淺談成型機的方向性規(guī)劃及實現(xiàn)

李志軍

(薩馳智能裝備股份有限公司，江蘇 昆山 215300)

我國的子午線輪胎成型設備經(jīng)過20多年的高速發(fā)展，目前已經(jīng)走到了世界前列，在整個世界行業(yè)內占有舉足輕重的地位。如何引領行業(yè)的發(fā)展方向，已經(jīng)成為當前橡機行業(yè)的重要任務。

1 成型機發(fā)展規(guī)劃的八大維度

作為一個高端、完備的成型機，我們從八大維度對其進行理論規(guī)劃：①設備安全性；②綠色設計；③設備效率；④輪胎質量；⑤智能化、自動化；⑥設備管控；⑦復合型、多用途；⑧全局性。由于各個維度并非相互獨立，所以在實施例中不可避免地會出現(xiàn)交叉。是成型機規(guī)劃對應的驗證機型如圖1所示。

1.1 設備安全性

設備安全性是設計的第一要素。成型機屬于比較復雜的設備，團隊的協(xié)同作業(yè)是關鍵，所以如何整體布局安全區(qū)域，使機械設計、電氣、工藝、操作、維護等達成一致，采取統(tǒng)一的安全措施是設備研發(fā)成功的首要任務。之所以要首先提出這個問題，是因為各個專業(yè)角度不同、認知相差較大，實際上很難達成統(tǒng)一。因此需要有個預先的規(guī)劃，統(tǒng)一的方向，如圖2所示。

當然僅僅依靠團隊的安全規(guī)劃和設計是不夠的，引入專業(yè)的第三方評審，比如CE，也是成型機設計過程所必須的。實踐經(jīng)驗提醒我們，安全評估在設計完成之后反推進行的方式不可取。

1.2 綠色設計

綠色設計符合當今社會發(fā)展的大潮流，成型機目前已引入全生命周期的綠色評價體系，并制定了《綠色設計產(chǎn)品評價技術規(guī)范 子午線輪胎一次法成型機》的相關標準，目的在于引領整個橡膠機械行業(yè)的發(fā)展方向。依據(jù)生命周期評價方法，考慮輪胎成型機的整個生命周期，從原材料零部件、生產(chǎn)、運輸、使用、廢棄后回收處理等階段，深入分析各個階段的資源消耗、生態(tài)環(huán)境、人體健康因素，選取不同階段可評價的指標構成評價指標體系。通過體系的評價指導成型機的設計，通過成型機的實現(xiàn)驗證體系的價值，這也是本次成型機引入綠色設計概念的本意。評價的指標包含：資源屬性、能源屬性、環(huán)境屬性、產(chǎn)品屬性等，尤其是產(chǎn)品屬性，評價體系給予了成型機設計方向性的理論指導。根據(jù)體系產(chǎn)品屬性要求：無效生產(chǎn)時間占比、關鍵零部件使用次數(shù)、簡化常規(guī)維護流程和降低專業(yè)化程度等一系列要求都被引入成型機，并在驗證機型中一一體現(xiàn)。例如：無效生產(chǎn)時間的占比直接推動了單循環(huán)和稼動率的進程，下面有單獨的章節(jié)會講到。

旋轉密封結構的綠色設計，在一個位置磨損后，不必維修或者更換主軸，密封軸向移動后即可恢復使用，壽命延長一倍，如圖3所示。

1.2.1 滾壓站

（1）雙氣缸方式，縮短了抓取釋放時間，消除了鎖緊故障。

（2）傳統(tǒng)方式：單循環(huán)開/鎖四次；當前方式：更換規(guī)格時開/鎖一次；如圖4。

1.2.2 工裝管理

采用二維碼掃碼方式進行工裝類的查找工作，SCADA軟件上直接顯示工裝信息、使用方法等，維護人員方便更換，減少失誤。也可以與手機等工具關聯(lián)，如圖5。

1.2.3 設備維護管理

主機部分自動潤滑，其余部分定期提醒，確保設備始終保持良好狀態(tài)運行，如圖6。

1.3 設備效率

設備效率是輪胎廠關注的主要指標之一，沒有產(chǎn)量和規(guī)模，輪胎廠無法保證利潤。而決定輪胎生產(chǎn)效率的有兩大因素：單循環(huán)與稼動率。

1.3.1 單循環(huán)

單條輪胎的循環(huán)時間是多數(shù)人普遍關注的，這個時間更為直觀的改變了輪胎的班產(chǎn)和日產(chǎn)。設備廠商服務于輪胎廠，所以工藝時間比如貼合、接頭、充氣、反包、滾壓等時間的長短是關乎質量的，原則上不可以調整。但是每條輪胎在實際生產(chǎn)過程中，有大量的動作、過程與成型無關，這些都需要消除或者縮短，在驗證機型中主要采用了如下設計方案：

（1）消除主機運行過程中的延時設定，采用檢測方式觸發(fā)下一個動作。

（2）主機采用直線電機配合光柵尺，速度快、定位精準（速度1 500 mm/s，重復定位精度＜0.01 mm）。

（3）PA接頭裝置提前到位，雙氣缸控制。

（4）滾壓站夾持瓦塊采用鎖緊氣缸+小氣缸方式：在換規(guī)格的時候用大氣缸調整然后鎖緊，正常生產(chǎn)的時候用小氣缸（Φ50×50）完成擴張收縮。

（5）機械手前部卸胎方式，與自動上圈裝置分開，互不干預。

（6）簾布接頭預分布：在供料架上提前將接頭進行均布或避開，在貼合過程中消除了旋轉停止重定位的時間。

（7）成型鼓采用編碼器回零：避免了定位不準的問題，消除了開關回零的往復時間。經(jīng)過實施以上措施，將單循環(huán)時間從43 s減少到38 s，如圖7。

1.3.2 稼動率

如上所述，在整個生產(chǎn)過程中，多數(shù)人會關注輪胎的單循環(huán)時間，而往往忽視設備無效的工作時間，或者簡單的把該問題歸咎于管理責任。其實不然，有很多的無效時間是在設計初期就可以規(guī)避的，比如本文重點推行的雙工位供料。在實際驗證中，已經(jīng)實現(xiàn)了胎側、胎面、帶束層、冠帶條的雙工位供料甚至雙工位自動切換，在換料過程中保證了主機的不間歇工作。經(jīng)統(tǒng)計，僅此一項設備稼動率較原設備提升15%以上，如圖8、9所示。

其他還有很多的措施可以提高稼動率，比如：置于成型機內部完備的工具箱，用于調試和維護；放置于最近位置處理料頭所用的電熱刀；置于部套之中的校準調試工裝；一人可以輕松換鼓的氣動平衡吊等等。這些看似不起眼的動作，如果不改進，實際上在大量損耗著我們的實際產(chǎn)能，如圖10。

1.4 輪胎質量

質量和效率是設備廠和輪胎廠普遍關心的兩大指標，而在成型質量部分分別舉例導開和主機，是因為本文想在這里明確一下，就是成型的質量是從后往前逐步保證的，并非由主機單獨完成。首先高質量、高穩(wěn)定的導開才是成型質量、效率達標的第一步，有了這個基礎，才能逐步向輸送、糾偏、定長、裁斷、纏繞、成型進行推進。

1.4.1 導開部分

在輪胎廠，半成品的臺車流轉被當作運輸工具，往往被忽視。其實，臺車和導開是連接上道工序和成型工序之間的重要環(huán)節(jié)，而半成品都是到成型機處進行歸集，在此處出現(xiàn)的問題，比如物料拉伸、變形等，往往會判斷模糊，分不清是在成型處造成的還是半成品工序已經(jīng)存在的?，F(xiàn)存的所有的成型機都是采用一個電機驅動墊布卷，而工字輪采用剎車盤方式(手動剎車、氣動剎車及磁力剎車)，這些剎車方式無一例外的使得墊布在拉動工字輪的過程中造成物料的收縮，而這種收縮在物料與墊布剝離之后，應力開始釋放，物料本身的厚薄、寬窄尺寸就造成了很大的不確定性。這種不確定性嚴重影響到后續(xù)的定長、糾偏、自動貼合等，造成生產(chǎn)現(xiàn)場的設備“不穩(wěn)定”現(xiàn)象。驗證機型所有的導開采用“零張力”導開方式，物料的導開采用兩個電機，一個電機驅動物料卷，另一個電機采用力矩控制方式，電機的力矩足夠小僅僅將墊布卷起，所以是“零張力”。而在這種“零張力”導開之下，半成品物料最大程度的保持了原來的尺寸，為輪胎質量和自動化打好了堅實的基礎。而這種雙電機的設計也使得勻速導開變得簡單容易實現(xiàn)，因為工字輪本身由電機驅動，電機可以直接跟輸送定長的電機做速度匹配。這種勻速導開會使物料儲布保持一定的高度沒有變化，物料不產(chǎn)生忽上忽下的抖動，也一定程度上減少了物料的拉伸。當然雙電機導開的附加功能是實現(xiàn)了倒卷功能。雙電機導開如圖11。

1.4.2 臺車糾偏功能

傳統(tǒng)糾偏方式都是在物料儲布之后，進行物料糾偏，這樣在輸送過程中，輸送帶上的料和臺車里的料其實一直存在左右的偏移，看起來物料到輸送帶之后兩側是糾正過的，但實際上頭部已發(fā)生了傾斜，物料裁斷之后會行呈現(xiàn)平行四邊形而不是長方形，到貼合時就容易出現(xiàn)接頭大小不一，這種現(xiàn)象在簾布上表現(xiàn)尤為明顯。驗證機型在臺車上到導開之后，先進行預糾偏，將物料擺到供料架的中間，儲布部分就消除了傾斜，再進行精確糾偏、定長裁斷，就形成了輸送帶上的正方形，順利實現(xiàn)貼合的自動接頭，如圖12。

直線電機的應用：主機采用直線電機+光柵尺定位，精度高穩(wěn)定性好（速度1 500 mm/s，重復定位精度＜0.01 mm）；傳統(tǒng)方式采用同步帶、齒輪齒條，雖然同樣采用伺服電機方式，但是經(jīng)過減速機齒輪齒條及同步帶一系列的中間傳動之后，不可避免地產(chǎn)生地傳動誤差，而且誤差是累積的。直線電機配合光柵尺的方式，完全消除了中間傳動環(huán)節(jié)，是真正意義上的閉環(huán)控制，如圖13。

1.4.3 主軸一體的成型鼓機箱

把密封從機箱端部移至內部，減少主軸的懸垂長度；旋轉支撐部分采用機床常用的錐度軸承；機箱主軸與成型鼓主軸一體設計，打破成型鼓作為工裝的慣性思維；成型鼓半鼓各寸級重量盡量保證一致。經(jīng)過這幾項措施，不僅主軸的精度得到了提高、穩(wěn)定性得到了保證，而且減少了大量因更換工裝調整精度而帶來的時間損耗，如圖14。

1.5 智能化、自動化

目前工業(yè)4.0推進的大背景下，智能化的通用設備發(fā)展也是突飛猛進。在非標設備精研的同時，也應該大量引入通用智能設備助力我們的發(fā)展。在智能化、自動化部分，我們重點引入了六軸機器人與3D的工業(yè)視覺檢測。

1.5.1 自動上圈系統(tǒng)

（1）采用隔離塑料托盤的方式，最大程度保證了鋼圈自身形狀的保持，尤其是三角膠的傾斜角度。

（2）采用機械手進行鋼圈、托盤、小車的抓取，包括自動上圈，降低勞動強度的同時，大大減少了人工干預的不確定性。

（3）鋼圈位置實時檢測，保證了抓取的準確性，避免了碼垛方式高規(guī)范要求。

（4）通過胎胚周轉小車實現(xiàn)與工廠物流線AGV小車等的銜接工作，如圖15。

1.5.2 自動卸胎系統(tǒng)

（1）前部機械手單獨卸胎，避免后卸胎時序沖突。

（2）可進行精密的輪胎重量檢測。

（3）可根據(jù)實際情況進行成型機與工廠物流線的胎胚周轉銜接，實現(xiàn)自動操作，如圖16。

1.5.3 接頭檢測系統(tǒng)

（1）能夠實時掃描膠料貼合效果，排除不合格輪胎接頭造成的輪胎質量事故。

（2）因能夠實時監(jiān)控，實現(xiàn)了自動貼合膠料的目的，減少了用工量。如圖17。

1.6 復合型、多用途

本機型在一次法領域不斷深化的過程中，還涵蓋了“正反包工藝”的成型方式，這也是本機型區(qū)別于其他機型的最重要的特點。一次法成型機通常只適應一次法成型工藝13″~24″，包含常見的側包冠和冠包側。本機型采用模塊化的設計理念，通過更換成型鼓、添加胎側供料系統(tǒng)、正包壓輥、下壓輥等部套，成功實現(xiàn)了“一次法工藝”和“正反包工藝”之間的自由切換，適應15″~24″。在實際生產(chǎn)中，PCR都是輪胎企業(yè)主要的產(chǎn)品，一些MT、AT輪胎作為重要的補充，這些SUV的高端胎需求并非一直穩(wěn)定，那么單獨定制制作SUV輪胎的設備是很有可能閑置的。本機型的生產(chǎn)工藝切換方式正是為了解決這一矛盾而設計的，同時成本增加也很低，升級簡單，如圖18~21。

1.7 設備管控平臺

當下是高速發(fā)展的信息時代，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)已開始廣泛應用，而設備管控尤其是設備底層數(shù)據(jù)的獲取就顯得尤為重要。薩馳與西門子聯(lián)合研發(fā)SCADA設備管理平臺，對設備進行實時監(jiān)控、管理。其中包含了：①生產(chǎn)線SCADA監(jiān)控；②過程數(shù)據(jù)采集及接口；③生產(chǎn)信息跟蹤、查詢；④設備管理；⑤質量監(jiān)控；⑥人員管理；⑦生產(chǎn)實績、報表；⑧能源；⑨數(shù)據(jù)備份；⑩配方管理等，如圖22、23及表1。

表1 生產(chǎn)管家系統(tǒng)內容

1.8 全局性

盡管以上幾個維度都是從成型機的整體進行規(guī)劃，但并非脫離成型機而從全局來審視這一工序。由于歷史發(fā)展原因，從整體來看，當前的各個上下游工序，包括物流系統(tǒng)，其實是割裂的。

舉例說明：從裁斷到成型，材料都是用臺車傳送的，目前物流技術成熟后，用AGV代替了人工的搬運，但它的功能也僅僅是搬運。具體流程如下：人工將空臺車從指定位置裝載至裁斷的卷曲工位進行卷曲→人工卸載臺車到指定位置→AGV從指定位置將臺車運送至成型車間指定位置→人工將臺車從指定位置裝載至成型機→人工將空臺車從成型機卸載至指定位置→AGV從指定位置將空臺車運送至裁斷車間指定位置→下一循環(huán)。從上述流程可以看出AGV在中間只是起到了運輸作用，并未將兩個工序貫通。操作工和AGV之間在交替工作，費時費力。

從整體運行上考慮，我們把成型和裁斷看做物流系統(tǒng)的兩個工作單元，將AGV、導開（成型）/卷曲（裁斷）、臺車三者合而為一。這樣AGV就不僅僅是運輸工具，而是具備了導開/卷曲功能的自動臺車。具備復合功能的AGV到達成型/裁斷的工位時就不再需要繁瑣的人工裝載、卸載，同時設備數(shù)量種類大幅減少、占地面積減少。當然其他的半成品工序也是同樣的考慮。如圖23所示。

2 結語

綜上所述，我們在總結成型機二十年發(fā)展的基礎上，對設備進行重新審視和規(guī)劃，從八個維度對成型機技術進行了探討，并制作了驗證機型SR-10對理論體系做了實際驗證。事實證明所研發(fā)的機型不僅在一次法領域走到了世界前列，而且涵蓋了正反包工藝的輕卡輪胎，其適應性、綠色、數(shù)字化等已經(jīng)在引領成型機行業(yè)的發(fā)展。