鋼材分條自動(dòng)打包線的探討

張瑞，韋有鋆，石磊，王剛，孫志坤

（江蘇亞威機(jī)床股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

當(dāng)前，我國人口紅利正逐步消失[1]，企業(yè)用工成本不斷增加。為保持產(chǎn)品的國際競爭力，提高我國工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平勢(shì)在必行[2]。

鋼材分條自動(dòng)打包線由高端分條線和自動(dòng)打包系統(tǒng)組成，全線自動(dòng)化程度高，配自動(dòng)上料單元、CPC、十字換刀臂、機(jī)器人排刀、自動(dòng)打包系統(tǒng)（翻轉(zhuǎn)機(jī)+稱重輥道+打包機(jī)+對(duì)中輥道+行架機(jī)器人等），整線操作僅需要2～3 名工人，相比于常規(guī)分條線的5 人（3 名操作工+2 名打包工）節(jié)省了40%以上的人力資源，并且自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備可有效避免操作者的操作問題，可靠性更高，相比人工操作更安全。

1 整線設(shè)備組成及功能

如圖1 所示，鋼材分條自動(dòng)打包線整線設(shè)備分為自動(dòng)上料單元、校平夾送單元、分條單元、張力單元、下料卷取單元、自動(dòng)打包單元等，常用于碳鋼、硅鋼、不銹鋼及表面涂鍍后的各類金屬板材的加工。

圖1 整線工藝流程圖

1.1 自動(dòng)上料單元

自動(dòng)上料單元包含儲(chǔ)料臺(tái)（旋轉(zhuǎn)式）、上料小車、一鍵上料、液壓支撐、開卷機(jī)、CPC、引料裝置等。上料小車將鋼材從儲(chǔ)料臺(tái)上頂出，通過一鍵上料裝置運(yùn)輸?shù)介_卷機(jī)卷筒上，并自動(dòng)對(duì)中。開卷機(jī)使用電機(jī)建張，通過超聲波檢測(cè)鋼材直徑的變化，相應(yīng)調(diào)整張力。引料裝置壓直板頭彎曲部分，將板材向夾送輥輸送，配合CPC 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)中穿帶。

1.2 校平夾送單元

校平夾送單元包含夾送及五輥校平裝置、切頭剪及電動(dòng)廢料車、過渡裝置、側(cè)導(dǎo)裝置、夾送裝置等。夾送及五輥校平裝置使板帶平直地順利進(jìn)入切頭剪板機(jī)，切頭剪通過液壓驅(qū)動(dòng)刀架剪斷不良板頭，并通過電動(dòng)小車將廢料開出。側(cè)導(dǎo)裝置使用電動(dòng)可調(diào)的導(dǎo)輥對(duì)鋼板進(jìn)行定位，防止鋼板跑偏；一對(duì)夾送輥布置在分條機(jī)前，將開出來的鋼板平穩(wěn)送進(jìn)分條機(jī)內(nèi)。

1.3 分條單元

分條單元包含分條機(jī)、碎邊剪、中間橋、十字換刀臂、機(jī)器人刀庫等。分條機(jī)通過調(diào)整組合式隔套，剪切出各種寬度的帶鋼。而機(jī)器人刀庫將下一組縱剪所需的刀片、墊片、膠套預(yù)先安裝在十字換刀臂上，直接推入縱剪的刀軸中使用，單組刀具更換時(shí)間不超過8min,可大大減少排刀時(shí)間和排刀人員的工作量，提高生產(chǎn)效率。

1.4 張力單元

張力單元包含自動(dòng)排分隔裝置、皮帶張力機(jī)、涂油機(jī)、轉(zhuǎn)向輥等。自動(dòng)排分隔裝置根據(jù)自動(dòng)排刀系統(tǒng)設(shè)定的分條數(shù)，自動(dòng)獲取排刀數(shù)據(jù)，排布分隔片數(shù)量及位置。皮帶張力機(jī)隨后產(chǎn)生板帶進(jìn)入卷取機(jī)前所需要的張力，由于卷取機(jī)在收卷時(shí)外徑在不斷增大，只有經(jīng)過轉(zhuǎn)向輥才能保證條料從張力機(jī)構(gòu)出來時(shí)的角度不變，保證張力恒定[3]。

1.5 下料卷取單元

下料卷取單元包含卷取機(jī)、液壓支撐、十字卸料臂、離線打包下料小車等。卷取機(jī)和液壓支撐完成成品卷取功能，離線下料小車使用琴鍵式壓臂壓緊板頭，電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫移，將成品板料輸送至一字臂上。

1.6 自動(dòng)打包單元

自動(dòng)打包單元包含周向打包機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)、輸送輥道、核心打包裝置、磁力提升裝置、包裝輥道臺(tái)，翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)周向打包機(jī)捆扎好的鋼材至輸送輥道，在核心打包裝置處進(jìn)行對(duì)眼捆扎，隨后由磁力提升裝置運(yùn)送至包裝輥道臺(tái)進(jìn)行包裝。

2 關(guān)鍵技術(shù)探討

2.1 機(jī)器人刀庫和機(jī)器人自動(dòng)換刀

卷料在分條線加工結(jié)束后或分條程序執(zhí)行后,分條線停止工作以便更換剪切刀具。進(jìn)入控制面板輸入命令，分條機(jī)活動(dòng)機(jī)座側(cè)向打開，十字換刀臂移動(dòng)?？康酱蜷_的分條機(jī)處。選擇一空的臂對(duì)準(zhǔn)分條機(jī)刀軸，分條機(jī)上安裝的一個(gè)推動(dòng)裝置推動(dòng)已完成分條作業(yè)的完整的刀具到十字換刀臂的一對(duì)臂上。十字換刀臂轉(zhuǎn)向到一個(gè)新的位置，將已排好的一套新刀具由十字換刀臂的推板推到分條軸上。當(dāng)十字換刀臂被移除后,分條機(jī)活動(dòng)機(jī)座歸位并鎖緊刀片隔套，然后可以重新啟動(dòng)。十字換刀臂驅(qū)動(dòng)到機(jī)器人的位置。在該位置機(jī)器人卸下使用過的刀具并且安裝新的排刀。更換刀具的時(shí)間可以在更換新卷的時(shí)間里完成。

圖2 機(jī)器人自動(dòng)換刀

安裝或拆卸刀具所需的時(shí)間（刀片、帶膠隔套和光隔套）取決于使用刀具的總數(shù)、機(jī)器人的周期時(shí)間和機(jī)器人的工作原理。分條機(jī)排刀計(jì)算軟件會(huì)優(yōu)化刀具排刀計(jì)劃,相對(duì)于常規(guī)計(jì)算程序少用20%的刀具。排刀周期時(shí)間是機(jī)器人所需要的安裝（卸下）一個(gè)刀具時(shí)間，從存儲(chǔ)的地方到夾臂，或從夾臂到存儲(chǔ)位置。機(jī)器人PRCS20 能夠一個(gè)周期內(nèi)處理一批刀具,如果刀具存儲(chǔ)在相同的刀臂上。機(jī)器人可以使用預(yù)構(gòu)建的刀具組合，比如隔套/帶膠隔套等等。分條機(jī)排刀機(jī)器人PRCS20 計(jì)算程序利用合適的刀具組合，實(shí)現(xiàn)周期時(shí)間小于4s 和總時(shí)間低于8min 來安裝或卸下一整套排刀。

機(jī)器人PRCS20 由門式鋼支架組成,運(yùn)載用于X和Z 軸的線性導(dǎo)向系統(tǒng)。機(jī)器人由轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱結(jié)構(gòu)組成，利用在地面上和天花板上軌道導(dǎo)向。高度動(dòng)態(tài)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)所有機(jī)器人PRCS20 的軸。在機(jī)器人上，有一個(gè)橫向收集夾具,拿起掛在刀臂的鋼支撐結(jié)構(gòu)上的刀具。額外的對(duì)接軸關(guān)閉夾具的上部和刀臂之間的間隙。夾具將一個(gè)周期拿起（放下）一個(gè)或多個(gè)刀具，用它長約450mm 長夾具臂作為一個(gè)刀具包。機(jī)器人用自己的夾具頭推桿安裝這個(gè)刀具包到十字換刀臂或一個(gè)刀庫里面預(yù)構(gòu)建的地方（如果十字換刀臂不可用）。當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)讀完卷料及分條數(shù)據(jù)，接著NLT 分條機(jī)排刀計(jì)算機(jī)計(jì)算所需刀具的數(shù)量。NLT 機(jī)器人控制傳輸?shù)毒咭粋€(gè)個(gè)到NLT 的PLC控制。NLT 的PLC 控制控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抓取每個(gè)單獨(dú)的刀具完全自動(dòng)化工作。

2.2 整線電氣自動(dòng)化組成及功能

整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)由直流驅(qū)動(dòng)，交流伺服驅(qū)動(dòng)及分布式I/O 從站、PLC 可編程系統(tǒng)等組成。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分為驅(qū)動(dòng)裝置和I/O 從站，與PLC 之間采用Profinet網(wǎng)絡(luò)通訊。

如圖3 所示，機(jī)組整線PLC 控制主要完成自動(dòng)化過程檢測(cè)，單體設(shè)備控制（點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)），順序聯(lián)鎖控制，機(jī)組運(yùn)行控制，自動(dòng)位置控制，機(jī)組正常停車和快停，速度控制,開卷控制，數(shù)據(jù)采集與操作監(jiān)控等功能。

圖3 PLC 整線電氣控制

PLC 從HMI（人機(jī)界面）上讀取每個(gè)鋼材的設(shè)定數(shù)據(jù)，操作人員也可通過HMI 進(jìn)行模式選擇和操縱現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；機(jī)組狀態(tài)、操作模式以及各種過程信息均在HMI 畫面上以一定的格式顯示出來，比如符號(hào)、按鈕、數(shù)值或棒狀圖等。

PLC 控制系統(tǒng)主要完成分條各工藝功能的控制，PLC 可根據(jù)需要完成速度設(shè)定、邏輯控制、監(jiān)控和報(bào)警等控制功能。設(shè)有I/O 從站，縮短大量信號(hào)線的傳輸長度，由通訊電纜匯總到PLC 系統(tǒng)，提高系統(tǒng)控制可靠性，PLC 與各自的遠(yuǎn)程I/O 站之間和各調(diào)速驅(qū)動(dòng)之間采用獨(dú)立通訊網(wǎng)絡(luò)，PLC 把設(shè)定參數(shù)和控制指令傳送到終端和各調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并收集各調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)和電氣控制參數(shù)，送到人機(jī)界面顯示[4]。

2.3 離線自動(dòng)打包用十字臂

實(shí)現(xiàn)了窄帶到寬帶，薄板到厚板全范圍覆蓋打包；手動(dòng)打包到自動(dòng)打包無縫銜接完美切換。十字臂上帶有琴鍵式打包壓臂，通過控制有軌臥式行走電機(jī)測(cè)量鋼材卷寬，將卷徑，分條寬度，打包位置等參數(shù)輸入打包機(jī)后，琴鍵壓臂壓住鋼材，舉升臂在打包位置兩側(cè)環(huán)繞，抬起一個(gè)或多個(gè)鍵，打開一個(gè)穿帶槽，打捆頭開始穿帶周向打包，打包完畢十字臂壓臂上升到上限位，十字臂旋轉(zhuǎn)到制定工位，下料完畢。如圖4 所示。

圖4 十字臂上周向打包

打包壓臂具有獨(dú)立旋轉(zhuǎn)功能，可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)定位及跟隨十字臂定位，配適十字臂是4 個(gè)臂。打包壓臂可手動(dòng)打包，同時(shí)具有自動(dòng)打包機(jī)移動(dòng)接口。

一個(gè)熟練工人每捆打包約2min，自動(dòng)打包機(jī)周向打包每根需要30～40s，以20 條計(jì)算每卷可節(jié)約30min。該設(shè)備完美銜接了分條線與自動(dòng)打包線，提高了整線的自動(dòng)化程度和效率。

2.4 高效全自動(dòng)堆垛系統(tǒng)

已分好條的鋼材由翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機(jī)垂直翻轉(zhuǎn)，經(jīng)輸送輥道輸送至打包工位，輸送輥道配高精度稱重裝置，在此工位上完成標(biāo)簽打印及貼標(biāo)。鋼材在打包工位完成徑向捆扎后，精確運(yùn)送至轉(zhuǎn)送工位，由磁力吸盤抓取并轉(zhuǎn)送至人工打包輥。鋼材堆垛所需要的棧板以及木墊塊同樣由全自動(dòng)運(yùn)輸小車定位堆垛，由PLC 邏輯控制鋼材和木塊交替進(jìn)行堆疊操作，一個(gè)堆疊周期結(jié)束后再復(fù)位重復(fù)進(jìn)行上述操作。

3 結(jié)束語

隨著我國勞動(dòng)力人口的減少，勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型迫在眉睫。我國制造業(yè)必須向高端化、精密化、自動(dòng)化發(fā)展，這也是我國科技創(chuàng)新、向高附加值產(chǎn)品轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。鋼材分條自動(dòng)打包線的出現(xiàn)將極大提高國內(nèi)板材分條的產(chǎn)品效率及自動(dòng)化程度，改變國內(nèi)行業(yè)在該領(lǐng)域上整體落后的狀況，大大增強(qiáng)產(chǎn)品在高端市場(chǎng)的競爭力，促進(jìn)鋼材配送、車輛制造、家用電器、開關(guān)電柜、鋼結(jié)構(gòu)辦公用品等相關(guān)行業(yè)更好更快發(fā)展，鞏固我國世界制造工廠的地位。