關于扶梯自動化設計的探討

翟惠建，張惠，魏民慶

（國能鐵路裝備有限責任公司陜西分公司，陜西 神木 719316）

國家能源集團陜西分公司在再制造業務轉型發展過程中，依托扶梯產業增加了額外的經濟收入，但在扶梯生產加工過程中仍然采用傳統的離散式加工方式，主要采用人工操作模式，各種設備比較老化，現代化技術設備應用程度相對較低，在操作過程中也會存在一定的風險。針對這一情況，就需要結合當前企業扶梯設計的實際要求，加快自動化技術的有效應用，加快構建一套完善且合理的扶梯自動化設計技術體系，以此來轉變傳統的扶梯生產模式，為實現企業的創新發展增加經濟收入奠定堅實基礎。

1 傳統扶梯設計存在問題

首先，工藝布局不合理。受場地限制，下料、整形、打磨工序與其他工序位置相對獨立，增加了人工轉運次數。其次，作業存在安全風險。生產中涉及的沖床、折彎機、中頻加熱爐等設備，操作時均使用手送料或取件，對操作者體力消耗較大，操作過程單調、頻繁，極易使操作人員產生精神疲勞，容易造成安全事故。再次，自動化水平低。9 道工序生產及轉運均為人工作業，質量控制及生產效率高度依賴工人熟練度和責任心。第四，生產效率低下：日產數量最高為200 根，以單次訂單量3000 根計算，需15 個工作日才能完成。最后，人工成本較高。目前需4 人作業，每年須支出工資31.2 萬元，人工成本較高。

2 項目要求

陜西分公司在“再制造”業務轉型過程中，以“創一流”為進步目標，以裝備智能化、自動化為手段，積極探索鐵路非資配件加工方式的“提質增效”之路。C80 扶梯作為非資配件加工的主營業務之一，截至2021年11 月9 日，累計生產27807 件，銷售額為700 余萬元。但現階段C80 扶梯的生產方式，仍采用離散式加工，須經過圓鋼下料→端部墩頭→端部壓形→端部沖孔→1 次折彎→2 次折彎→整形檢測→打磨毛刺→工件噴漆共計9 道工序，生產過程均為人工作業，使用設備多為老式的鋸床、沖床等獨立單元級設備，自動化水平較低，存在作業安全風險，產品質量及生產效率高度依賴工人的技術水平及熟練度，有時需靠工人加班來提高生產能力。經多方調研，目前國內市場上無專用的C80 扶梯全自動化生產線，當務之急，需要研發一套自動化智能化的扶梯生產線替代現有“作坊式”的人工生產模式，即可填補國內市場空白，同時加速推進并實現鐵路裝備公司“一個目標、三型五化、七個一流”的發展戰略目標。

3 主要技術指標

扶梯全自動化生產線，扶梯線具備對（16mm 直徑，685mm 長度的碳素圓鋼）自動上料功能，對圓鋼兩端分別加熱并敦粗，按照圖紙要求進行400mm 檔距折彎，然后對敦粗局部加熱，并在63T 沖床上對敦粗加熱部位壓扁，再放置到壓力機上沖17 毫米圓孔，最后完成96mm尺寸的折彎，并對壓扁部位和沖孔磨邊進行打磨和測量，全線整體采用全自動化生產控制，實現“機械化代人，自動化減人”，同時提高現場作業安全。

3.1 定尺料加工階段

該裝置由自動上料機構、數控鋸床組成，制作扶梯原料的規格為φ16mm×9m 的圓鋼。設計工作節拍10 ～15 根圓鋼為一個上料單元，圓鋼經輔助工裝扎緊后，采用高精度伺服電機推送原材料，單次送料長度685mm。經數控鋸床裁剪后，輸送至出料口下方的料箱內。系統設置下料次數為13 次，保證最后一段廢料不會落入料箱中。料箱裝滿后，由叉車轉運至下道工序。

3.2 扶梯成品加工階段

圓鋼經自動上料機構分揀至待料區，然后通過輸送裝置輸送至墩粗工位，采用機械手聯動傳輸鏈兩端的高頻加熱爐和墩粗機，實現自動加熱和圓鋼墩粗；完成墩粗后輸送至折彎機構后，先完成自動對中，夾緊工件后，進行雙頭一次折彎,彎半徑R16mm；完成折彎后過渡到下料臺。采用機器人抓取工件，先對工件雙頭進行加熱，然后旋轉至左側，配合壓力機和專用模具自動壓扁沖孔一次成型，保證工件端頭直徑40mm，孔徑17mm，端頭厚度8±1mm,然后輸送至二次折彎工位，對中后進行雙頭二次折彎，保證工件兩孔中心距為400mm。扶梯中心高度90mm,并在該工位打磨飛邊，然后由檢測機構按工藝要求進行檢測，檢測合格后，旋轉下料裝置成品料箱處。

4 功能和特點

4.1 扶梯上下料系統

扶梯上下料系統包括數控下料鋸床、三推板自動上料機、傳輸拖鏈、單頭雙缸鐓粗機上下料裝置、高頻感應爐、高頻感應爐水冷塔和雙頭鐓粗機。

（1）數控下料鋸床。數控下料鋸床，該鋸床可以一次性裝卡6 ～8 根直徑16mm 的鋼筋進行等長度下料（685mm 長度）。該數控鋸床下料精度為正負0.25mm。16mm 鐵棒10 支一切，無極變速，單次循環時間是35s。采用下料鋸床技術參數如表1 所示。

表1 數控下料鋸床數據

（2）三推板自動上料機。下好的原料通過天車吊運到三推板自動上料機附近，通過人工把直線度合格的原料（直線度2mm）放入三推板自動上料機的料斗內進行推料輸送。

（3）傳輸拖鏈。三推板自動上料機把原料推入到傳輸拖鏈的V 形塊內，然后通過電機減速器進行步進傳輸，該傳輸拖鏈有單側定位功能（為單側鐓粗進行定位準備），并且有高頻爐線圈定位支架。

（4）單頭雙缸鐓粗機上下料裝置。傳輸拖鏈把原料步進到位后，通過上下料裝置抓取運輸到位后的原料，放置在高頻感應爐的線圈內進行加熱，然后放入單頭雙缸鐓粗機內進行鐓粗。鐓好一頭后放入到原來位置，同時對側臺位也進行相同的工作。等待兩側都完成后再通過傳輸拖鏈進行步進傳輸，進行下一個工作循環。上下料機械手共兩套，安放在龍門框架軌道上，每臺機械手由四個伺服電機驅動實現所需運動。

（5）高頻感應爐、高頻感應爐水冷塔和雙頭鐓粗機。高頻感應爐滿足對直徑16mm 粗的鋼筋進行端部40mm 的長度進行加熱，加熱時間為10 ～20s，加熱溫度為800～1000℃。其中單頭兩套。雙頭一套。感應線圈位置根據使用方的要求放置。高頻感應爐水冷塔滿足高頻感應爐的冷卻需要，與高頻感應爐整體配套，滿足三個高頻感應爐的冷卻流量。雙鐓機滿足對16mm的圓鋼進行鐓粗，根據使用方的需要配套鐓粗成型模具一套。

4.2 扶梯成形系統

扶梯上下料系統包括雙頭折彎機上料裝置、數控雙頭折彎機、雙頭沖孔機床和96 尺寸折彎機設計。雙頭折彎機上料裝置把兩邊鐓粗好的棒料放置到數控雙頭折彎機上料位置上，等待折彎加工。數控雙頭折彎機采用伺服電機減速器與定位檔進行雙面折彎，鐓好頭的原鋼通過雙頭折彎機上料裝置抓取放置到位后，通過對中裝置進行對中定位，再通過油缸進行加緊，然后由折彎裝置進行折彎。折彎到位后，再由上料裝置抓取原料放置到待料位置。雙頭沖孔機床把放置好的原料先用前后夾緊氣缸進行夾緊，然后通過對中裝置進行對中夾緊，然后進行沖孔。雙頭沖孔機床，由下體底座、上體橫梁和左右立柱組成，形成框式結構穩定可靠，橫梁上固定安裝兩個油缸，油缸通過模具同步進行沖孔作業。96 尺寸折彎機把放置好的原料通過雙行程氣缸定位，然后通過油缸驅動壓彎模具進行96 尺寸壓彎，壓彎到位后雙行程氣缸回一位拖住壓彎后的原料，油缸回程等待第二個機械手抓取。96 尺寸折彎機，由下體底座、上體橫梁和左右立柱組成，形成框式結構穩定可靠，橫梁中心固定安裝一個油缸，油缸通過摸具進行96 尺寸折彎作業。

4.3 機械手搬運檢測系統

機械手搬運檢測系統包括搬運機械手、打磨系統、視覺測量系統、機械手安全防護系統。機械手系統包括搬運機械手、打磨系統、視覺測量系統、機械手安全防護系統。搬運機械手的夾具為一拖二結構，及抓一待一，其中一個機械手配套打磨功能，通過抓手抓取工件，在砂帶打磨機上進行打磨，在抓手和機器人6 軸法蘭之間有力矩傳感器，可通過傳感器的反饋的數據來判斷磨削量。該機械手自帶底座。打磨系統配合機械手對工件的指定位置進行打磨，其本身帶有收集裝置。視覺測量系統為打磨完成工件到檢測工位進行拍照檢測。搬運機械手為（瑞士ABB、德國kuka、日本發那科、日本安川等）知名品牌，配套抓手夾具。測量后的尺寸需要進行數據儲存，在操作臺內可以檢查每組數據，當測量工位連續檢測到同一尺寸三組數據異常的情況下，會進行報警急停，該情況默認為工裝夾具出現異常情況。第一和第二機械手及其工裝設備需要放置在防護網內，該防護網需要加裝安全保護檢修門，并加裝紅外傳感器，在有人員通過檢修門進入時機械手需保持在停運狀態。

4.4 電氣控制系統

扶梯自動生產線電氣控制系統由可編程控制器PLC、觸摸屏、工控機、機器人控制系統、伺服驅動裝置組成。

（1）可編程控制器PLC。采用西門子PLC 產品，多PLC 主從分布式布局。由主PLC 承擔生產線的總體控制，即按照工藝過程要求及各分設備的時序要求完成總體邏輯控制。主PLC 直接控制雙頭數控折彎機及上下料裝置、鐓粗機上下料裝置、輸送線等，包括伺服電機的運動控制。多臺從PLC分別控制二次折彎機、雙頭沖孔機等設備。從PLC 通過工業以太網與主PLC 通訊，完成數據交換。

（2）觸摸屏。觸摸屏通過工業以太網與主PLC 連接，承擔生產線的控制、監視及工藝參數的設定、修改等任務。

（3）機器人控制。兩臺工業機器人通過工業以太網與主PLC 通訊，由主PLC 監測機器人的狀態，并控制機器人的工件搬運動作，使之與生產線各設備間動作協同一致。

（4）工件打磨控制。其中一臺機器人可以抓取工件在砂帶打磨機上自動完成工件打磨工作。在抓手和機器人6 軸法蘭之間安裝有力矩傳感器，由通訊接口與機器人控制系統連接，作為磨削量反饋信號，利用機器人控制系統的專有功能實現工件打磨的自適應控制。

（5）工件測量。無接觸式視覺測量系統包括工控機、工業攝像機、專用測量分析軟件等。由專用的測量分析軟件對攝取的圖像進行分析處理，完成扶梯工件測量任務。測量數據可儲存，可查閱，并具有異常數據處理及報警功能。工控機可通過OPC 軟件與主PLC 通訊，將工件測量狀態信號及工件測量結果信號傳輸給主PLC，用于扶梯產品的分揀控制。

（6）外購設備的控制。主PLC 與數控下料機、高頻感應爐、鐓粗機、沖壓機、砂帶打磨機等外購設備設有必要的信號連接，用于檢測各個外購設備的工作狀態（待機/運行/故障）及控制設備的啟動停止。

（7）安全防護。安全防護傳感器信號連接到主PLC，主PLC 設有完善的安全防護邏輯控制功能，用于保證設備運行安全及人身的安全。

4.5 技術數據表

扶梯全自動化生產線生產過程數據控制數據如表2所示。

表2 扶梯全自動化生產線生產過程數據控制數據

5 結語

綜上所述，實現扶梯自動化設計能夠實現扶梯設計制造的自動化操作，減少人員投入，在操作過程中因為技術或者工作經驗不足所造成的各種誤差，同時也能夠有效解決在人工操作過程中危險因素相對較多的問題，大大降低了工作人員的工作強度，通過開發自動化的設計系統，切實提高了工作效率，提高了設計工具的適應性。