鋼卷周向打捆機設(shè)計

鄭相燦，王紅軍，3，康運江，張金鵬

（1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192；2.機械科學(xué)研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044 3.高端裝備智能感知與控制北京市國際科技合作基地，北京 100192）

0 引言

全自動鋼卷打捆機是針對鋼卷打捆機包裝的全自動器械，自動化程度較高，幾乎不需人工操作，與普通打捆機不同。鋼材從生產(chǎn)出來到包裝的整個過程中，冷軋鋼卷的包裝屬于生產(chǎn)線較后的一道包裝工序，也是體現(xiàn)鋼卷包裝質(zhì)量的最重要的一步，鋼卷包裝的質(zhì)量關(guān)系到鋼材的運輸、銷售等。

隨著智能制造的不斷推進和企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，國內(nèi)在冶煉鋼鐵技術(shù)方面較為成熟，但在鋼材打捆包裝技術(shù)方面還不成熟。由于打捆機設(shè)計與制造難度較大，國內(nèi)管材自動化打捆設(shè)備一直依賴國外進口，無法滿足鋼管工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)和國際市場鋼管包裝運輸安全的要求[1]。

國內(nèi)目前只能生產(chǎn)制造一些通用的、用于輕工業(yè)或食品以及服務(wù)行業(yè)的打捆設(shè)備。應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的高性能全自動打捆機設(shè)備才剛踏出研究的第一步。目前，國內(nèi)鋼帶打捆包裝主要采用人工方式完成，與國外先進的鋼帶打捆機相比還存在不少的缺點[2]。

相比較而言外國企業(yè)在冶金鋼材技術(shù)以及鋼材包裝技術(shù)上較為先進，處于領(lǐng)跑地位，國外打捆機經(jīng)數(shù)年技術(shù)積累和不斷的發(fā)展，已形成多品種、穩(wěn)定化、專業(yè)化生產(chǎn)，自動化程度不斷提高，打捆的速度也不斷加快，效率更高，其可靠性、穩(wěn)定性、可用壽命也不斷提高?，F(xiàn)如今，美國SIGNODE 公司、德國TITAN 公司以及瑞典SUND BIRSTA 公司等在對鋼材打捆機的研制方面都取得了一定成果[3]。

鋼材包裝打捆機是國內(nèi)鋼鐵企業(yè)精整包裝生產(chǎn)線的急需設(shè)備，而且是軋鋼企業(yè)精整包裝生產(chǎn)線的核心設(shè)備。開發(fā)研制符合國內(nèi)需求的高性能的鋼材包裝打捆機及其配設(shè)備是我國鋼鐵行業(yè)的迫切要求。具有重要的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義[4]。

1 打捆機的功能

全自動周向打捆機主要完成鋼卷周向方向的打捆，其自動化程度較高，幾乎不需要人工操作。利用SolidWorks 設(shè)計軟件，通過其強大的建模功能以及各插件的靈活使用，對打捆機的機械結(jié)構(gòu)零件進行設(shè)計建模。并且對各零件添加相應(yīng)的裝配約束條件進而完成打捆機的整體三維建模。如圖1、圖2 所示。

圖1 打捆機整體結(jié)構(gòu)

圖2 打捆頭三維模型

打捆頭是整個全自動打捆機的核心部件，由增力連桿機構(gòu)、摩擦驅(qū)動機構(gòu)、帶頭壓緊機構(gòu)、鎖扣機構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)等組成。整個打捆頭的動力由液壓系統(tǒng)提供，通過液壓回路的設(shè)計，對液壓回路的執(zhí)行元件及動力元件進行選型計算，保證整個打捆頭驅(qū)動方式的穩(wěn)定性。該打捆機能實現(xiàn)對不同外形尺寸的鋼卷進行打捆，并采用PLC（Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)實現(xiàn)對打捆機的動作進行控制。

2 打捆機的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 打捆機的工作流程

全自動鋼卷打捆機采用強度較大的鋼帶作為打捆材料，鋼卷由運輸帶到達工位后，通過打捆機頭完成對鋼帶送帶、收帶、拉緊、咬合、切斷等動作，完成打捆機對鋼卷進行鋼帶打捆的一個周期。具體工作流程如下：

2.1.1 鋼卷打捆的準備

鋼卷打捆鋼帶之前需進行防銹紙包裝、塑料包裝等，通過物流運輸線將待包裝的鋼卷完成鋼帶打捆前的所有包裝后存放在鋼卷的運輸線上，按照鋼卷軸線垂直于運輸線的運動方向進行排放，每個待捆扎的鋼卷之間有固定的間距，通過間距確實各鋼卷之間的位置，通過運輸鏈送入周向打捆機的打捆工位。

2.1.2 導(dǎo)帶槽閉合

鋼卷運輸?shù)轿缓?，?dǎo)帶槽通過氣缸驅(qū)動，完成伸出動作，將被打捆鋼卷包圍起來形成封閉的導(dǎo)帶通路，對鋼帶的傳送起導(dǎo)向作用。

2.1.3 送帶

送帶過程是指鋼帶通過與摩擦驅(qū)動機構(gòu)的輪子產(chǎn)生摩擦力實現(xiàn)驅(qū)動，鋼帶沿著閉合的導(dǎo)帶通路回路繞被打捆鋼卷一周后回到打捆頭作扣處，并在鎖扣位置形成上下重合的鋼帶節(jié)。送帶過程主要分為兩步，第一步是鋼帶的高速送帶過程，另一種是鋼帶的低速送帶過程[5]。高速送帶是鋼帶有頭在導(dǎo)帶槽中運行，以提高打捆速度。在帶頭脫離導(dǎo)帶槽，從新回到打捆頭內(nèi)部，即將完成送帶時，為確保上下捆帶重疊部分的長度，降低捆帶的驅(qū)動速度。而鋼帶的驅(qū)動速度可由控制液壓馬達回路中液體流速和液體壓力實現(xiàn)。

（1）高速送帶過程。高速送帶過程是指鋼帶在傳送過程中，鋼帶頭未回到打捆頭前這一階段，在這一階段內(nèi)鋼帶快速傳動，提高對捆帶的驅(qū)動速度從而節(jié)省鋼帶在導(dǎo)帶通路傳送的時間以及單條捆帶打捆的效率。

（2）低速送帶過程。根據(jù)導(dǎo)帶通路的路程以及高速送帶的速度計算多久后鋼帶頭繞導(dǎo)帶通路的行程為3/4，在此階段后鋼帶的輸送啟動低速送帶過程，確保重上下捆帶疊部分的長度，降低捆帶的驅(qū)動速度從而節(jié)省打捆材料。而鋼帶的驅(qū)動速度可由控制液壓馬達回路中液體流速和液體壓力實現(xiàn)。

2.1.4 壓緊鋼帶頭

鋼帶通過導(dǎo)帶槽繞鋼卷一周完成送帶過程，此時鋼帶頭在鋼扣處形成小段長度的重合鋼帶，由于此時的鋼帶尚未貼緊鋼卷表面，因此帶頭壓緊機構(gòu)對下層捆帶進行壓緊，以保證可以對多余捆帶進行回收并施加預(yù)緊力，通過摩擦驅(qū)動輪反向驅(qū)動完成之后收帶的階段。

2.1.5 打捆機頭下降

打捆鋼帶在打捆頭中被壓緊機構(gòu)壓緊后，完成鋼帶的運輸動作，此時鋼帶在打捆頭處形成的重合的信號由控制系統(tǒng)接收后，打捆頭通過打捆機的升降裝置驅(qū)動打捆頭下降，使打捆頭鎖扣機構(gòu)緊貼鋼卷。為保證打捆的精確性，捆帶可捆緊鋼卷，打捆頭與鋼卷接觸位置必須為鋼卷最上方，且打捆頭必須與鋼卷相切。

2.1.6 抽帶并拉緊鋼帶頭

完成打捆頭與鋼卷表面貼合后，需對多余的鋼帶進行回收，此時摩擦驅(qū)動機構(gòu)主動輪進行反向旋轉(zhuǎn)，通過摩擦力將鋼帶從導(dǎo)帶槽中拉出，使鋼帶完全貼合鋼卷表面。這一過程需要提高液壓馬達轉(zhuǎn)速，快速回收多余捆帶，以減少打捆所需時間。鋼帶完全貼合鋼卷表面之后，通過增大液壓缸的施加壓力，對鋼帶施加一定的鋼帶預(yù)緊力，從而捆緊鋼卷。

2.1.7 咬扣和切帶

鋼帶經(jīng)過拉緊力的拉緊已牢牢貼近鋼卷表面，接下來需對上下重合的鋼帶進行咬扣動作，完成鋼帶對鋼卷的緊固包裝，鋼帶咬合成型后由切斷刀切斷鋼帶，完成一條鋼帶的打捆動作。

2.1.8 打捆系統(tǒng)復(fù)位

待鎖扣完成后，帶頭壓緊機構(gòu)釋放壓緊力，鎖扣機構(gòu)松開撤回，摩擦驅(qū)動機構(gòu)從動輪壓緊液壓缸放松，打捆機橫梁連帶打捆頭提升，所有結(jié)構(gòu)都退回到初始位置，方便鋼卷運走或?qū)ο乱晃恢眠M行打捆。

2.2 橫移與升降裝置

本次周向打捆機打捆頭的移動方式采用升降式實現(xiàn)升降以及橫移裝置實現(xiàn)橫向移動。整個橫移裝置與升降裝置相連，如圖3 所示。當鋼卷到達打捆工位后，通過傳感器識別以及PLC 控制系統(tǒng)識別鋼帶打捆位置，先由橫移裝置帶動升降裝置以及打捆頭進行橫向移動至打捆位置。打捆頭與升降橫梁相連，而橫梁由兩邊側(cè)板實現(xiàn)導(dǎo)向作用，通過起重鏈條、鏈輪對橫梁進行連接。通過伺服電機的驅(qū)動對橫梁進行升降從而實現(xiàn)打捆頭的升降運動，使打捆頭到達鋼卷打捆表面。

圖3 橫移與升降裝置裝配

2.3 導(dǎo)帶槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合周向打捆機的工作流程以及主要裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計成伸縮式導(dǎo)帶槽，導(dǎo)帶通路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，整體結(jié)構(gòu)分為兩部分，通過安裝在橫移裝置上實現(xiàn)與打捆頭一齊移動。底下的導(dǎo)帶槽通過氣缸的驅(qū)動方式，當橫移裝置移動完成后伸縮導(dǎo)帶槽伸出，與另一邊的導(dǎo)帶槽形成閉合回路。而導(dǎo)帶槽上則采用內(nèi)置彈簧式導(dǎo)帶槽結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 彈簧式導(dǎo)帶槽

當捆帶下抽時，矩形鋼管兩側(cè)導(dǎo)板受力向外側(cè)移動，并使開口銷帶動銷軸一并向外側(cè)移動，此時銷軸軸肩向矩形鋼管內(nèi)壁方向壓縮彈簧，兩側(cè)導(dǎo)帶板之間的間隙大于捆帶寬度時，捆帶下滑；當抽帶結(jié)束后，彈簧恢復(fù)原狀，并帶動銷軸、開口銷、墊片和導(dǎo)板恢復(fù)原位[6]。從而確保打捆機完成對鋼卷的打捆動作。

3 伺服電機驅(qū)動設(shè)計

全自動周向打捆機的驅(qū)動方式采用伺服電機驅(qū)動，區(qū)別于其他全自動打捆機采用的氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動形式，根據(jù)伺服電機轉(zhuǎn)速低但轉(zhuǎn)矩大的特點，應(yīng)用于打捆機大型器械上可滿足條件。運用伺服電機驅(qū)動的打捆機整體結(jié)構(gòu)相對簡單，從而實現(xiàn)對全自動打捆機的優(yōu)化設(shè)計。已知打捆頭升降裝置升降運動的速度v=0.8 m/s，求得軸的轉(zhuǎn)速n=152.87 r/min；估算打捆頭升降裝置的重量為200 kg，

由電機的輸出轉(zhuǎn)矩公式；按照電機功率計算公式；聯(lián)立兩公式并帶入數(shù)據(jù)得P=1.675 kW；通過電機選型表，按照所需轉(zhuǎn)速及功率選用減速機型號為K37，電機型號為Y100L，電機級數(shù)4 級，輸出轉(zhuǎn)速n=178 r/min，額定功率P=2.2 kW，輸出轉(zhuǎn)矩T=111 N·m，使用系數(shù)為1.32，傳動比i=7.96。再對鏈條進行選型計算取鏈的型號為12 A，通過鏈輪鏈條的驅(qū)動形式實現(xiàn)對打捆頭的升降運動。

4 PLC 控制系統(tǒng)

對該全自動打捆機采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 型PLC控制系統(tǒng)，使用西門子公司開發(fā)的西門子博圖V15.1（TIA15.1），其編程環(huán)境為S7-300 系列PLC 所需的STEP7 軟件系統(tǒng)[6]。

采用PLC，基于西門子博圖V15.1 軟件設(shè)計了全自動鋼卷打捆機的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)打捆機的自動化。在軟件中對控制系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，同時設(shè)計了打捆機的控制面板驗證了程序的有效性及可行性。其中PLC 部分包括電源模塊、模塊以及輸入輸出模塊。完成打捆機系統(tǒng)開關(guān)量及傳感器信號的輸入，控制信號的輸出以及過程控制，實現(xiàn)鋼卷打捆過程的自動化[7]。

5 結(jié)束語

針對國內(nèi)目前在全自動打捆機的研制進度較為緩慢，對周向打捆機進行研究分析。根據(jù)鋼卷的外形尺寸，結(jié)合目前以研制出的全自動氣動打捆機。主要設(shè)計了實現(xiàn)打捆頭升降和橫移的裝置結(jié)構(gòu)，通過采用伺服電機的驅(qū)動方式，對打捆機的驅(qū)動方式進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)伺服電機的特性以及鏈條可承受的最大載荷驗證了該驅(qū)動方式的可行性，從而實現(xiàn)了對打捆機采用伺服電機驅(qū)動的驅(qū)動方式。