船用銅鎳合金凸緣自動(dòng)化成形裝置設(shè)計(jì)

楊青云，馬博榮，馬俊普，呂光輝，張志遠(yuǎn)，郁 炎

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽(yáng) 471039）

1 引言

銅鎳合金材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、抗海生物污損及其他綜合性能，是替代紫銅、不銹鋼等用于海水環(huán)境的理想材料，在國(guó)內(nèi)外造船業(yè)和海洋工程業(yè)中被大量采用[1]，其中凸緣在銅鎳合金管件中占有較大比重。

圖1 銅鎳合金凸緣結(jié)構(gòu)

凸緣與鋼法蘭配套成松套法蘭進(jìn)行使用，與整體式法蘭相比，其具備同等的耐蝕性能，并且由于螺栓連接單元采用鋼法蘭替代銅鎳法蘭，能夠大幅降低材料成本，因此在船舶海水管系建造中得到廣泛應(yīng)用。

凸緣采用熱擠壓方式，在油壓機(jī)上壓制成形，其生產(chǎn)過(guò)程主要依賴于多人的人工協(xié)作，伴隨有大量的重復(fù)搬運(yùn)和動(dòng)作浪費(fèi)，技術(shù)落后，效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度高，產(chǎn)能嚴(yán)重受限，人力成本居高不下。此外，成形過(guò)程中潤(rùn)滑劑受熱產(chǎn)生大量煙塵，存有燙傷、砸傷、呼吸道感染等安全隱患。為解決上述問(wèn)題，針對(duì)凸緣成形各工序特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了凸緣成形的自動(dòng)化產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了從上料—加熱—傳輸—壓制—退料—潤(rùn)滑全流程的自動(dòng)化和無(wú)人化，本文以“安全性、連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、精益性”為設(shè)計(jì)理念，以消除浪費(fèi)、減人增效為目標(biāo)，以低成本、高效益為宗旨，利用PLC 工控技術(shù)、模具工裝設(shè)計(jì)等方法開展凸緣成形自動(dòng)化產(chǎn)線研制，全方位實(shí)現(xiàn)以機(jī)代人，提高生產(chǎn)效率，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，對(duì)國(guó)內(nèi)鍛壓行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線改造有一定的借鑒意義。

2 凸緣自動(dòng)化成形裝置總體方案設(shè)計(jì)

凸緣自動(dòng)化成形裝置（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)化裝置）主要包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩部分，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以工件搬運(yùn)為主線，利用若干機(jī)構(gòu)的有序配合替代人工操作，達(dá)到減少人員、提高效率、消除浪費(fèi)的目的；軟件開發(fā)則利用工控技術(shù)實(shí)現(xiàn)成形過(guò)程信號(hào)的監(jiān)測(cè)、邏輯判斷、油壓機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等。

為滿足工業(yè)應(yīng)用要求，凸緣自動(dòng)化成形裝置應(yīng)具備以下特征：

（1）不改變?cè)蛪簷C(jī)的位置前提下，自動(dòng)化裝置布局緊湊，運(yùn)行高效；

（2）自動(dòng)化裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，以便維修、裝配和運(yùn)輸，工件在各個(gè)模塊間傳送平穩(wěn)、連續(xù)，重復(fù)精度高；

（3）自動(dòng)化裝置控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，以適應(yīng)不同類型產(chǎn)品的成形；

（4）能夠采集和監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)展示溫度、位移等信號(hào)，能夠?qū)ν咕壣a(chǎn)數(shù)量計(jì)數(shù)；

（5）考慮系統(tǒng)擴(kuò)展能力，預(yù)留I/O 點(diǎn)和通訊接口；

（6）控制系統(tǒng)安全可靠。遇到故障時(shí)能夠自動(dòng)緊停，發(fā)出警報(bào)，同時(shí)能夠?qū)⒐收显蚍答佒劣|摸屏、機(jī)旁及遠(yuǎn)程均設(shè)置緊停按鈕；

（7）具有多級(jí)質(zhì)量管控點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生缺料或檢測(cè)信號(hào)與工藝要求不一致時(shí)，能夠自動(dòng)剔除不合格產(chǎn)品，并發(fā)出異常警報(bào)。

3 自動(dòng)化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，自動(dòng)化裝置由液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、上料分選機(jī)構(gòu)、中頻加熱裝置、高溫輸送帶，雙軸機(jī)械臂、油壓機(jī)、自動(dòng)噴淋機(jī)構(gòu)和相應(yīng)規(guī)格的可自動(dòng)卸料凸緣模具組成，設(shè)備整體呈“U”字形布局，符合一個(gè)流的生產(chǎn)特點(diǎn)。

圖2 凸緣自動(dòng)化成形裝置組成

3.1 液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)工件的批量化上料，最大翻轉(zhuǎn)重量達(dá)20kN。鋸切好的工件無(wú)規(guī)則地放置于料框內(nèi)，料框固定于翻轉(zhuǎn)裝置的支架上，液壓缸驅(qū)動(dòng)支架旋轉(zhuǎn)迫使料框中的工件在重力作用下批量滑入分選裝置的料斗中，最大可旋轉(zhuǎn)角度為150°。

3.2 上料分選機(jī)構(gòu)

如圖3 所示，上料分選機(jī)構(gòu)由料斗、頂升機(jī)構(gòu)、軌道和分選機(jī)構(gòu)等組成，其中頂升機(jī)構(gòu)呈三階梯狀，當(dāng)接近開關(guān)檢測(cè)軌道上缺料時(shí)，立刻發(fā)出補(bǔ)料命令至控制系統(tǒng)觸發(fā)頂升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，料斗內(nèi)工件在頂升機(jī)構(gòu)的作用下提升至補(bǔ)料軌道上排列，軌道的頂部和側(cè)邊均設(shè)有擋板，姿態(tài)不正確的工件經(jīng)檔桿自動(dòng)分選后沿滑道重新返回料斗。

圖3 上料分選機(jī)構(gòu)組成

3.3 中頻加熱裝置

中頻加熱裝置用于實(shí)現(xiàn)管段的升溫，最高加熱溫度可達(dá)1200℃，與傳統(tǒng)的電阻爐加熱相比，中頻感應(yīng)加熱能夠有效縮短加熱時(shí)間，減少氧化皮厚度，更加適合單件流的作業(yè)模式。原有中頻加熱裝置爐膛為圓形，工件立放于爐膛內(nèi)，由于工件屬直徑大于長(zhǎng)度的特點(diǎn)，容易傾倒，工件間還常因鋸屑未清理干凈而產(chǎn)生粘連。此外，人為下料引起的長(zhǎng)度偏差還會(huì)導(dǎo)致累計(jì)誤差的形成，不利于自動(dòng)化操作。因此，本文優(yōu)化了中頻加熱裝置爐膛，采用長(zhǎng)方形爐膛，如圖4 所示，工件平放于模腔內(nèi)，推桿每次推進(jìn)距離等于工件外徑，由于工件外徑一致，從而消除了累積誤差。

圖4 中頻加熱裝置爐膛改進(jìn)前后對(duì)比

中頻加熱裝置出口處設(shè)有滑道，高溫工件沿滑道滑至高溫輸送帶，再由高溫輸送帶傳送至壓機(jī)前方定點(diǎn)。

3.4 雙軸機(jī)械臂

機(jī)械臂作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)從高溫輸送帶定點(diǎn)向模腔中心的搬運(yùn)。機(jī)械臂選型主要依據(jù)用途、負(fù)載、自由度、最大運(yùn)動(dòng)范圍、重復(fù)精度、運(yùn)行速度、機(jī)械臂重量、制動(dòng)與慣性力矩、防護(hù)等級(jí)等9 個(gè)方面[2]。由于凸緣成形過(guò)程機(jī)械臂僅用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的搬運(yùn)，工件最大重量為6kg，考慮夾具自身重量，選用雙軸機(jī)械臂，最大承受負(fù)載15kg，重復(fù)精度達(dá)0.2mm。

3.5 油壓機(jī)

油壓機(jī)的作用是將加熱工件在模腔內(nèi)壓制成為滿足機(jī)加工要求的凸緣毛坯。項(xiàng)目基于6300kN 油壓機(jī)實(shí)施改造，實(shí)現(xiàn)DN20～DN65 規(guī)格的凸緣的自動(dòng)化成形。油壓機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入控制系統(tǒng)，其按照預(yù)設(shè)的時(shí)序進(jìn)行壓制與回程。

3.6 可自動(dòng)卸料模具

如圖5 所示，可自動(dòng)卸料模具用于實(shí)現(xiàn)凸緣的成形，其采用正擠壓方式，模具的最大特色是壓機(jī)回程期間利用擋板迫使毛坯與芯桿分離，并沿滑道滑入成品框，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸料，從而節(jié)約一臺(tái)專用下料機(jī)械臂。

圖5 凸緣可自動(dòng)卸料模具設(shè)計(jì)

3.7 自動(dòng)噴淋機(jī)構(gòu)

自動(dòng)噴淋機(jī)構(gòu)起潤(rùn)滑和降溫雙重功效，其采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。壓機(jī)完成壓制回程至上止點(diǎn)后，安裝于模具周圍的四個(gè)噴槍對(duì)準(zhǔn)壓頭和下模的受熱區(qū)域噴淋石墨乳，噴淋的時(shí)機(jī)與延續(xù)時(shí)間由PLC 控制。

4 自動(dòng)化裝置軟件開發(fā)

控制系統(tǒng)是自動(dòng)化裝置的神經(jīng)中樞，其采集位移傳感器、溫度傳感器及限位開關(guān)等信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理及邏輯判斷，輸出控制命令，驅(qū)動(dòng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)既定功能，自動(dòng)化裝置采用三菱PLC+觸摸屏的工業(yè)控制方案。PLC 又稱可編程控制器，具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但其顯示能力差，用戶難以直觀地在界面上觀測(cè)與設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)；觸摸屏作為顯示終端，彌補(bǔ)了PLC 顯示能力差的缺陷[2]。PLC 與觸摸屏間通過(guò)串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 凸緣自動(dòng)化成形控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 硬件選型

經(jīng)分析共有23 個(gè)開關(guān)輸入量、14 個(gè)開關(guān)輸出量和2 路模擬量輸入。根據(jù)信號(hào)的類型、數(shù)量和控制要求，結(jié)合系統(tǒng)冗余原則（通常20%～30%的備用原則[3]），選用三菱FX3U-64MT/ES-A 型號(hào)的PLC 作為控制核心，該模塊包含32 個(gè)輸入點(diǎn)和32 個(gè)輸出點(diǎn)，配備64K 大容量的RAM 存儲(chǔ)器；選用三菱FX2N-4AD 作為PLC 的擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)模擬量的采集，該模塊包含4 路模擬量輸入；選用信捷TG765-MT 型號(hào)的觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。

4.2 PLC 程序設(shè)計(jì)

PLC 軟件開發(fā)流程通常分為五步：①確定I/O地址的分配；②確定程序總體結(jié)構(gòu)；③編寫各個(gè)子模塊程序，分別調(diào)試實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能；④設(shè)計(jì)通信模塊功能；⑤集成各子程序及通信模塊，驗(yàn)證系統(tǒng)功能[4]。

三菱PLC 一般有三種編程方式：梯形圖編程、指令語(yǔ)句表編程、步進(jìn)順控圖編程（SFC）。本文采用SFC 方式編程，它是一種專用于工業(yè)順序控制程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，能夠完整描述控制系統(tǒng)的工作過(guò)程、功能和特性[5]，適用于機(jī)械動(dòng)作設(shè)備的編程。

為確?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行安全可靠，軟件功能開發(fā)過(guò)程還專項(xiàng)設(shè)計(jì)了安保模塊、質(zhì)保模塊與計(jì)數(shù)模塊。

安保模塊：在PLC 內(nèi)對(duì)所有安全管控點(diǎn)實(shí)施編程，其原則是只有當(dāng)檢測(cè)或反饋的信號(hào)全部滿足預(yù)設(shè)條件時(shí)，方才觸發(fā)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，發(fā)生異常情況時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)聲光報(bào)警，并將故障原因反饋至上位機(jī)界面。

質(zhì)保模塊：在PLC 設(shè)置了多級(jí)過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)點(diǎn)，自動(dòng)剔除不滿足溫度等工藝要求的產(chǎn)品。

計(jì)數(shù)模塊：根據(jù)壓機(jī)壓制次數(shù)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)量。

自動(dòng)化裝置控制流程如圖7 所示。

圖7 PLC 控制流程

4.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)I/O 的實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)置參數(shù)下行、系統(tǒng)調(diào)試和異常信息反饋等功能。本文控制系統(tǒng)上位機(jī)程序采用TouchWin V2 組態(tài)軟件，通過(guò)RS485 串口方式與PLC 相連[9]。

如圖8 所示，上位機(jī)程序主界面分為運(yùn)行界面、調(diào)試界面、報(bào)警界面和I/O 監(jiān)控界面。

圖8 上位機(jī)程序界面

運(yùn)行界面：控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置區(qū)域，如手動(dòng)/自動(dòng)切換，急停等，以及產(chǎn)量、機(jī)械臂位置等關(guān)鍵參數(shù)的顯示。

調(diào)試界面：用于設(shè)備調(diào)試階段，顯示和設(shè)置與設(shè)備自身相關(guān)，相對(duì)固定的參數(shù)。

報(bào)警界面：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如工件溫度、壓機(jī)行程等，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，迅速發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)記錄故障信息。

I/O 監(jiān)控界面：對(duì)PLC 所有的輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于三菱PLC 開發(fā)了銅鎳合金凸緣的自動(dòng)化成形裝置，重點(diǎn)介紹了自動(dòng)化裝置的軟、硬件組成，剖析了控制系統(tǒng)的功能和實(shí)現(xiàn)方法。

研制的凸緣自動(dòng)化成形裝置實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離，作業(yè)人數(shù)由4 人降為1人，且僅負(fù)責(zé)監(jiān)管，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，節(jié)拍時(shí)間從53s 縮短至29s，產(chǎn)能提升超過(guò)一倍，同時(shí)徹底消除了粘料、累計(jì)誤差等異常中斷問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的本質(zhì)安全，設(shè)備的產(chǎn)出/投入比超過(guò)25，為建設(shè)管件成形數(shù)字化車間打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。