50000kN全自動(dòng)AT軌跟端成形熱模鍛生產(chǎn)線研制

周志江

（合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

鋼軌道岔是鐵路人字分岔線必不可少的關(guān)鍵零件，鋼軌道岔件的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。近年來(lái)，隨著中國(guó)高鐵技術(shù)的迅速發(fā)展，鐵路產(chǎn)業(yè)逐漸成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。鐵路建設(shè)中的許多關(guān)鍵零部件大多采用鍛造生產(chǎn)工藝，因此，提供鍛造生產(chǎn)的工藝裝備必須滿足生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、人力配置少等要求。

1 生產(chǎn)線主要設(shè)計(jì)思路

全自動(dòng)AT軌跟端成形生產(chǎn)線依據(jù)現(xiàn)代數(shù)字控制理論，結(jié)合自動(dòng)物料傳輸系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)、數(shù)控四工位模鍛液壓機(jī)、多軸同步工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼軌鍛造生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、程序化，大大提高生產(chǎn)效率，大幅度降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)采用成熟的聯(lián)線生產(chǎn)模式，可以一次性完成原料從輸入到成品輸出的全自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程，徹底改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，提高工件成品率。

2 生產(chǎn)線的主要組成

全自動(dòng)AT軌跟端成形生產(chǎn)線由自動(dòng)物料傳輸系統(tǒng)、自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)、數(shù)控四工位模鍛液壓機(jī)和多軸同步工業(yè)機(jī)器人等主要部分組成。

2.1 自動(dòng)物料傳輸系統(tǒng)

（1）物料上傳。在整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中物料的上傳采用多節(jié)點(diǎn)遞進(jìn)的方式，各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置數(shù)字信號(hào)采集點(diǎn)，統(tǒng)一上傳到PLC控制中心。當(dāng)上料架的初始位首次放入物料，系統(tǒng)接到有料數(shù)字信號(hào)后，上料架自動(dòng)遞進(jìn)式向前傳遞物料，直到物料到達(dá)上料架的終端并觸動(dòng)物料就緒數(shù)字信號(hào)，完成物料的上傳工作。

（2）物料下傳。在整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中物料的下傳采用多節(jié)點(diǎn)遞進(jìn)的方式，各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置數(shù)字信號(hào)采集點(diǎn)，統(tǒng)一上傳到PLC控制中心。當(dāng)工件加工完成后，由機(jī)器人將物料送入下料架的初始位，系統(tǒng)接到有料數(shù)字信號(hào)后，下料架自動(dòng)遞進(jìn)式向后傳遞物料，直到物料到達(dá)下料架的終端（即下一工序正火的起點(diǎn)）并觸動(dòng)物料就緒數(shù)字信號(hào)，完成物料的上傳工作。

（3）物料正火滾動(dòng)傳輸。接到正火位物料就緒數(shù)字信號(hào)，控制中心檢測(cè)到物料已達(dá)到適合的工藝溫度，指示輥道傳輸系統(tǒng)將物料傳入正火爐腔內(nèi)進(jìn)行正火，通過(guò)爐腔內(nèi)的紅外測(cè)溫儀實(shí)時(shí)探測(cè)物料溫度并不斷采集數(shù)字信號(hào)上傳到控制中心，物料達(dá)到正火工藝溫度時(shí)，控制中心指示中頻感應(yīng)加熱爐停止工作，同時(shí)指示輥道傳輸系統(tǒng)將物料傳出爐腔，最終完成物料的生產(chǎn)傳輸并發(fā)出報(bào)警。圖1為自動(dòng)物料傳輸系統(tǒng)。

2.2 自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)

自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)由數(shù)控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自動(dòng)吹氣模塊、自動(dòng)潤(rùn)滑模塊等組成。自主開發(fā)的數(shù)控驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用伺服驅(qū)動(dòng)，由觸發(fā)式信號(hào)自動(dòng)運(yùn)行，即機(jī)構(gòu)接到控制中心傳來(lái)的鍛造完成數(shù)字指令后，按預(yù)設(shè)的動(dòng)作工藝過(guò)程，自行驅(qū)動(dòng)吹氣模塊和潤(rùn)滑模塊進(jìn)入模腔進(jìn)行吹氧化皮和噴涂潤(rùn)滑液。自動(dòng)吹氣模塊按預(yù)定的工藝過(guò)程，在識(shí)別驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置信號(hào)后，將自行開啟閥門吹掉模腔內(nèi)的氧化皮等雜物。自動(dòng)潤(rùn)滑模塊按預(yù)定的工藝過(guò)程，在識(shí)別驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置信號(hào)后，將自行開啟閥門向上下模腔表面噴涂霧狀潤(rùn)滑液。圖2為自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)。

圖1 自動(dòng)物料傳輸系統(tǒng)

圖2 自動(dòng)噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)

2.3 數(shù)控四工位模鍛液壓機(jī)

在普通數(shù)控液壓機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的數(shù)控四工位模鍛液壓機(jī)，是整個(gè)自動(dòng)線數(shù)控化生產(chǎn)的核心之一。采用成熟的伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)完成對(duì)模鍛液壓機(jī)多工位的精準(zhǔn)控制，具有工位位置無(wú)級(jí)可調(diào)、多工位重復(fù)定位精度高、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)。整個(gè)控制系統(tǒng)均有Profibus-DP的總線控制，解決了模鍛液壓機(jī)與物料傳輸系統(tǒng)、噴淋潤(rùn)滑系統(tǒng)、多軸同步工業(yè)機(jī)器人、中頻感應(yīng)加熱爐、中頻感應(yīng)正火爐等功能部件協(xié)同作業(yè)的控制問(wèn)題。

總體控制思路是采用SIEMENS PLC控制。全數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件包括：上位機(jī)、加熱系統(tǒng)（設(shè)為從站 1）、送出料系統(tǒng)（設(shè)為從站2）、壓機(jī)控制系統(tǒng)（設(shè)為從站3）、吹氧化皮系統(tǒng)（設(shè)為從站4）、噴潤(rùn)滑劑系統(tǒng)（設(shè)為從站5）、主控制 HMI（設(shè)為從站 6）、現(xiàn)場(chǎng) HMI（設(shè)為從站 7）。具體的從站設(shè)定由設(shè)計(jì)時(shí)確定。

上位機(jī)采用 SIEMENS S7，安裝在主控制電氣柜中，其主要功能：各過(guò)程參數(shù)，形成壓機(jī)的壓力，行程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（報(bào)表系統(tǒng)，歷史曲線，并能實(shí)現(xiàn)打印輸出），通過(guò)采集壓機(jī)、送出料機(jī)構(gòu)、中頻加熱爐等子控制系統(tǒng)的各點(diǎn)I/O，最終形成整個(gè)系統(tǒng)完善的報(bào)警系統(tǒng)。

數(shù)字控制系統(tǒng)（即從站1加熱系統(tǒng)、從站2送出料系統(tǒng)、從站3壓機(jī)控制系統(tǒng)、從站4吹氧化皮系統(tǒng)、從站5噴潤(rùn)滑劑系統(tǒng)）的工藝動(dòng)作，發(fā)出控制指令，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)動(dòng)作，最終完成制件的合格制品。

2.4 多軸同步工業(yè)機(jī)器人

需要加工的工件長(zhǎng)度5～25米，多軸數(shù)控專用工業(yè)機(jī)器人，具有多軸同步響應(yīng)快，同步精度高等特點(diǎn)。多軸工業(yè)機(jī)器人包括：垂直向五軸運(yùn)動(dòng)同步機(jī)構(gòu)、水平向五軸旋轉(zhuǎn)同步機(jī)構(gòu)、水平向兩軸行走同步機(jī)構(gòu)。

（1）垂直向五軸液壓同步。工件的抓取共采用五個(gè)機(jī)械手，五個(gè)機(jī)械手在上下方向的運(yùn)行是分別驅(qū)動(dòng)的，均采用高頻響比例伺服控制相應(yīng)的液壓缸，實(shí)現(xiàn)5個(gè)液壓軸同步運(yùn)動(dòng)。上下的五軸同步控制程序，采用成熟的伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，減少了誤差，提高了同步精度和響應(yīng)速度。

伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)工作時(shí)，位移傳感器實(shí)時(shí)記錄機(jī)械手的位移量，該位移量是模擬量，必須通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便輸入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)每隔一定時(shí)間T對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)采樣一次（時(shí)間間隔T為采樣周期），經(jīng)比較后得出誤差信號(hào)，再按控制算法進(jìn)行運(yùn)算，將算出的控制信號(hào)進(jìn)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量送到液壓伺服系統(tǒng)，即通過(guò)控制比例伺服閥開口量的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手速度的控制，從而達(dá)到最終控制機(jī)械手的位置。其構(gòu)成如圖3所示。

圖3 計(jì)算機(jī)控制的液壓伺服系統(tǒng)

（2）水平向五軸旋轉(zhuǎn)液壓同步。五個(gè)機(jī)械手上分別設(shè)計(jì)了可旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)夾頭，五個(gè)夾頭的旋轉(zhuǎn)是分別驅(qū)動(dòng)的，均采用高頻響比例伺服控制相應(yīng)的液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)5個(gè)運(yùn)動(dòng)夾頭旋轉(zhuǎn)同步。五軸的旋轉(zhuǎn)同步控制程序，采用成熟的伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)，減少了誤差，提高了同步精度和響應(yīng)速度。

（3）水平向兩軸行走同步機(jī)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人長(zhǎng)約25米，行走采用前后兩軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，兩個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩端，采用閉環(huán)控制方式，行走兩軸同步精度高，響應(yīng)時(shí)間快，并可以數(shù)字化控制其行走速度及定位位置等，并能實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控制。圖4為多軸同步工業(yè)機(jī)器人。

圖4 多軸同步工業(yè)機(jī)器人

3 結(jié)束語(yǔ)

由全自動(dòng)生產(chǎn)線生產(chǎn)的AT鋼軌跟端鍛造零件，成形過(guò)程連續(xù)化，工件鍛造后充分利用物料下傳的過(guò)程自然冷卻，在冷卻到一定的工藝溫度時(shí)，能及時(shí)利用余溫連續(xù)進(jìn)行正火熱處理，較傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式節(jié)能。同時(shí)，這種自動(dòng)生產(chǎn)模式大大降低了人工物料的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，生產(chǎn)效率可以提高80%以上，產(chǎn)成品合格率提高，質(zhì)量穩(wěn)定，零件材料損耗降低，人工成本降低。所提供的5000噸全自動(dòng)AT軌跟端成形生產(chǎn)線，到目前為止是國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化程度較高、數(shù)控技術(shù)運(yùn)用較全面的專用熱成形鍛造生產(chǎn)線。