磨具磨料行業(yè)自動(dòng)混配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

和中華，張世豪，劉 亮

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第二工程院，河南 鄭州 450007)

磨具磨料是我國(guó)工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家綜合制造實(shí)力的重要體現(xiàn).磨具磨料應(yīng)用范圍極其廣泛，不但是傳統(tǒng)行業(yè)加工制造必不可少的機(jī)床工具，更是航空航天、精密機(jī)械、電子材料、國(guó)防科工等高精尖領(lǐng)域機(jī)械加工不可或缺的材料[1].目前，盡管我國(guó)磨具磨料行業(yè)在不少領(lǐng)域有重大突破并已取得長(zhǎng)足發(fā)展，但在高端產(chǎn)品、精細(xì)化生產(chǎn)等方面與世界一流企業(yè)相比還有不小差距.當(dāng)今工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步正引發(fā)磨具磨料行業(yè)新一輪的競(jìng)爭(zhēng)和創(chuàng)新，不少傳統(tǒng)企業(yè)設(shè)備落后、產(chǎn)品耗能高、生產(chǎn)效率低，與國(guó)家推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的政策很不適應(yīng).因此，智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)、數(shù)字化工廠全面建設(shè)，已成為很多磨具磨料企業(yè)重要的戰(zhàn)略目標(biāo)[2].

混配料工序是磨具磨料生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，原輔材料配比的精確與否不但直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)成本，更關(guān)系到企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新和數(shù)字化工廠建設(shè).目前，國(guó)內(nèi)磨具磨料企業(yè)尚無完整、成熟的數(shù)字化混配料系統(tǒng).以高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的原則進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)、高效、可靠的工藝裝備，采用數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的控制技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化自動(dòng)混配料系統(tǒng)，不但能讓企業(yè)降耗增效，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，更能促進(jìn)行業(yè)整體發(fā)展，有助于我國(guó)成為真正的磨具磨料強(qiáng)國(guó).

1 配置方案

在自動(dòng)混配料系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將備料、配料和混料設(shè)備進(jìn)行集中布置.自動(dòng)備配料系統(tǒng)的整體設(shè)備采用兩層鋼平臺(tái)布置形式.其中：二層平臺(tái)為自動(dòng)備料系統(tǒng)；一層平臺(tái)為自動(dòng)配料系統(tǒng)；一層平臺(tái)下為混料系統(tǒng).自動(dòng)混配料系統(tǒng)如圖1所示.

系統(tǒng)選用先進(jìn)實(shí)用的自動(dòng)送卸料、定位、稱量及PLC控制設(shè)備[1]，以提高備料、配料及混料過程的自動(dòng)化程度.它不需要吊車吊運(yùn)及人員到平臺(tái)上現(xiàn)場(chǎng)操作就能完成原料的上料、布料及配料.系統(tǒng)采取多種可靠措施來避免物料的相互污染，提升定量精度，通過揚(yáng)塵點(diǎn)的除塵處理來改善勞動(dòng)環(huán)境.其操作系統(tǒng)具有完善的中文報(bào)表功能，可供相關(guān)人員查看配方、配料報(bào)告、本班物料消耗、誤差累積、平均誤差、日消耗、月消耗等.系統(tǒng)預(yù)留了可與ERP或MES連接的端口.控制室內(nèi)和關(guān)鍵工位現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有方便實(shí)用的操作系統(tǒng)和人、機(jī)互動(dòng)界面.整套系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、柔性與靈活性，同時(shí)具有完善的故障自診斷和報(bào)警功能，運(yùn)行平穩(wěn)可靠[3].

圖1 自動(dòng)混配料系統(tǒng)示意圖

2 備料工序

備料主要包括物料準(zhǔn)備、料桶自動(dòng)升降、料筒自動(dòng)移位、自動(dòng)備料車布料等.根據(jù)生產(chǎn)要求，在二層備料平臺(tái)下分兩排懸掛若干原料倉(cāng)，每個(gè)原料倉(cāng)容積約為2 m3.結(jié)合劑原料倉(cāng)設(shè)有防堵料裝置.原料倉(cāng)設(shè)中、下料位計(jì)，中料位計(jì)顯示可加料狀態(tài)，下料位計(jì)顯示急需加料狀態(tài).

2.1 備料過程

當(dāng)原料倉(cāng)料位計(jì)缺料時(shí)，缺料信號(hào)傳輸給控制主站，主站屏提示缺料，工人根據(jù)缺料倉(cāng)位信息將地面軌道上排隊(duì)的相應(yīng)料桶推入液壓升降平臺(tái)，然后在現(xiàn)場(chǎng)控制器操作界面上選擇該物料選項(xiàng)，系統(tǒng)在確認(rèn)無誤后啟動(dòng)輸送系統(tǒng)，通過升降平臺(tái)將載料桶提升至與備料車對(duì)接位置，由移位機(jī)械手將該實(shí)料桶移至自動(dòng)備料車上，并將空桶移至升降平臺(tái)上.自動(dòng)升降平臺(tái)如圖2所示.

圖2 自動(dòng)升降平臺(tái)

備料車與升降平臺(tái)子站能按各自程序自動(dòng)完成如下工作：①備料車按程序設(shè)定，將料桶轉(zhuǎn)運(yùn)至相應(yīng)原料倉(cāng)位，自動(dòng)打開閥門進(jìn)行卸料，完成卸料后將閥門復(fù)位，備料車載空桶至機(jī)械手對(duì)接位，備料車即完成一次備料過程；②升降平臺(tái)載空桶下降至地面，將空桶推出平臺(tái)并將另一實(shí)桶推入平臺(tái)，升降平臺(tái)即完成一次物料桶提升和空桶回運(yùn)過程.啟動(dòng)信號(hào)取決于物料桶是否到位和觸摸屏上物料信號(hào)的確認(rèn).

2.2 備料工序特點(diǎn)

主控制系統(tǒng)按接收的產(chǎn)品計(jì)劃表自動(dòng)計(jì)算所需原料種類、數(shù)量，將數(shù)據(jù)信息通過局域網(wǎng)發(fā)送給車間相關(guān)人員與物流部等，用于物料領(lǐng)取.

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置觸摸屏，以便人機(jī)交互操作，并對(duì)各原料倉(cāng)料位、機(jī)械手料桶移位、備料車轉(zhuǎn)運(yùn)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.當(dāng)原料倉(cāng)的中料位計(jì)顯示缺料時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)提醒；當(dāng)下料位計(jì)顯示缺料時(shí)，系統(tǒng)接通聲光報(bào)警器報(bào)警；當(dāng)多個(gè)料位計(jì)同時(shí)顯示缺料時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)排序，提示加料次序.若某原料倉(cāng)未投入使用，系統(tǒng)則自動(dòng)屏蔽其缺料信號(hào).升降平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)地面上設(shè)有控制系統(tǒng)主站，其中，自動(dòng)升降臺(tái)、移位機(jī)械手、自動(dòng)備料車為子站.主站全程監(jiān)控各子站的運(yùn)轉(zhuǎn)情況.視頻監(jiān)控中心對(duì)移位機(jī)械手及備料車行走區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過觸摸屏和監(jiān)視器監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況[4].

料桶裝料區(qū)設(shè)有電動(dòng)葫蘆，空桶轉(zhuǎn)運(yùn)、裝料等由電動(dòng)葫蘆配合完成，裝料后實(shí)桶小車在地面軌道上按序排隊(duì)，等候升降機(jī)提升.

系統(tǒng)采用移位機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)料桶的自動(dòng)移位.該裝置具備自動(dòng)夾緊料筒、移位定位、放置料桶等功能.夾緊、放置料筒采用液壓推桿帶動(dòng)專用夾具來完成.移位定位采取滾絲杠等自動(dòng)定位控制措施，可有效保證料桶的平穩(wěn)運(yùn)行和精確定位.

系統(tǒng)采用自動(dòng)備料車載料筒來完成自動(dòng)行走布料、定位和卸料等.備料車自帶除塵設(shè)施.

3 配料工序

自動(dòng)配料系統(tǒng)主要包括陶瓷砂輪自動(dòng)配料、結(jié)合劑預(yù)混/磨鋼球干混自動(dòng)配料兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的配料單元.

3.1 配料過程

控制主站按接收的當(dāng)日產(chǎn)品計(jì)劃表及配方(可事先設(shè)定)自動(dòng)計(jì)算并提示需配料量，管理人員以此為依據(jù)分配并輸入各混制機(jī)的混料任務(wù)[5].配料系統(tǒng)流程如圖3所示.

圖3 配料系統(tǒng)流程

系統(tǒng)收到混料點(diǎn)叫料信息后，按與其匹配的配方啟動(dòng)配料程序(若多個(gè)混料點(diǎn)要料，系統(tǒng)將首先按預(yù)設(shè)的判定條件確定優(yōu)先順序)，判斷配料車、各配方接料點(diǎn)、需卸料點(diǎn)的位置關(guān)系，然后自動(dòng)規(guī)劃配料車最優(yōu)行走路徑.配料車按此路徑依次完成配方的各料點(diǎn)定位、接料及配料后的定位、卸料等工作.

設(shè)置配方自動(dòng)匹配和生產(chǎn)計(jì)劃排程系統(tǒng)，連接訂單生成科室和生產(chǎn)車間，可實(shí)現(xiàn)在配料平臺(tái)不設(shè)專人的情況下自動(dòng)為多臺(tái)混料機(jī)精準(zhǔn)配料功能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，提高工作效率[6].

4個(gè)供料設(shè)備共用一個(gè)定位點(diǎn)(圖4)，可有效減少小車定位次數(shù)[7].

在陶瓷砂輪配料中，每臺(tái)混制機(jī)上部都設(shè)有雙室緩沖斗(磨料與結(jié)合劑)，以實(shí)現(xiàn)配料車的連續(xù)配料，而不受混制機(jī)節(jié)拍影響.每次加料定位前，系統(tǒng)以智能方式判斷最短行走路徑，以提高生產(chǎn)效率.稱量小車行走路徑如圖5所示.

3.2 配料精度控制

(1)選用易控制給料快慢(配變頻技術(shù))、過程中溜料少的帶式給料機(jī)和雙螺旋給料機(jī)等供料設(shè)備.其中，雙螺旋給料機(jī)為大、小兩螺旋管結(jié)構(gòu)，大螺旋管為快給料階段，小螺旋管為慢給料階段(微調(diào)定量).給料機(jī)出口設(shè)氣動(dòng)閘門，以確保非工作狀態(tài)不會(huì)溜料.

(2)選用高精度的稱量?jī)x表和稱重模塊(托利多)，減小配料秤自重，對(duì)不同配量的物料細(xì)化分級(jí)，選用相應(yīng)量程的稱量裝置，以提高靈敏度.

(3)稱量裝置與給料機(jī)之間采用自動(dòng)修正連鎖方式連接，修正供料停止過程中溜料的誤差.

(4)自動(dòng)匹配各物料儲(chǔ)料倉(cāng)的下料提前量、多段速參數(shù)，使得稱量更準(zhǔn)確.

(5)將動(dòng)態(tài)稱重改為靜態(tài)稱重，并確保在小車停穩(wěn)后進(jìn)行稱量.

(6)采取免砝碼校秤新技術(shù)，使校準(zhǔn)工作更便捷.

3.3 配料工序特點(diǎn)

配料按照磨料與結(jié)合劑采用不同稱量斗的原則.稱量小車卸料口及各混料平臺(tái)受料口均設(shè)有滑軌式蓋板(與卸料機(jī)構(gòu)同步連鎖完成開、關(guān))，以保證其非卸料狀態(tài)下密閉而不會(huì)互相污染.倉(cāng)壁上設(shè)有振動(dòng)器及壓縮空氣吹口，可在每次卸料后自動(dòng)敲打、吹掃稱量斗.

將兩配料小車布置在同一軌道上，可實(shí)現(xiàn)非正常情況下的互為備用.保留在解除連鎖控制狀態(tài)下進(jìn)行人工配料的手段，以提高其靈活性.在軌道端頭設(shè)緩沖斗，用于配料車應(yīng)急狀態(tài)下臨時(shí)卸空.在小車行走軌道兩端和適當(dāng)檢測(cè)距離點(diǎn)位設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控.現(xiàn)場(chǎng)控制主站設(shè)備狀態(tài)信息和視頻監(jiān)控信息可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制中心.

液體輔料主要為糊精液、水玻璃、熱水.其中前兩種用于陶瓷砂輪逆流混制機(jī)，后一種用于磨鋼球濕混混制機(jī).糊精液和水玻璃流動(dòng)性能較差，采用稱重法進(jìn)行自動(dòng)定量、加壓輸送；熱水采用流量閥定量、重力方式加入.

4 混料工序

混料系統(tǒng)主要包括陶瓷砂輪混料、結(jié)合劑預(yù)混、磨鋼球砂輪干混及濕混4個(gè)獨(dú)立的混料單元.其中，前三者直接布置在配料平臺(tái)下面，磨鋼球砂輪濕混單獨(dú)布置.自動(dòng)混料系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示[8].

4.1 陶瓷砂輪混料

逆流混料機(jī)與雙室緩沖斗間設(shè)置自動(dòng)伸縮溜槽.逆流混料機(jī)與濕潤(rùn)劑輸送管間采用軟管連接.混料過程按程序自動(dòng)完成.

4.2 磨鋼球砂輪混料

磨鋼球砂輪混料時(shí)采用皮帶機(jī)、斗提機(jī)等連續(xù)輸送設(shè)備，實(shí)現(xiàn)磨鋼球砂輪干混與濕混間的物料自動(dòng)輸送；采用帶定量功能的過渡斗及雙向給料機(jī)，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)(1.8 t)與兩臺(tái)雙S混料機(jī)之間的自動(dòng)緩沖和匹配.充分利用廠房高度進(jìn)行濕混系統(tǒng)立體布置，可實(shí)現(xiàn)從干混至燜料倉(cāng)整個(gè)過程的自動(dòng)化而不需吊運(yùn)，提高廠房面積利用率.

4.3 混料工序特點(diǎn)

在預(yù)混、干混后的物料轉(zhuǎn)運(yùn)中不會(huì)產(chǎn)生偏析等現(xiàn)象.混料單元與配料單元設(shè)置落料固定時(shí)間間隔的工藝連鎖.控制室內(nèi)和關(guān)鍵工位現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有方便實(shí)用的操作系統(tǒng)和人機(jī)互動(dòng)界面；關(guān)鍵工序設(shè)置電子看板和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以便進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)督和管理.系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性、柔性與靈活性，完善的故障自診斷和報(bào)警功能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠.

5 結(jié)束語

自動(dòng)混配料系統(tǒng)是一種集備料、轉(zhuǎn)運(yùn)、配料、稱量、卸料、混料等功能于一體且可動(dòng)態(tài)監(jiān)視、管理及控制的系統(tǒng).所設(shè)計(jì)自動(dòng)混配料控制系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上滿足了功能需求，在控制系統(tǒng)上滿足了精度與連續(xù)操作要求.該系統(tǒng)便于在備配料過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理、修正與核對(duì)，能有效提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)環(huán)境，節(jié)約人力，為企業(yè)增效.