淺談成型機(jī)的方向性規(guī)劃及實(shí)現(xiàn)

李志軍

(薩馳智能裝備股份有限公司，江蘇 昆山 215300)

我國(guó)的子午線輪胎成型設(shè)備經(jīng)過(guò)20多年的高速發(fā)展，目前已經(jīng)走到了世界前列，在整個(gè)世界行業(yè)內(nèi)占有舉足輕重的地位。如何引領(lǐng)行業(yè)的發(fā)展方向，已經(jīng)成為當(dāng)前橡機(jī)行業(yè)的重要任務(wù)。

1 成型機(jī)發(fā)展規(guī)劃的八大維度

作為一個(gè)高端、完備的成型機(jī)，我們從八大維度對(duì)其進(jìn)行理論規(guī)劃：①設(shè)備安全性；②綠色設(shè)計(jì)；③設(shè)備效率；④輪胎質(zhì)量；⑤智能化、自動(dòng)化；⑥設(shè)備管控；⑦復(fù)合型、多用途；⑧全局性。由于各個(gè)維度并非相互獨(dú)立，所以在實(shí)施例中不可避免地會(huì)出現(xiàn)交叉。是成型機(jī)規(guī)劃對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證機(jī)型如圖1所示。

1.1 設(shè)備安全性

設(shè)備安全性是設(shè)計(jì)的第一要素。成型機(jī)屬于比較復(fù)雜的設(shè)備，團(tuán)隊(duì)的協(xié)同作業(yè)是關(guān)鍵，所以如何整體布局安全區(qū)域，使機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣、工藝、操作、維護(hù)等達(dá)成一致，采取統(tǒng)一的安全措施是設(shè)備研發(fā)成功的首要任務(wù)。之所以要首先提出這個(gè)問(wèn)題，是因?yàn)楦鱾€(gè)專業(yè)角度不同、認(rèn)知相差較大，實(shí)際上很難達(dá)成統(tǒng)一。因此需要有個(gè)預(yù)先的規(guī)劃，統(tǒng)一的方向，如圖2所示。

當(dāng)然僅僅依靠團(tuán)隊(duì)的安全規(guī)劃和設(shè)計(jì)是不夠的，引入專業(yè)的第三方評(píng)審，比如CE，也是成型機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程所必須的。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提醒我們，安全評(píng)估在設(shè)計(jì)完成之后反推進(jìn)行的方式不可取。

1.2 綠色設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)符合當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的大潮流，成型機(jī)目前已引入全生命周期的綠色評(píng)價(jià)體系，并制定了《綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范 子午線輪胎一次法成型機(jī)》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目的在于引領(lǐng)整個(gè)橡膠機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向。依據(jù)生命周期評(píng)價(jià)方法，考慮輪胎成型機(jī)的整個(gè)生命周期，從原材料零部件、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、廢棄后回收處理等階段，深入分析各個(gè)階段的資源消耗、生態(tài)環(huán)境、人體健康因素，選取不同階段可評(píng)價(jià)的指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)體系的評(píng)價(jià)指導(dǎo)成型機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)成型機(jī)的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證體系的價(jià)值，這也是本次成型機(jī)引入綠色設(shè)計(jì)概念的本意。評(píng)價(jià)的指標(biāo)包含：資源屬性、能源屬性、環(huán)境屬性、產(chǎn)品屬性等，尤其是產(chǎn)品屬性，評(píng)價(jià)體系給予了成型機(jī)設(shè)計(jì)方向性的理論指導(dǎo)。根據(jù)體系產(chǎn)品屬性要求：無(wú)效生產(chǎn)時(shí)間占比、關(guān)鍵零部件使用次數(shù)、簡(jiǎn)化常規(guī)維護(hù)流程和降低專業(yè)化程度等一系列要求都被引入成型機(jī)，并在驗(yàn)證機(jī)型中一一體現(xiàn)。例如：無(wú)效生產(chǎn)時(shí)間的占比直接推動(dòng)了單循環(huán)和稼動(dòng)率的進(jìn)程，下面有單獨(dú)的章節(jié)會(huì)講到。

旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)的綠色設(shè)計(jì)，在一個(gè)位置磨損后，不必維修或者更換主軸，密封軸向移動(dòng)后即可恢復(fù)使用，壽命延長(zhǎng)一倍，如圖3所示。

1.2.1 滾壓站

（1）雙氣缸方式，縮短了抓取釋放時(shí)間，消除了鎖緊故障。

（2）傳統(tǒng)方式：?jiǎn)窝h(huán)開(kāi)/鎖四次；當(dāng)前方式：更換規(guī)格時(shí)開(kāi)/鎖一次；如圖4。

1.2.2 工裝管理

采用二維碼掃碼方式進(jìn)行工裝類的查找工作，SCADA軟件上直接顯示工裝信息、使用方法等，維護(hù)人員方便更換，減少失誤。也可以與手機(jī)等工具關(guān)聯(lián)，如圖5。

1.2.3 設(shè)備維護(hù)管理

主機(jī)部分自動(dòng)潤(rùn)滑，其余部分定期提醒，確保設(shè)備始終保持良好狀態(tài)運(yùn)行，如圖6。

1.3 設(shè)備效率

設(shè)備效率是輪胎廠關(guān)注的主要指標(biāo)之一，沒(méi)有產(chǎn)量和規(guī)模，輪胎廠無(wú)法保證利潤(rùn)。而決定輪胎生產(chǎn)效率的有兩大因素：?jiǎn)窝h(huán)與稼動(dòng)率。

1.3.1 單循環(huán)

單條輪胎的循環(huán)時(shí)間是多數(shù)人普遍關(guān)注的，這個(gè)時(shí)間更為直觀的改變了輪胎的班產(chǎn)和日產(chǎn)。設(shè)備廠商服務(wù)于輪胎廠，所以工藝時(shí)間比如貼合、接頭、充氣、反包、滾壓等時(shí)間的長(zhǎng)短是關(guān)乎質(zhì)量的，原則上不可以調(diào)整。但是每條輪胎在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有大量的動(dòng)作、過(guò)程與成型無(wú)關(guān)，這些都需要消除或者縮短，在驗(yàn)證機(jī)型中主要采用了如下設(shè)計(jì)方案：

（1）消除主機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的延時(shí)設(shè)定，采用檢測(cè)方式觸發(fā)下一個(gè)動(dòng)作。

（2）主機(jī)采用直線電機(jī)配合光柵尺，速度快、定位精準(zhǔn)（速度1 500 mm/s，重復(fù)定位精度＜0.01 mm）。

（3）PA接頭裝置提前到位，雙氣缸控制。

（4）滾壓站夾持瓦塊采用鎖緊氣缸+小氣缸方式：在換規(guī)格的時(shí)候用大氣缸調(diào)整然后鎖緊，正常生產(chǎn)的時(shí)候用小氣缸（Φ50×50）完成擴(kuò)張收縮。

（5）機(jī)械手前部卸胎方式，與自動(dòng)上圈裝置分開(kāi)，互不干預(yù)。

（6）簾布接頭預(yù)分布：在供料架上提前將接頭進(jìn)行均布或避開(kāi)，在貼合過(guò)程中消除了旋轉(zhuǎn)停止重定位的時(shí)間。

（7）成型鼓采用編碼器回零：避免了定位不準(zhǔn)的問(wèn)題，消除了開(kāi)關(guān)回零的往復(fù)時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)施以上措施，將單循環(huán)時(shí)間從43 s減少到38 s，如圖7。

1.3.2 稼動(dòng)率

如上所述，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，多數(shù)人會(huì)關(guān)注輪胎的單循環(huán)時(shí)間，而往往忽視設(shè)備無(wú)效的工作時(shí)間，或者簡(jiǎn)單的把該問(wèn)題歸咎于管理責(zé)任。其實(shí)不然，有很多的無(wú)效時(shí)間是在設(shè)計(jì)初期就可以規(guī)避的，比如本文重點(diǎn)推行的雙工位供料。在實(shí)際驗(yàn)證中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了胎側(cè)、胎面、帶束層、冠帶條的雙工位供料甚至雙工位自動(dòng)切換，在換料過(guò)程中保證了主機(jī)的不間歇工作。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅此一項(xiàng)設(shè)備稼動(dòng)率較原設(shè)備提升15%以上，如圖8、9所示。

其他還有很多的措施可以提高稼動(dòng)率，比如：置于成型機(jī)內(nèi)部完備的工具箱，用于調(diào)試和維護(hù)；放置于最近位置處理料頭所用的電熱刀；置于部套之中的校準(zhǔn)調(diào)試工裝；一人可以輕松換鼓的氣動(dòng)平衡吊等等。這些看似不起眼的動(dòng)作，如果不改進(jìn)，實(shí)際上在大量損耗著我們的實(shí)際產(chǎn)能，如圖10。

1.4 輪胎質(zhì)量

質(zhì)量和效率是設(shè)備廠和輪胎廠普遍關(guān)心的兩大指標(biāo)，而在成型質(zhì)量部分分別舉例導(dǎo)開(kāi)和主機(jī)，是因?yàn)楸疚南朐谶@里明確一下，就是成型的質(zhì)量是從后往前逐步保證的，并非由主機(jī)單獨(dú)完成。首先高質(zhì)量、高穩(wěn)定的導(dǎo)開(kāi)才是成型質(zhì)量、效率達(dá)標(biāo)的第一步，有了這個(gè)基礎(chǔ)，才能逐步向輸送、糾偏、定長(zhǎng)、裁斷、纏繞、成型進(jìn)行推進(jìn)。

1.4.1 導(dǎo)開(kāi)部分

在輪胎廠，半成品的臺(tái)車(chē)流轉(zhuǎn)被當(dāng)作運(yùn)輸工具，往往被忽視。其實(shí)，臺(tái)車(chē)和導(dǎo)開(kāi)是連接上道工序和成型工序之間的重要環(huán)節(jié)，而半成品都是到成型機(jī)處進(jìn)行歸集，在此處出現(xiàn)的問(wèn)題，比如物料拉伸、變形等，往往會(huì)判斷模糊，分不清是在成型處造成的還是半成品工序已經(jīng)存在的。現(xiàn)存的所有的成型機(jī)都是采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)墊布卷，而工字輪采用剎車(chē)盤(pán)方式(手動(dòng)剎車(chē)、氣動(dòng)剎車(chē)及磁力剎車(chē))，這些剎車(chē)方式無(wú)一例外的使得墊布在拉動(dòng)工字輪的過(guò)程中造成物料的收縮，而這種收縮在物料與墊布剝離之后，應(yīng)力開(kāi)始釋放，物料本身的厚薄、寬窄尺寸就造成了很大的不確定性。這種不確定性嚴(yán)重影響到后續(xù)的定長(zhǎng)、糾偏、自動(dòng)貼合等，造成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備“不穩(wěn)定”現(xiàn)象。驗(yàn)證機(jī)型所有的導(dǎo)開(kāi)采用“零張力”導(dǎo)開(kāi)方式，物料的導(dǎo)開(kāi)采用兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)物料卷，另一個(gè)電機(jī)采用力矩控制方式，電機(jī)的力矩足夠小僅僅將墊布卷起，所以是“零張力”。而在這種“零張力”導(dǎo)開(kāi)之下，半成品物料最大程度的保持了原來(lái)的尺寸，為輪胎質(zhì)量和自動(dòng)化打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而這種雙電機(jī)的設(shè)計(jì)也使得勻速導(dǎo)開(kāi)變得簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣ぷ州啽旧碛呻姍C(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)可以直接跟輸送定長(zhǎng)的電機(jī)做速度匹配。這種勻速導(dǎo)開(kāi)會(huì)使物料儲(chǔ)布保持一定的高度沒(méi)有變化，物料不產(chǎn)生忽上忽下的抖動(dòng)，也一定程度上減少了物料的拉伸。當(dāng)然雙電機(jī)導(dǎo)開(kāi)的附加功能是實(shí)現(xiàn)了倒卷功能。雙電機(jī)導(dǎo)開(kāi)如圖11。

1.4.2 臺(tái)車(chē)糾偏功能

傳統(tǒng)糾偏方式都是在物料儲(chǔ)布之后，進(jìn)行物料糾偏，這樣在輸送過(guò)程中，輸送帶上的料和臺(tái)車(chē)?yán)锏牧掀鋵?shí)一直存在左右的偏移，看起來(lái)物料到輸送帶之后兩側(cè)是糾正過(guò)的，但實(shí)際上頭部已發(fā)生了傾斜，物料裁斷之后會(huì)行呈現(xiàn)平行四邊形而不是長(zhǎng)方形，到貼合時(shí)就容易出現(xiàn)接頭大小不一，這種現(xiàn)象在簾布上表現(xiàn)尤為明顯。驗(yàn)證機(jī)型在臺(tái)車(chē)上到導(dǎo)開(kāi)之后，先進(jìn)行預(yù)糾偏，將物料擺到供料架的中間，儲(chǔ)布部分就消除了傾斜，再進(jìn)行精確糾偏、定長(zhǎng)裁斷，就形成了輸送帶上的正方形，順利實(shí)現(xiàn)貼合的自動(dòng)接頭，如圖12。

直線電機(jī)的應(yīng)用：主機(jī)采用直線電機(jī)+光柵尺定位，精度高穩(wěn)定性好（速度1 500 mm/s，重復(fù)定位精度＜0.01 mm）；傳統(tǒng)方式采用同步帶、齒輪齒條，雖然同樣采用伺服電機(jī)方式，但是經(jīng)過(guò)減速機(jī)齒輪齒條及同步帶一系列的中間傳動(dòng)之后，不可避免地產(chǎn)生地傳動(dòng)誤差，而且誤差是累積的。直線電機(jī)配合光柵尺的方式，完全消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，是真正意義上的閉環(huán)控制，如圖13。

1.4.3 主軸一體的成型鼓機(jī)箱

把密封從機(jī)箱端部移至內(nèi)部，減少主軸的懸垂長(zhǎng)度；旋轉(zhuǎn)支撐部分采用機(jī)床常用的錐度軸承；機(jī)箱主軸與成型鼓主軸一體設(shè)計(jì)，打破成型鼓作為工裝的慣性思維；成型鼓半鼓各寸級(jí)重量盡量保證一致。經(jīng)過(guò)這幾項(xiàng)措施，不僅主軸的精度得到了提高、穩(wěn)定性得到了保證，而且減少了大量因更換工裝調(diào)整精度而帶來(lái)的時(shí)間損耗，如圖14。

1.5 智能化、自動(dòng)化

目前工業(yè)4.0推進(jìn)的大背景下，智能化的通用設(shè)備發(fā)展也是突飛猛進(jìn)。在非標(biāo)設(shè)備精研的同時(shí)，也應(yīng)該大量引入通用智能設(shè)備助力我們的發(fā)展。在智能化、自動(dòng)化部分，我們重點(diǎn)引入了六軸機(jī)器人與3D的工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)。

1.5.1 自動(dòng)上圈系統(tǒng)

（1）采用隔離塑料托盤(pán)的方式，最大程度保證了鋼圈自身形狀的保持，尤其是三角膠的傾斜角度。

（2）采用機(jī)械手進(jìn)行鋼圈、托盤(pán)、小車(chē)的抓取，包括自動(dòng)上圈，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，大大減少了人工干預(yù)的不確定性。

（3）鋼圈位置實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證了抓取的準(zhǔn)確性，避免了碼垛方式高規(guī)范要求。

（4）通過(guò)胎胚周轉(zhuǎn)小車(chē)實(shí)現(xiàn)與工廠物流線AGV小車(chē)等的銜接工作，如圖15。

1.5.2 自動(dòng)卸胎系統(tǒng)

（1）前部機(jī)械手單獨(dú)卸胎，避免后卸胎時(shí)序沖突。

（2）可進(jìn)行精密的輪胎重量檢測(cè)。

（3）可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行成型機(jī)與工廠物流線的胎胚周轉(zhuǎn)銜接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作，如圖16。

1.5.3 接頭檢測(cè)系統(tǒng)

（1）能夠?qū)崟r(shí)掃描膠料貼合效果，排除不合格輪胎接頭造成的輪胎質(zhì)量事故。

（2）因能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)貼合膠料的目的，減少了用工量。如圖17。

1.6 復(fù)合型、多用途

本機(jī)型在一次法領(lǐng)域不斷深化的過(guò)程中，還涵蓋了“正反包工藝”的成型方式，這也是本機(jī)型區(qū)別于其他機(jī)型的最重要的特點(diǎn)。一次法成型機(jī)通常只適應(yīng)一次法成型工藝13″~24″，包含常見(jiàn)的側(cè)包冠和冠包側(cè)。本機(jī)型采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)更換成型鼓、添加胎側(cè)供料系統(tǒng)、正包壓輥、下壓輥等部套，成功實(shí)現(xiàn)了“一次法工藝”和“正反包工藝”之間的自由切換，適應(yīng)15″~24″。在實(shí)際生產(chǎn)中，PCR都是輪胎企業(yè)主要的產(chǎn)品，一些MT、AT輪胎作為重要的補(bǔ)充，這些SUV的高端胎需求并非一直穩(wěn)定，那么單獨(dú)定制制作SUV輪胎的設(shè)備是很有可能閑置的。本機(jī)型的生產(chǎn)工藝切換方式正是為了解決這一矛盾而設(shè)計(jì)的，同時(shí)成本增加也很低，升級(jí)簡(jiǎn)單，如圖18~21。

1.7 設(shè)備管控平臺(tái)

當(dāng)下是高速發(fā)展的信息時(shí)代，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)已開(kāi)始廣泛應(yīng)用，而設(shè)備管控尤其是設(shè)備底層數(shù)據(jù)的獲取就顯得尤為重要。薩馳與西門(mén)子聯(lián)合研發(fā)SCADA設(shè)備管理平臺(tái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理。其中包含了：①生產(chǎn)線SCADA監(jiān)控；②過(guò)程數(shù)據(jù)采集及接口；③生產(chǎn)信息跟蹤、查詢；④設(shè)備管理；⑤質(zhì)量監(jiān)控；⑥人員管理；⑦生產(chǎn)實(shí)績(jī)、報(bào)表；⑧能源；⑨數(shù)據(jù)備份；⑩配方管理等，如圖22、23及表1。

表1 生產(chǎn)管家系統(tǒng)內(nèi)容

1.8 全局性

盡管以上幾個(gè)維度都是從成型機(jī)的整體進(jìn)行規(guī)劃，但并非脫離成型機(jī)而從全局來(lái)審視這一工序。由于歷史發(fā)展原因，從整體來(lái)看，當(dāng)前的各個(gè)上下游工序，包括物流系統(tǒng)，其實(shí)是割裂的。

舉例說(shuō)明：從裁斷到成型，材料都是用臺(tái)車(chē)傳送的，目前物流技術(shù)成熟后，用AGV代替了人工的搬運(yùn)，但它的功能也僅僅是搬運(yùn)。具體流程如下：人工將空臺(tái)車(chē)從指定位置裝載至裁斷的卷曲工位進(jìn)行卷曲→人工卸載臺(tái)車(chē)到指定位置→AGV從指定位置將臺(tái)車(chē)運(yùn)送至成型車(chē)間指定位置→人工將臺(tái)車(chē)從指定位置裝載至成型機(jī)→人工將空臺(tái)車(chē)從成型機(jī)卸載至指定位置→AGV從指定位置將空臺(tái)車(chē)運(yùn)送至裁斷車(chē)間指定位置→下一循環(huán)。從上述流程可以看出AGV在中間只是起到了運(yùn)輸作用，并未將兩個(gè)工序貫通。操作工和AGV之間在交替工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

從整體運(yùn)行上考慮，我們把成型和裁斷看做物流系統(tǒng)的兩個(gè)工作單元，將AGV、導(dǎo)開(kāi)（成型）/卷曲（裁斷）、臺(tái)車(chē)三者合而為一。這樣AGV就不僅僅是運(yùn)輸工具，而是具備了導(dǎo)開(kāi)/卷曲功能的自動(dòng)臺(tái)車(chē)。具備復(fù)合功能的AGV到達(dá)成型/裁斷的工位時(shí)就不再需要繁瑣的人工裝載、卸載，同時(shí)設(shè)備數(shù)量種類大幅減少、占地面積減少。當(dāng)然其他的半成品工序也是同樣的考慮。如圖23所示。

2 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們?cè)诳偨Y(jié)成型機(jī)二十年發(fā)展的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新審視和規(guī)劃，從八個(gè)維度對(duì)成型機(jī)技術(shù)進(jìn)行了探討，并制作了驗(yàn)證機(jī)型SR-10對(duì)理論體系做了實(shí)際驗(yàn)證。事實(shí)證明所研發(fā)的機(jī)型不僅在一次法領(lǐng)域走到了世界前列，而且涵蓋了正反包工藝的輕卡輪胎，其適應(yīng)性、綠色、數(shù)字化等已經(jīng)在引領(lǐng)成型機(jī)行業(yè)的發(fā)展。