環(huán)保有機(jī)餐具濕壓成形伺服泵控液壓機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)

喬禮惠

（江蘇揚(yáng)力液壓裝備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

為有效阻止塑料污染，各國(guó)紛紛發(fā)出“禁塑令”，禁止使用不可降解的一次性塑料吸管和餐具，使塑料污染得到有效控制。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的可降解餐具主要由木纖維、竹纖維、甘蔗纖維等先制成濕漿再通過濕壓成形工藝制造，主要原料為自然植物，且填埋后短期可降解。有機(jī)餐具作為日常生活消耗品，市場(chǎng)需求量非常大，若采用傳統(tǒng)的人工操作方式生產(chǎn)難以保證市場(chǎng)供應(yīng)。為提升產(chǎn)能，提高生產(chǎn)效率，自動(dòng)化流水線生產(chǎn)是必然趨勢(shì)。通常一組漿料濕壓成形自動(dòng)化線包含液壓機(jī)、機(jī)器人、漿池、模具以及加熱、抽排氣裝置等，同時(shí)后道配置有切邊、印刷、包裝等設(shè)備，采用多組漿料濕壓成形自動(dòng)化線可構(gòu)成日產(chǎn)幾十噸濕漿的工廠，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品批量化規(guī)?；a(chǎn)。單組自動(dòng)化線布局如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化線布局圖

本文著重介紹伺服泵控液壓機(jī)的設(shè)計(jì)及控制原理，在機(jī)床布局上充分考慮焊接、加工通過能力，采用新穎的并排擺放方式，在控制系統(tǒng)上，根據(jù)產(chǎn)品濕壓成形工藝結(jié)合較長(zhǎng)時(shí)間的保壓過程以及上停取放料等待時(shí)間，采用公司已成熟的伺服泵控技術(shù)以及蓄能回程提速技術(shù)，將能源配比達(dá)到最佳狀態(tài)，既滿足節(jié)能、環(huán)保要求，又提升了機(jī)床的運(yùn)行效率。

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在一組漿料濕壓成形自動(dòng)化線中包含有兩臺(tái)伺服泵控液壓機(jī)，兩臺(tái)機(jī)床采用并列擺放，機(jī)床布局如圖2 所示。通過對(duì)有機(jī)餐具制品的加工工藝要求以及機(jī)器人上下料運(yùn)行軌跡的要求，同時(shí)兼顧到公司目前帶旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)加工中心的加工能力，最終確定液壓機(jī)主要參數(shù)為：公稱力1000kN；回程力210kN；工作臺(tái)有效尺寸1300mm×1100mm；主缸行程1350mm；開口高度1650mm；最大工作壓力25MPa；主缸快下速度≥350mm/s；主缸工進(jìn)速度1～100mm/s數(shù)字可調(diào)；主缸慢回速度1～10mm/s 數(shù)字可調(diào)；主缸快回速度≥300mm/s；兩臺(tái)機(jī)床并列擺放共用一只油箱，配置有兩組伺服泵組及兩套液壓插裝閥系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)兩只油缸運(yùn)行，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩113.3N·m；兩臺(tái)機(jī)床中心距2050mm。

圖2 機(jī)床布局圖

環(huán)保有機(jī)餐具濕壓成形工藝有加熱要求。目前采用循環(huán)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，加熱板平均溫度達(dá)到200℃。在加熱板與機(jī)床臺(tái)板之間雖然設(shè)置有模具隔熱板，但溫度仍會(huì)傳導(dǎo)到滑塊和立柱上。其他部分為金屬接觸影響不大，但油缸活塞桿如不采取隔熱措施會(huì)加速油缸密封圈的老化，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后有漏油隱患。為此，在油缸活塞桿與滑塊之間增加冷卻板，通過增加冷卻水循環(huán)進(jìn)行隔熱處理，可有效防止溫度向活塞桿傳導(dǎo)。隔熱裝置如圖3 所示。

圖3 活塞桿隔熱示意圖

2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用先進(jìn)的插裝閥集成結(jié)構(gòu)，插裝閥閥芯采用錐閥形式，密封性能好，具有通油能力大、抗污染能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、液壓沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，其液壓原理如圖4 所示。小流量高壓泵P1 與大流量低壓泵P2 為雙聯(lián)齒輪泵，通過共用的吸油口與油箱相連且由同一臺(tái)伺服電機(jī)M驅(qū)動(dòng)，小流量高壓泵的出口與插裝閥C1 的入口相連，大流量低壓泵的出口與插裝閥C2 及插裝閥C3 的入口相連，插裝閥C1 及插裝閥C2 的出口分別與主壓力油路的入口相連。插裝閥C3 的開啟關(guān)閉受電磁換向閥YV8 的控制，電磁換向閥YV8 的動(dòng)作受伺服驅(qū)動(dòng)器控制，裝于高壓泵口的壓力傳感器將采集到的壓力信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器將采集到的壓力信號(hào)與參數(shù)設(shè)置的數(shù)值進(jìn)行比較，通常參數(shù)設(shè)置為8MPa，當(dāng)采集到的壓力傳感器信號(hào)≥8MPa 時(shí)，驅(qū)動(dòng)器發(fā)出信號(hào)使得電磁換向閥YV8 失電，此時(shí)大流量低壓泵出來的油液將通過插裝閥C3 回油箱，僅有小流量高壓泵的出油提供到主壓力油路進(jìn)行加壓，通過高低壓切換從而減小裝機(jī)功率，節(jié)能效果顯著。

圖4 液壓原理圖

滑塊工進(jìn)到合模狀態(tài)主缸上腔壓力發(fā)訊從而進(jìn)入保壓狀態(tài)，利用保壓時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)此時(shí)對(duì)蓄能器進(jìn)行充液，通過電磁換向閥YV10 得電工作，主壓力油通過插裝閥C10 進(jìn)入到蓄能器中進(jìn)行補(bǔ)液，待蓄能器壓力發(fā)訊后使得電磁換向閥YV10 失電，完成蓄能器的充液動(dòng)作。當(dāng)滑塊回程由慢回轉(zhuǎn)為快回時(shí)，電磁換向閥YV10 得電工作，蓄能器中的壓力油經(jīng)插裝閥C10 進(jìn)入到主壓力油路中從而滿足滑塊快速回程要求。液壓系統(tǒng)電磁閥動(dòng)作順序如表1 所示。

表1 電磁閥動(dòng)作順序表

3 電氣控制系統(tǒng)

漿料濕壓成形自動(dòng)化線智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)漿池自動(dòng)注漿、濕漿纖維密度檢測(cè)、高溫高壓成形、模具溫度調(diào)整、機(jī)器人、抽排氣控制等整線所有設(shè)備部件的協(xié)調(diào)控制，并可與企業(yè)主網(wǎng)連接通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)信息采集與處理，實(shí)現(xiàn)MES 與生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)集成，生產(chǎn)線可靠性高，能滿足24h 連續(xù)生產(chǎn)?？偪夭捎梦鏖T子S7-1500 系列PLC，通過PROFINET 總線分別與伺服液壓機(jī)、機(jī)器人以及遠(yuǎn)程I/O 模塊進(jìn)行連接，通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在PROFINET 中使用了IT 技術(shù)，支持從辦公室到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息集成，從而為企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)MES 提供了一個(gè)開放的平臺(tái)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 暫停防沖擊措施

機(jī)器人通過帶動(dòng)端拾器將成形的潮濕產(chǎn)品從漿池中取出并送至機(jī)床模具中，有時(shí)會(huì)由于模具吹氣孔被雜質(zhì)堵住而導(dǎo)致產(chǎn)品無法放入模具中仍吸附在機(jī)器人端拾器上，當(dāng)檢測(cè)到此種情況時(shí)生產(chǎn)線會(huì)發(fā)出報(bào)警。為不影響接下來的取料需要人為干預(yù)，按下暫停按鈕后停止機(jī)床動(dòng)作并通過人工將產(chǎn)品移除同時(shí)將氣孔穿透。由于機(jī)器人放完料移出機(jī)床身便發(fā)出滑塊下行信號(hào)，滑塊此時(shí)將以350mm/s 的速度下行，若突然停止則在油缸下腔會(huì)產(chǎn)生很大的壓力沖擊，極易造成油缸下腔密封圈漏油或爆管，對(duì)于有機(jī)餐具產(chǎn)品來說漏油是絕對(duì)不允許的。通過現(xiàn)場(chǎng)研究實(shí)驗(yàn)，最終采用程序軟件調(diào)整的方式加以解決：當(dāng)接收到暫停信號(hào)時(shí)，滑塊快下動(dòng)作先轉(zhuǎn)成工進(jìn)動(dòng)作，延時(shí)0.3s 后停止下行動(dòng)作，因工進(jìn)動(dòng)作時(shí)在油缸下腔建立了3MPa～5MPa 的背壓，可有效避免突然停止時(shí)的液壓沖擊。

3.2 預(yù)壓成形

當(dāng)端拾器將成形的潮濕產(chǎn)品放置到機(jī)床加熱模具中時(shí)，滑塊往下運(yùn)行進(jìn)行壓制動(dòng)作時(shí)并不是一次性就建立高壓，而是分成兩次加壓動(dòng)作，第一次建壓壓力只有最終壓力的50%左右，通過預(yù)壓可實(shí)現(xiàn)潮濕產(chǎn)品中的水分快速擠出，間隔一段時(shí)間后再進(jìn)行終壓，通過預(yù)壓工藝的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)餐具產(chǎn)品的快速烘干成形，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)成形時(shí)間可提升5s～8s，可節(jié)約大量能源，有效降低生產(chǎn)成本。

4 安全保護(hù)

加熱模具牽涉到抽排氣，所以需在模具上設(shè)計(jì)有很多小細(xì)孔，在將潮濕的產(chǎn)品進(jìn)行高溫高壓成形中，會(huì)有雜質(zhì)隨著水分流過細(xì)孔，易將模具細(xì)孔堵塞。另外下模設(shè)置有不銹鋼絲網(wǎng)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱需要每班次更換。這樣不管是清理模具細(xì)孔、更換絲網(wǎng)或者更換模具都需要將機(jī)床滑塊安全?？吭谏舷尬淮_保安全。但受限于機(jī)床布局無法采用支桿進(jìn)行支撐，只能在滑塊與上橫梁之間通過支座等方式進(jìn)行連接起鎖緊作用。常規(guī)機(jī)床在滑塊上平面與上橫梁下平面之間的空檔里布置鎖緊缸及支座來實(shí)現(xiàn)滑塊上限位鎖緊從而避免滑塊意外掉落，但在本加熱成形機(jī)床上此種鎖緊裝置卻不太適用，因?yàn)椴贾迷诨瑝K上平面與上橫梁下平面之間當(dāng)滑塊回程到頂鎖緊后無法直接觀察是否已鎖緊到位，另外就是當(dāng)鎖緊缸損壞要維修更換或接近開關(guān)松動(dòng)需緊固時(shí)，因模具溫度太高人員將無法上去操作。鑒于以上原因，研究設(shè)計(jì)了一種新穎的安全栓機(jī)構(gòu)，如圖6 所示。此機(jī)械式安全栓機(jī)構(gòu)是在原液壓、電動(dòng)及氣動(dòng)安全栓機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，將其安裝在機(jī)床的后側(cè)面，人在機(jī)床后側(cè)便能觀察到安全栓的狀態(tài)，再通過儲(chǔ)氣罐、氣閥等實(shí)現(xiàn)對(duì)氣缸的伸縮控制，設(shè)計(jì)有感應(yīng)開關(guān)與機(jī)床動(dòng)作進(jìn)行連鎖，在解鎖時(shí)通過程序編制實(shí)現(xiàn)滑塊的短回程動(dòng)作，使安全桿與鎖定鉤脫離后通過氣缸拉動(dòng)安全桿脫離鎖定位置，設(shè)置有安全栓抬起檢測(cè)開關(guān)，信號(hào)與主機(jī)動(dòng)作互鎖。

圖6 安全栓機(jī)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

隨著全球“禁塑令”的推廣普及，作為“朝陽產(chǎn)業(yè)”的可降解植物纖維漿料濕壓成形環(huán)保有機(jī)餐具將迎來蓬勃發(fā)展，作為植物纖維高溫高壓成形母機(jī)的伺服泵控液壓機(jī)也必將迎來更加廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本文通過分析伺服液壓機(jī)的機(jī)身布局、控制系統(tǒng)及安全保護(hù)裝置，可以得出以下結(jié)論：

（1）機(jī)身的并列擺放可有效提高生產(chǎn)效率及充分利用工藝保壓時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，保證機(jī)器人臂展長(zhǎng)度與漿池完美結(jié)合，同時(shí)充分考慮到公司焊接、加工通過能力，為客戶降低投資成本；

（2）控制系統(tǒng)采用電氣控制、液壓系統(tǒng)及蓄能器的有效結(jié)合，滿足特殊工藝的應(yīng)用要求并與外圍信號(hào)連接上實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，有效提高整線的運(yùn)行可靠性，滿足24h 連續(xù)生產(chǎn)；

（3）對(duì)使用過程中存在的安全問題加以解決，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)采用可視化、安全系數(shù)更高的安全栓裝置，確保機(jī)床設(shè)備及維護(hù)人員的安全。