智能化在锻造生产线自动化改造中的应用

文/林丽·东风锻造有限公司

智能化在锻造生产线自动化改造中的应用

文/林丽·东风锻造有限公司

本文主要以我公司俄罗斯80MN锻造生产线自动化改造为蓝本，探讨了锻造生产线的设备布局对生产线效率发挥及产品质量的影响程度，并探讨了各类自动化装置在自动化改造中的应用，以提升生产线智能化水平。

中国经济已经从投资经济向创新经济转型，国内锻造行业近10年依靠投资引进的万吨级以上的锻造生产线有近20条，保守估计年产大型锻件超过60万吨。工业4.0是以智能制造为主导的第四次工业革命，一个制造高效率化、高品质化、高智能化的时代正向我们大踏步走来。发挥现有设备的最大产能，通过智能化的改造提升设备效率，在此契机下，我公司启动了对俄罗斯80MN锻造生产线进行布局优化及自动化改造的项目。

设备布局优化方案说明

原设备配置、布局及存在的问题

⑴设备布置。

俄罗斯80MN生产线是我公司2002年从俄罗斯引进的一条锻造生产线，生产线配置包括2台1250kW的加热床、φ1000mm的辊锻机、80MN热模锻压力机、操作机械手和1250t切边压床，同时配置两条传送带和一条控温炉。生产线布置图如图1所示。

⑵存在的问题。

图1 80MN生产线布置图

该生产线加热床出料口距离主机侧窗口10.6m，经过实测坯料从加热床出口到达辊锻机喂料钳的时间为17s，辊锻后至T2接料位时间为39s，辊坯从T2传送到预锻位时间为59s，工步时序图见图2。由于物流距离长引起了坯料温度的明显下降，温度变化曲线如图3所示。由此带来了大量的零件质量问题，主要集中在零件未充满和尺寸超差，具体分布如图4所示。

图2 工步时序

图3 温度变化曲线图

图4 质量缺陷分布

同时由于是双炉并行的生产方式，在实际加热过程中常常发生两台加热床同时出料的情况，为此必须甩料，还必须调整节拍或电压，以便保证后续生产的连续。

由此可以看出，最大限度的缩短加热床至主机的距离尤为重要，在加热床加热功率不变的前提下更新为单炉连续性加热方式，同时对布局进行大幅度调整以便满足各工步间的节拍匹配。

布局优化后的方案

取消原有的主机机械手，新增一台KUKA机器人，实现辊锻与非辊锻件的主机送料动作，同步辊锻机前移8.3m，侧向移动2m，安装在主机飞轮下侧，加热床同步前移8.6m。

优化后的优点：非辊锻件传送时间可缩短20～25s。辊锻件传送时间缩短15s。坯料锻造时的温度较原布局相比上升100℃，大大降低了锻造成形力。

自动化改造方案说明

加热床改造前的现状

⑴进料部分。

进料机构采用气缸进油方式推料，返程时气缸进气推动，气缸速度受流量大小和气压波动影响较大，而流量的大小靠球阀控制，调整困难，无法实现精准调节。

⑵出料部分。

采用双炉双列布局（2×1250kW），出炉口的坯料操作人员可随意调整节拍，双炉同时出料的现象经常发生。随着主机工位机器人投入运行，出料节拍的不一致，造成坯料主机位等待，坯料的温度下降很快，直接造成锻压机超吨位报警，锻件品质下降。

⑶电源部分。

温度反馈开环，且A、B双电源为独立供电的分离电源，两台电源及电容柜内元器件技术参数上存在微量偏差，造成坯料温度在±50℃的范围波动。

加热床改造方案说明

⑴改造方案简述。

①布局方式双炉单列，分区控制。为保证坯料快速达到居里点，一台电源控制加热节感应器，使坯料快速加热到800℃以上，另一台电源控制升温节和均温节感应器，感应器总长7500mm；

②为提高加热质量、防止粘料，采用夹辊进料方式。每个滚轮间有一定的速度差，速度差控制在5%以内。

③步进式上料、同时储备热清空装置用以实现在线清空，即在正常生产情况下可将最后一根坯料生产完成；

④增加温度闭环反馈，触摸屏菜单式自动控制，同时根据进料的速度及坯料状况，功率自动分配，在线热清空时也自动调整电压。

⑵自动上料方案。

①对于坯料长度尺寸小于450mm的坯料，采用阶梯上料的方式。该机构主要由阶梯上料机（油压系统）、翻料机构、进料检测机构组成。通过天车将料箱内的坯料倾倒入专用料斗内，再使用天车将料斗吊运至翻料机构上，通过控制翻料机构升降，将料斗内的坯料斜滑入阶梯上料机的料仓中，阶梯上料机再有序的把坯料送到链式进料机上，通过夹辊进料机下检测开关检测坯料，坯料通过时上压辊夹住坯料往加热炉里连续送料，采用自动上料后，不需要人员干预，所以必须考虑人员兼顾问题，目前单根坯料的重量均在20kg以上，每次料斗中装料总重3t，为此采用液压油缸驱动。为防止自动上料机构中垂直坯料进入送料传送带上，在最后一级的搓板机构前增加一个横推的气缸。为降低倒料过程中坯料对料斗的冲击、降低噪声，在接料滑板侧，降低角度。同时为保证坯料能顺利进入阶梯上料机构中，增加振动电机带动六个支撑块，实现振动进料。

②对于长度尺寸大于等于450mm的坯料，主要由偏心摆动机构、储料斗组成。通过天车将长坯料直接吊到料斗内，通过电机带动偏心机构，料斗中的坯料步进式前进，最终把坯料送到链式进料机上，通过夹辊进料机下检测开关，检测到坯料通过时上压辊夹住坯料往加热炉里连续送料。

⑶电源部分改造。

从材料规格上看，现有的2500kW的加热功率可满足节拍的要求，维持不变，同时考虑变压器的原因，中频电源的进线电压维持不变。采用全集成化控制线路，电压电流双闭环，为电源提供精确的功率控制；增设了过流、过压、换流监控、水压、水温、缺相等保护功能；采用预充电、预充磁控制启动电源，保证启动成功率达到100%。同时采用PLC完成电源的启动、保护和时序控制；采用恒反压时间调节方式保证逆变可控硅准确、可靠关断。在整个加热床中采用水冷快换接头保证可靠性。

全线自动控制系统

由于整条生产线涉及9个独立部件，每个部件也都有各自的控制系统，为此保证整个控制系统按照统一的指令相互协调工作是至关重要的，这也是本次改造过程中的重点工作。该生产线中各单台设备使用的控制系统如表1所示。

表1 设备使用的控制系统

为整合以上资源，同时保证该生产线中各设备的数据传送快捷，同时实现设备相互间的互锁功能，重新整合网络系统。纵观整个控制系统，核心控制器大多采用西门子系统或是德国标准，因此改造中统一采用PROFIBUS-DP协议组成网络。

考虑整条生产线长期需要生产的零件品种共约六大类，在锻压机控制面板上设置了人机界面，用以实现零件的配方管理。操作者只需要选择生产的零件，即可完成所有系统部件的不同控制程序选择和动作执行。

两台KUKA机器人夹钳设计及优化

机器人的夹钳设计在机器人的使用中十分重要，设计得当可大大减少机器人本身的负载，提高机器人的使用寿命。我公司从事锻造行业多年，具备丰富的热加工经验，本次改造中我们只采购裸机，自行设计夹爪。夹爪的设计符合以下要求：

⑴夹紧可靠，刚性适当。夹紧后既不使锻件松动滑移，又不使锻件因拘束度过大而产生压伤，从而导致锻件出现质量问题（折纹等）。

⑵夹钳抓紧和松开锻件动作迅速、操作方便。

⑶夹钳适应能力强，对不同品种锻件的兼容性与可靠性良好。

⑷在保证装夹平稳可靠的前提下，尽量降低夹钳本身的制作与维修成本。具有较好的制造工艺性和较高的拆装效率。

根据该设备上生产零件的重量及相关尺寸，对于主要抓取加热后的圆棒料及生产中的预锻件的R1机器人，夹爪开合角度设计必须大，同时要保证足够的夹紧力，因此选用液压油缸做为驱动夹爪的动力源。夹爪采用液压油缸带动齿轮转动，带动夹爪开合，同时采用三爪方式，前爪为两爪，后爪为一爪。考虑动静负载情况，选用的是KR210 R2700 prime型机器人。通过模拟软件核算夹爪重量及各轴负载（图5），可以看出各轴负载均在使用范围内，满足要求。

图5 机器人负载模拟

对用于锻件转移的R2机器人，夹爪仍然采用液压油缸驱动的三爪方式，但此时的三爪是前爪为一爪，后爪为两爪。同时由于始终抓取的是带飞边的锻件，所以夹爪开档尽量大。

冷却设计

在整个锻造生产过程中，为提升模具寿命及机器人夹爪的寿命，必须对模具和夹爪进行冷却，但这两种冷却需求是不一样的。

⑴模具冷却。

在锻造过程中，模具需要不断地与热锻件接触，模具的温度也会随着时间逐步上升，由于坯料在模具中成形，金属会在模具中产生流动，模具会受力，也可能产生疲劳裂纹等，因此需对模具及时润滑。同时锻造中还会产生大量的氧化皮，必须及时清理，否则将导致零件充不满。实际生产时的模具温升情况如图6所示。

从图6中可以看出模具温度在1h内上升速度较快，为保证自动化生产的顺利开展，有必要对模具实现自动润滑和冷却，具体的冷却步骤在本次改造中设计如下：

吹气（去除氧化皮）—水+石墨的混合物（冷却及润滑）—吹气（吹去模腔内的残留水）。

图6 实际生产时1h模具温升

自动润滑和冷却的基本工作原理：使用一个储水罐，用公司现有的压缩空气对储水罐中的自来水加压后，与石墨罐内的石墨，通过喷雾管进行混合，雾化后对模具进行喷雾冷却。根据模具的型腔设置喷嘴，采用小孔高压以便雾化。

⑵机器人夹爪冷却。

将热模锻压力机的侧窗口设置为机器人的HOME点，当机器人完成一次行程后，在HOME等待时，用侧窗口的冷却水管对机器人夹爪进行冷却，每次喷雾冷却时间3～5s。

结束语

经过近半年的努力，俄罗斯80MN的生产线改造已经完成，全线生产连续稳定，新的感应加热设备正发挥着越来越好的效果，全线能源消耗降低了20%，各生产线单台设备的生产节拍趋向一致，机器人稳定运行，产品的表面质量明显提升，人员的JPMH提升10%。智能化的改造取得了成功。