VMI四鼓成型機(jī)三角膠自動(dòng)滾壓裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊天鵬，朱小婷，胡小亮，張萬永

(風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454001)

1 項(xiàng)目背景

2018年8月份公司將12R22.5 水手二代產(chǎn)品從青島軟控三鼓成型機(jī)轉(zhuǎn)移至荷蘭VMI四鼓成型機(jī)生產(chǎn)后，X光側(cè)泡缺陷率達(dá)到0.14%。單月成品損失74 632元。2018年10月份，市場VOC反饋水手二代產(chǎn)品出現(xiàn)批量胎圈側(cè)鼓缺陷，產(chǎn)品面臨召回風(fēng)險(xiǎn)。水手產(chǎn)品因質(zhì)量缺陷被迫停止生產(chǎn)。

通過對缺陷胎氣泡產(chǎn)生位置進(jìn)行X光定位和斷面切割分析（圖1），通過分析斷面上材料分布和部件尺寸最終確定氣泡產(chǎn)生位置在胎體簾布和胎圈三角膠之間，該位置產(chǎn)生氣泡的主要原因?yàn)槿悄z未進(jìn)行滾壓，導(dǎo)致胎胚在成型過程中三角膠與簾布間的氣泡未能有效排出，造成質(zhì)量缺陷。

圖1 輪胎剖面圖

荷蘭VMI四鼓成型機(jī)從2002年安裝投用以來，三角膠滾壓功能一直未能正確地投用，主要是由于設(shè)備結(jié)構(gòu)原因無法對胎圈根部進(jìn)行滾壓排氣，而且滾壓過程中容易造成三角膠打折，無法滿足該規(guī)格生產(chǎn)工藝要求。需對設(shè)備進(jìn)行改造來實(shí)現(xiàn)三角膠滾壓排氣的目的。

2 改造方案

VMI四鼓成型機(jī)組合壓輥裝置主要由兩大部分構(gòu)成：分別為胎面復(fù)合壓輥裝置，主要用于胎面、胎肩、胎側(cè)部位的滾壓；多用途壓輥裝置，由左、右兩套可擺轉(zhuǎn)的壓輥組件組成，其位置和角度由PLC程序通過控制滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)和氣缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)?？筛鶕?jù)上位機(jī)操作界面設(shè)定不同階段的位置、速度、壓力自動(dòng)切換，按工藝參數(shù)進(jìn)行滾壓。VMI四鼓成型機(jī)后壓輥結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 VMI四鼓成型機(jī)后壓輥結(jié)構(gòu)原理圖

VMI四鼓成型機(jī)利用胎面壓輥滾壓三角膠時(shí)需要胎面復(fù)合壓輥和后壓輥小車平移至壓合三角膠的位置，之后由多用途壓輥裝置利用氣缸驅(qū)動(dòng)壓輥組件實(shí)現(xiàn)壓輥的擺轉(zhuǎn)，同時(shí)利用成型鼓的高速旋轉(zhuǎn)根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的位置和壓力進(jìn)行滾壓。但是由于胎面壓輥結(jié)構(gòu)的原因，在壓合三角膠過程中無法從胎圈根部開始進(jìn)行壓合。

針對VMI四鼓成型不能對三角膠進(jìn)行滾壓的問題，現(xiàn)場的機(jī)械工程師、電氣工程師、工藝管理人員、安全管理人員等相關(guān)專業(yè)的人員組成攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，利用頭腦風(fēng)暴的方法討論三角膠滾壓的解決方案，經(jīng)過相關(guān)人員的激烈討論，決定對標(biāo)青島軟控三鼓成型機(jī)，參考B型后壓車的結(jié)構(gòu)增加一套新的滾壓裝置，對三角膠進(jìn)行滾壓，解決VMI四鼓成型機(jī)因無法滾壓三角膠而造成的質(zhì)量缺陷，確定如下解決方案。

2.1 機(jī)械改造（新增三角膠滾壓裝置）

2.1.1 組合壓輥裝置

新增三角膠滾壓壓輥裝置，三角膠壓合裝置由懸臂架固定底座和壓合壓輥組成，其中壓合壓輥包括：橫向驅(qū)動(dòng)壓輥伸出返回的兩個(gè)氣缸（左右各一個(gè)），壓輥的徑向運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)通過滾珠絲杠和鏈條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，同時(shí)后壓車的設(shè)備安裝精度，要求如表1所示。

表1 后壓車設(shè)備精度要求

2.1.2 懸臂架

懸臂架是由一根矩形鋼（200 mm×150 mm×8 mm）和一根方管鋼（200 mm×200 mm×8 mm）焊接而成，底部采用筋板，使用固定螺栓固定到地面上，主要作用是用來安裝新增加壓輥的固定底座及壓輥及其它附件安裝，焊接和制作要求如下：

（1）焊接焊接點(diǎn)均勻，強(qiáng)度可靠。

（2）根據(jù)實(shí)體圖示，在矩形鋼上面開3個(gè)Φ70 mm穿線孔。

（3）水平方向，方管鋼開口處，加工可拆裝的封口擋板方便安裝和日后的維護(hù)保養(yǎng)。

（4）架子表面噴涂豆綠汽車漆，色標(biāo)號6011。

圖3 懸臂架尺寸結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 安裝底座

安裝底座主要由氣缸壓輥固定架組成，主要用來安裝控制氣缸、導(dǎo)軌、絲杠、鏈輪、壓輥、伺服電機(jī)等組件，其加工制作要求如下：

（1） 兩個(gè)Φ75 mm的孔分別安裝2個(gè)凸緣式滾珠花鍵滾珠套，兩個(gè)滾珠套間由定位套進(jìn)行定位，兩端用Φ75 mm孔用擋圈固定。

（2） 在底座兩個(gè)Φ110 mm圓柱面外側(cè)，對應(yīng)內(nèi)部滾珠套加油槽位置加工加油（螺紋）孔，并安裝加油嘴方便日后的維護(hù)保養(yǎng)。

（3） 零件外表面非配合面噴涂豆綠色汽車漆進(jìn)行防銹，色標(biāo)號6011。

2.1.4 安裝要求

新增壓輥絲杠的中心線必須與成型鼓中心線重合，否則無法保障設(shè)備的同心度，在滾壓過程中會出現(xiàn)左右壓力不勻，造成胎胚一側(cè)因壓力過小導(dǎo)致各部件間的氣體無法有效地排出；另一側(cè)因壓力過大，造成胎胚部件變形，影響胎胚的質(zhì)量。新增壓輥的安裝必須與成型鼓扇形塊的最高點(diǎn)相切，否則壓輥在伸出滾壓三角膠時(shí)壓輥會與成型鼓相撞造成設(shè)備損壞或無法壓到三角膠根部。

2.2 電氣控制系統(tǒng)改造

電氣控制系統(tǒng)改造包括PLC控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)兩大部分。改造的整體思路：不改變原有的控制系統(tǒng)，在原有控制系統(tǒng)上進(jìn)行新增軟硬件來實(shí)現(xiàn)三角膠的自動(dòng)滾壓。底座尺寸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 安裝底座尺寸結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 電氣控制系統(tǒng)選型

VMI四鼓成型機(jī)原PLC控制系統(tǒng)使用羅克韋爾（AB）1756-L72系列，此次改造需要在原控制系統(tǒng)上增加一個(gè)I/O分站，用來控制壓輥的限位保護(hù)和位置檢測，如壓輥徑向移動(dòng)的限位，接口模塊和數(shù)字量I/O模塊采用和原設(shè)備分站同規(guī)格的，便于后期備件管理和日常的維護(hù)；新增一組壓合壓力控制比例閥的模擬量I/O，模擬量模塊使用原控制系統(tǒng)同規(guī)格的模塊，比例調(diào)節(jié)閥控制的信號類型為4～20 mA的電流信號。

原設(shè)備伺服控制系統(tǒng)采用的是羅克韋爾Kinetix 6000系列伺服驅(qū)動(dòng)器和AB 1326系列伺服電機(jī)。為保證系統(tǒng)的一致性，新增的伺服控制器仍使用Kinetix 6000系列伺服驅(qū)動(dòng)，但由于成型鼓區(qū)的伺服控制器底座槽位已經(jīng)安裝滿，無法進(jìn)行擴(kuò)展，而CC鼓電氣柜內(nèi)的54U0還有兩個(gè)槽位可以用來進(jìn)行擴(kuò)展，為節(jié)約改造成本所以將三角膠滾壓的伺服控制器安裝在CC鼓電氣柜內(nèi)。因1326系列伺服電機(jī)2010年左右已停產(chǎn)，所以需要對伺服電機(jī)重新選型。電氣通訊原理圖見圖5。

圖5 電氣通訊原理圖

伺服電機(jī)選型：因現(xiàn)場設(shè)備現(xiàn)使用的伺報(bào)控制器為K6000系列，根據(jù)羅克韋爾提供的選型手冊如圖表2中的要求，我們只能選擇MPL系列或MPM系列伺服電機(jī)（表2）；根據(jù)伺服電機(jī)特性（表3），MPM類型伺服電機(jī)屬于中慣量伺服電機(jī)，適用于高速小功率環(huán)境如（燈標(biāo)的快速定位等）；而MPL伺服電機(jī)則用于低慣電機(jī)，適用于大功率高轉(zhuǎn)速環(huán)境。滾壓三角膠如果使用中慣量的伺服電機(jī)在滾壓過程中可能會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)或伺服報(bào)警現(xiàn)象，為了保證設(shè)備的穩(wěn)定性，我們選擇低慣量的MPL系列伺服電機(jī)。

表2 伺服驅(qū)動(dòng)類型可配置電機(jī)型號對照表

表3 伺服電機(jī)特性表

2.2.2 PLC程序設(shè)計(jì)

三角膠滾壓程序主要包括:PLC程序設(shè)計(jì)及伺服控制程序設(shè)計(jì)。PLC程序主要是根據(jù)設(shè)備的控制信號及伺服電機(jī)反饋過來的信置信號控制伺服電機(jī)徑向的位置及轉(zhuǎn)速，以及胎側(cè)壓輥的壓合壓力。胎側(cè)壓輥的壓合壓力是根據(jù)HMI上位機(jī)畫面上設(shè)定的壓合參數(shù)設(shè)定的，通過模擬量I/O模塊控制比例調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)不同位置的不同壓力的三角壓合。伺服控制程序的設(shè)計(jì)，通過PLC將運(yùn)算指令發(fā)送給伺服控制器，再由伺服控制器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。同時(shí)將位置信號反饋給PLC進(jìn)行判斷。

2.2.2 .1 新增模擬量分站

首先通過Rslogix5000編程軟件，打開設(shè)備原有的PLC程序并通過以太網(wǎng)通訊電纜與PLC聯(lián)接，在左側(cè)導(dǎo)航欄中新增插入一個(gè)分站，第一步插入以太網(wǎng)接口模塊，并配置以太網(wǎng)通訊參數(shù)和設(shè)置模塊數(shù)量；第二步在分站下方添加一個(gè)數(shù)字量的8位輸入模塊、一個(gè)8位的數(shù)字量輸出模塊和一個(gè)模擬量輸出模塊。完成PLC硬件的一個(gè)組態(tài)添加。如圖6、圖7所示。

圖6 接口模塊配置

圖7 添加模擬量模塊

2.2.2 .2 添加伺服控制程序

在左側(cè)的導(dǎo)航欄中的”SERCOS network”下方插入一個(gè)新的伺服控制器，并設(shè)定地址，注意地址不要與之前設(shè)備使用的地址重復(fù)。在左側(cè)導(dǎo)航欄內(nèi)找到“SEVRO_CONTROLLER”并在其下方增加伺服軸，設(shè)定新增軸的名稱同時(shí)配置軸參數(shù)和電機(jī)參數(shù)（如速度環(huán)、位置環(huán)、速比等），完成伺服控制的硬件組態(tài)。如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 插入伺服控制

圖9 新軸命名

圖10 配置軸參數(shù)和電機(jī)參數(shù)

2.2.2 .3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)需要將原設(shè)備程序中的三角膠壓合程序屏蔽掉，包括胎側(cè)壓合橫向位置和徑向位置的壓合程序，同時(shí)增加新壓裝置的動(dòng)作程序，首先在程序中增加起始位置和兩個(gè)壓合階段的完成結(jié)束位置，再增加兩個(gè)壓合階段所需要的壓力。如圖11、圖12和圖13所示。

圖11 設(shè)備原壓合程序屏蔽

圖12 壓合二階段結(jié)束位置

圖13 壓合壓力輸出

3 改造后效果

（1）12R22.5 水手二代產(chǎn)品在四鼓成型機(jī)恢復(fù)生產(chǎn)。

（2）對四鼓成型機(jī)滾壓程序進(jìn)行修改，將原來只壓胎面改為先壓三角膠后壓胎面。改造后胎側(cè)泡缺陷率由0.14%下降到0.02%。成品損失由74 632元降低到7 824元。解決了市場VOC側(cè)鼓缺陷的問題。

（3）增加一組滾壓裝置后三角膠和胎面同時(shí)滾壓生產(chǎn)SATT產(chǎn)品單機(jī)效率由90條/班提升到115條/班，生產(chǎn)效率提升27%。

（4）該項(xiàng)目外委改造費(fèi)用為41萬元/臺，自主升級改造費(fèi)用為10萬元/臺，節(jié)約改造費(fèi)31萬元/臺。目前5臺四鼓成型機(jī)已改造完畢，合計(jì)節(jié)約改造費(fèi)用155萬元。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)輪胎生產(chǎn)工藝與國際生產(chǎn)工藝的不斷融合，輪胎生產(chǎn)裝備的改造和精度升級是輪胎安全、質(zhì)量和生產(chǎn)效率的保證。輪胎裝備的改造和精度升級,并不是一味的購買和使用新裝備,通過對原有裝備的大修和改造，保證設(shè)備的精度、滿足工藝生產(chǎn)要求、提高生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)技術(shù)革新升級，同樣是提高輪胎生產(chǎn)裝備能力的重要途徑。