實(shí)現(xiàn)鋼格板任務(wù)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別并下發(fā)、自動(dòng)裁剪長度、自動(dòng)排料的控制設(shè)備。

1 設(shè)計(jì)方案

針對鋼格板傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新式生產(chǎn)方法，選擇卷扁鋼作為材料進(jìn)行加工，生產(chǎn)過程分為開卷、調(diào)直、追剪、自動(dòng)排料、推料、自動(dòng)壓焊、后處理7個(gè)步驟，如圖3所示。與傳統(tǒng)方法相比，新方法最大的不同就是可以直接生產(chǎn)不同規(guī)格的鋼格板，不需要額外進(jìn)行裁剪。

為了實(shí)現(xiàn)上面的生產(chǎn)流程，決定采用上位機(jī)—PLC—觸摸屏界面的形式，由上位機(jī)軟件自動(dòng)識(shí)別U盤等存儲(chǔ)設(shè)備的文件數(shù)據(jù)，自動(dòng)下發(fā)給PLC系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)追剪、排料和壓焊3臺(tái)機(jī)器按照訂單的要求生產(chǎn)各種規(guī)格的鋼格板。由上位機(jī)、追剪調(diào)直機(jī)系統(tǒng)和扁鋼排料機(jī)控制系統(tǒng)組成的自動(dòng)排料系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)卷鋼自動(dòng)拉直截?cái)唷⒆詣?dòng)排料功能。

2 任務(wù)單下發(fā)

利用上位機(jī)讀取U盤內(nèi)存儲(chǔ)好的任務(wù)單文件，然后在合適的時(shí)候?qū)⑷蝿?wù)單信息下發(fā)到追剪、排料和壓焊3臺(tái)機(jī)器上，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)從U盤到PLC的自動(dòng)通信傳送，不需要操作工在這3臺(tái)機(jī)器上手動(dòng)輸入?yún)?shù)，減少了生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)直接下發(fā)任務(wù)單可以避免參數(shù)誤輸入造成的經(jīng)濟(jì)損失。

任務(wù)單的內(nèi)容主要是不同規(guī)格鋼格板的具體參數(shù)，其格式為“生產(chǎn)序號(hào)—成品數(shù)量—扁鋼長度—扁鋼數(shù)量—留頭長度—絞鋼數(shù)量—送料位置”。自動(dòng)上料機(jī)控制系統(tǒng)界面如圖4所示。

上位機(jī)識(shí)別的任務(wù)單文件各參數(shù)含義如下：

（1）生產(chǎn)序號(hào)，是將任務(wù)按照一定順序排列之后得到的，PLC完成當(dāng)前任務(wù)之后會(huì)請求上位機(jī)按照序號(hào)下發(fā)下一條任務(wù)。

（2）成品數(shù)量，就是這一批次產(chǎn)品中相同規(guī)格鋼格板的生產(chǎn)數(shù)量。將同一規(guī)格的鋼格板合并進(jìn)一個(gè)序號(hào)內(nèi)，可以避免規(guī)格參數(shù)頻繁變化。生產(chǎn)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，對比參數(shù)經(jīng)常變化的情況，生產(chǎn)同規(guī)格鋼格板的機(jī)器表現(xiàn)更穩(wěn)定。

（3）扁鋼長度，就是根據(jù)產(chǎn)品長度計(jì)算得到的參數(shù)，決定了追剪調(diào)直機(jī)剪切的長度。

（4）扁鋼數(shù)量，就是根據(jù)產(chǎn)品寬度計(jì)算得到的參數(shù)，決定了追剪調(diào)直機(jī)剪切和排料機(jī)排料的次數(shù)。

（5）留頭長度，是鋼格板焊接的第一根絞鋼到鋼格板邊緣的距離，實(shí)際上就是排料機(jī)推料的距離。

（6）絞鋼數(shù)量，是根據(jù)產(chǎn)品長度及壓焊機(jī)壓焊間距計(jì)算得到的參數(shù)。由于壓焊機(jī)采用一次壓焊兩根絞鋼的加工形式，所以絞鋼數(shù)量總是偶數(shù)。在長度方向上，絞鋼數(shù)量、留頭長度、扁鋼長度和產(chǎn)品長度有這樣的關(guān)系式：

扁鋼長度L=留頭長度+（絞鋼數(shù)量-1）×

絞鋼間隔+末端長度

產(chǎn)品長度=扁鋼長度+包邊料寬度×2（2）

（7）送料位置，是機(jī)械手取第一根扁鋼放置的位置。由于需要加工不同寬度的鋼格板，扁鋼數(shù)量不一定是34根，為了保證壓焊時(shí)均勻受力，需要扁鋼盡量放在料盤中心位置，所以需要根據(jù)扁鋼數(shù)量計(jì)算出送料位置，計(jì)算公式如下：

送料位置=roundup[（34-扁鋼數(shù)量）/2]（3）

其中roundup是Excel中自帶的向上取整函數(shù)，這里計(jì)算出來的結(jié)果是放下第一根扁鋼的槽位，對應(yīng)到機(jī)械手伺服電機(jī)的絕對坐標(biāo)，計(jì)算還要用到第4節(jié)的公式（4）。

3 追剪調(diào)直機(jī)

追剪調(diào)直機(jī)負(fù)責(zé)的是生產(chǎn)流程的前3個(gè)步驟：開卷、調(diào)直和追剪。其中，開卷、調(diào)直就是負(fù)責(zé)將車間得到的卷鋼通過拉伸壓的方法調(diào)整成可用的直扁鋼。然后根據(jù)任務(wù)單要求剪切出長度合適的扁鋼。采用追剪的剪切方式的特點(diǎn)就是剪切的時(shí)候，切刀與送料機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)，平穩(wěn)剪切。由于追剪過程中送料機(jī)構(gòu)不停機(jī)，追剪的生產(chǎn)效率比一般生產(chǎn)效率高。

追剪過程應(yīng)用了臺(tái)達(dá)的伺服電機(jī)，該款電機(jī)自帶電子凸輪功能，使用的時(shí)候只要PLC下達(dá)嚙合指令，就能自動(dòng)完成預(yù)設(shè)長度扁鋼的追剪動(dòng)作，在同步區(qū)發(fā)回信號(hào)后，PLC控制液壓刀進(jìn)行剪切。追剪速度曲線如圖5所示。

4 扁鋼排料機(jī)系統(tǒng)

扁鋼排料機(jī)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上料不可或缺的一部分，主要排料流程如圖6所示。

扁鋼排料機(jī)的觸摸屏包括狀態(tài)顯示、必要的參數(shù)顯示以及手動(dòng)控制按鈕，可以幫助操作工觀察機(jī)器工作狀態(tài)，確認(rèn)鋼格板的參數(shù)和必要時(shí)對機(jī)器進(jìn)行調(diào)整，如圖7所示。

鋼格板排料時(shí)的關(guān)鍵就是將料盤上的槽位和機(jī)械手伺服電機(jī)的絕對位置進(jìn)行對應(yīng)，所以設(shè)計(jì)了槽位手動(dòng)示教程序，示教之后自動(dòng)計(jì)算從原點(diǎn)到接貨位方向34個(gè)槽位對應(yīng)的伺服電機(jī)絕對位置坐標(biāo)。鋼格板排料各位置絕對位置坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：x0和x33為手動(dòng)示教時(shí)標(biāo)定的第1格和第34格槽位的絕對位置坐標(biāo);xn為要求的第n+1格絕對位置坐標(biāo)，n取0到33之間的整數(shù)。

由于西門子斷電保護(hù)存儲(chǔ)有限，實(shí)際上是將示教的絕對位置坐標(biāo)存入PLC斷電保護(hù)區(qū)，每次上電時(shí)自動(dòng)計(jì)算出34個(gè)位置對應(yīng)的脈沖數(shù)，一臺(tái)機(jī)器只需要進(jìn)行一次示教，操作工使用時(shí)即可直接調(diào)用示教結(jié)果，簡化了操作。

5 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的扁鋼自動(dòng)追剪排料控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于車間現(xiàn)場，可以替代人工排料過程，不但極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能直接生產(chǎn)不同規(guī)格的鋼格板，不需要后期人工裁剪，簡化了工藝流程，生產(chǎn)效率得到了明顯提高。這套系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了鋼格板壓焊機(jī)自動(dòng)化追剪排料，開發(fā)的上位機(jī)還能自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)和下發(fā)任務(wù)單，后期可以拓展為整個(gè)車間總的生產(chǎn)控制中心，為實(shí)現(xiàn)車間信息化提供基礎(chǔ)。

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收稿日期：2021-02-22

作者簡介：張永飛（1979—），男，浙江象山人，工程師，研究方向：電氣工程及自動(dòng)化。