船用銅鎳合金凸緣自動化成形裝置設計

楊青云，馬博榮，馬俊普，呂光輝，張志遠，郁 炎

（中國船舶重工集團公司第七二五研究所，河南 洛陽 471039）

1 引言

銅鎳合金材料具有優良的耐腐蝕性能、抗海生物污損及其他綜合性能，是替代紫銅、不銹鋼等用于海水環境的理想材料，在國內外造船業和海洋工程業中被大量采用[1]，其中凸緣在銅鎳合金管件中占有較大比重。

圖1 銅鎳合金凸緣結構

凸緣與鋼法蘭配套成松套法蘭進行使用，與整體式法蘭相比，其具備同等的耐蝕性能，并且由于螺栓連接單元采用鋼法蘭替代銅鎳法蘭，能夠大幅降低材料成本，因此在船舶海水管系建造中得到廣泛應用。

凸緣采用熱擠壓方式，在油壓機上壓制成形，其生產過程主要依賴于多人的人工協作，伴隨有大量的重復搬運和動作浪費，技術落后，效率低下，勞動強度高，產能嚴重受限，人力成本居高不下。此外，成形過程中潤滑劑受熱產生大量煙塵，存有燙傷、砸傷、呼吸道感染等安全隱患。為解決上述問題，針對凸緣成形各工序特點，設計了凸緣成形的自動化產線，實現了從上料—加熱—傳輸—壓制—退料—潤滑全流程的自動化和無人化，本文以“安全性、連續性、經濟性、精益性”為設計理念，以消除浪費、減人增效為目標，以低成本、高效益為宗旨，利用PLC 工控技術、模具工裝設計等方法開展凸緣成形自動化產線研制，全方位實現以機代人，提高生產效率，具有很強的實用價值，對國內鍛壓行業的自動化生產線改造有一定的借鑒意義。

2 凸緣自動化成形裝置總體方案設計

凸緣自動化成形裝置（以下簡稱自動化裝置）主要包含結構設計和軟件開發兩部分，其中結構設計是以工件搬運為主線，利用若干機構的有序配合替代人工操作，達到減少人員、提高效率、消除浪費的目的；軟件開發則利用工控技術實現成形過程信號的監測、邏輯判斷、油壓機等執行機構的控制等。

為滿足工業應用要求，凸緣自動化成形裝置應具備以下特征：

（1）不改變原油壓機的位置前提下，自動化裝置布局緊湊，運行高效；

（2）自動化裝置采用模塊化設計，以便維修、裝配和運輸，工件在各個模塊間傳送平穩、連續，重復精度高；

（3）自動化裝置控制系統能夠實現手動和自動兩種模式，以適應不同類型產品的成形；

（4）能夠采集和監控系統運行狀態，實時展示溫度、位移等信號，能夠對凸緣生產數量計數；

（5）考慮系統擴展能力，預留I/O 點和通訊接口；

（6）控制系統安全可靠。遇到故障時能夠自動緊停，發出警報，同時能夠將故障原因反饋至觸摸屏、機旁及遠程均設置緊停按鈕；

（7）具有多級質量管控點，當發生缺料或檢測信號與工藝要求不一致時，能夠自動剔除不合格產品，并發出異常警報。

3 自動化裝置結構設計

如圖2 所示，自動化裝置由液壓翻轉機構、上料分選機構、中頻加熱裝置、高溫輸送帶，雙軸機械臂、油壓機、自動噴淋機構和相應規格的可自動卸料凸緣模具組成，設備整體呈“U”字形布局，符合一個流的生產特點。

圖2 凸緣自動化成形裝置組成

3.1 液壓翻轉機構

液壓翻轉機構用于實現工件的批量化上料，最大翻轉重量達20kN。鋸切好的工件無規則地放置于料框內，料框固定于翻轉裝置的支架上，液壓缸驅動支架旋轉迫使料框中的工件在重力作用下批量滑入分選裝置的料斗中，最大可旋轉角度為150°。

3.2 上料分選機構

如圖3 所示，上料分選機構由料斗、頂升機構、軌道和分選機構等組成，其中頂升機構呈三階梯狀，當接近開關檢測軌道上缺料時，立刻發出補料命令至控制系統觸發頂升機構啟動，料斗內工件在頂升機構的作用下提升至補料軌道上排列，軌道的頂部和側邊均設有擋板，姿態不正確的工件經檔桿自動分選后沿滑道重新返回料斗。

圖3 上料分選機構組成

3.3 中頻加熱裝置

中頻加熱裝置用于實現管段的升溫，最高加熱溫度可達1200℃，與傳統的電阻爐加熱相比，中頻感應加熱能夠有效縮短加熱時間，減少氧化皮厚度，更加適合單件流的作業模式。原有中頻加熱裝置爐膛為圓形，工件立放于爐膛內，由于工件屬直徑大于長度的特點，容易傾倒，工件間還常因鋸屑未清理干凈而產生粘連。此外，人為下料引起的長度偏差還會導致累計誤差的形成，不利于自動化操作。因此，本文優化了中頻加熱裝置爐膛，采用長方形爐膛，如圖4 所示，工件平放于模腔內，推桿每次推進距離等于工件外徑，由于工件外徑一致，從而消除了累積誤差。

圖4 中頻加熱裝置爐膛改進前后對比

中頻加熱裝置出口處設有滑道，高溫工件沿滑道滑至高溫輸送帶，再由高溫輸送帶傳送至壓機前方定點。

3.4 雙軸機械臂

機械臂作為執行機構替代人工作業，實現從高溫輸送帶定點向模腔中心的搬運。機械臂選型主要依據用途、負載、自由度、最大運動范圍、重復精度、運行速度、機械臂重量、制動與慣性力矩、防護等級等9 個方面[2]。由于凸緣成形過程機械臂僅用于實現點對點的搬運，工件最大重量為6kg，考慮夾具自身重量，選用雙軸機械臂，最大承受負載15kg，重復精度達0.2mm。

3.5 油壓機

油壓機的作用是將加熱工件在模腔內壓制成為滿足機加工要求的凸緣毛坯。項目基于6300kN 油壓機實施改造，實現DN20～DN65 規格的凸緣的自動化成形。油壓機作為執行機構接入控制系統，其按照預設的時序進行壓制與回程。

3.6 可自動卸料模具

如圖5 所示，可自動卸料模具用于實現凸緣的成形，其采用正擠壓方式，模具的最大特色是壓機回程期間利用擋板迫使毛坯與芯桿分離，并沿滑道滑入成品框，實現自動卸料，從而節約一臺專用下料機械臂。

圖5 凸緣可自動卸料模具設計

3.7 自動噴淋機構

自動噴淋機構起潤滑和降溫雙重功效，其采用壓縮空氣驅動。壓機完成壓制回程至上止點后，安裝于模具周圍的四個噴槍對準壓頭和下模的受熱區域噴淋石墨乳，噴淋的時機與延續時間由PLC 控制。

4 自動化裝置軟件開發

控制系統是自動化裝置的神經中樞，其采集位移傳感器、溫度傳感器及限位開關等信號，經過數據分析處理及邏輯判斷，輸出控制命令，驅動各個執行機構動作實現既定功能，自動化裝置采用三菱PLC+觸摸屏的工業控制方案。PLC 又稱可編程控制器，具有可靠性好、抗干擾能力強，編程簡單的優點，但其顯示能力差，用戶難以直觀地在界面上觀測與設置試驗參數；觸摸屏作為顯示終端，彌補了PLC 顯示能力差的缺陷[2]。PLC 與觸摸屏間通過串行通信進行數據交互。

控制系統結構如圖6 所示。

圖6 凸緣自動化成形控制系統結構

4.1 硬件選型

經分析共有23 個開關輸入量、14 個開關輸出量和2 路模擬量輸入。根據信號的類型、數量和控制要求，結合系統冗余原則（通常20%～30%的備用原則[3]），選用三菱FX3U-64MT/ES-A 型號的PLC 作為控制核心，該模塊包含32 個輸入點和32 個輸出點，配備64K 大容量的RAM 存儲器；選用三菱FX2N-4AD 作為PLC 的擴展模塊實現模擬量的采集，該模塊包含4 路模擬量輸入；選用信捷TG765-MT 型號的觸摸屏作為控制系統的人機交互界面。

4.2 PLC 程序設計

PLC 軟件開發流程通常分為五步：①確定I/O地址的分配；②確定程序總體結構；③編寫各個子模塊程序，分別調試實現預設功能；④設計通信模塊功能；⑤集成各子程序及通信模塊，驗證系統功能[4]。

三菱PLC 一般有三種編程方式：梯形圖編程、指令語句表編程、步進順控圖編程（SFC）。本文采用SFC 方式編程，它是一種專用于工業順序控制程序設計語言，能夠完整描述控制系統的工作過程、功能和特性[5]，適用于機械動作設備的編程。

為確保控制系統運行安全可靠，軟件功能開發過程還專項設計了安保模塊、質保模塊與計數模塊。

安保模塊：在PLC 內對所有安全管控點實施編程，其原則是只有當檢測或反饋的信號全部滿足預設條件時，方才觸發執行機構動作，發生異常情況時，自動觸發聲光報警，并將故障原因反饋至上位機界面。

質保模塊：在PLC 設置了多級過程質量檢測點，自動剔除不滿足溫度等工藝要求的產品。

計數模塊：根據壓機壓制次數統計生產數量。

自動化裝置控制流程如圖7 所示。

圖7 PLC 控制流程

4.3 上位機程序設計

控制系統上位機軟件用以實現信號I/O 的實時監控、設置參數下行、系統調試和異常信息反饋等功能。本文控制系統上位機程序采用TouchWin V2 組態軟件，通過RS485 串口方式與PLC 相連[9]。

如圖8 所示，上位機程序主界面分為運行界面、調試界面、報警界面和I/O 監控界面。

圖8 上位機程序界面

運行界面：控制系統參數設置區域，如手動/自動切換，急停等，以及產量、機械臂位置等關鍵參數的顯示。

調試界面：用于設備調試階段，顯示和設置與設備自身相關，相對固定的參數。

報警界面：實時監測系統的運行參數，如工件溫度、壓機行程等，當系統發生異常時，迅速發出聲光報警，同時自動記錄故障信息。

I/O 監控界面：對PLC 所有的輸入/輸出信號進行實時監控。

5 結束語

本文基于三菱PLC 開發了銅鎳合金凸緣的自動化成形裝置，重點介紹了自動化裝置的軟、硬件組成，剖析了控制系統的功能和實現方法。

研制的凸緣自動化成形裝置實現了人機分離，作業人數由4 人降為1人，且僅負責監管，勞動強度大幅降低，節拍時間從53s 縮短至29s，產能提升超過一倍，同時徹底消除了粘料、累計誤差等異常中斷問題，實現了設備的本質安全，設備的產出/投入比超過25，為建設管件成形數字化車間打下堅實基礎。