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，隨著中國高鐵技術(shù)的迅速發(fā)展，鐵路產(chǎn)業(yè)逐漸成為我國國民經(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)計思路

全自動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)合自動物料傳輸系統(tǒng)、自動噴淋潤滑系統(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)，實現(xiàn)鋼軌鍛造生產(chǎn)過程的數(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生產(chǎn)過程，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AT軌跟端成形生產(chǎn)線由自動物料傳輸系統(tǒng)、自動噴淋潤滑系統(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 自動物料傳輸系統(tǒng)

（1）物料上傳。在整個自動生產(chǎn)過程中物料的上傳采用多節(jié)點遞進(jìn)的方式，各節(jié)點均設(shè)置數(shù)字信號采集點，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)字信號后，上料架自動遞進(jìn)式向前傳遞物料，直到物料到達(dá)上料架的終端并觸動物料就緒數(shù)字信號，完成物料的上傳工作。

（2）物料下傳。在整個自動生產(chǎn)過程中物料的下傳采用多節(jié)點遞進(jìn)的方式，各節(jié)點均設(shè)置數(shù)字信號采集點，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)字信號后，下料架自動遞進(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）并觸動物料就緒數(shù)字信號，完成物料的上傳工作。

（3）物料正火滾動傳輸。接到正火位物料就緒數(shù)字信號，控制中心檢測到物料已達(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，通過爐腔內(nèi)的紅外測溫儀實時探測物料溫度并不斷采集數(shù)字信號上傳到控制中心，物料達(dá)到正火工藝溫度時，控制中心指示中頻感應(yīng)加熱爐停止工作，同時指示輥道傳輸系統(tǒng)將物料傳出爐腔，最終完成物料的生產(chǎn)傳輸并發(fā)出報警。圖1為自動物料傳輸系統(tǒng)。

2.2 自動噴淋潤滑系統(tǒng)

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

圖1 自動物料傳輸系統(tǒng)

圖2 自動噴淋潤滑系統(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)，是整個自動線數(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)完成對模鍛液壓機(jī)多工位的精準(zhǔn)控制，具有工位位置無級可調(diào)、多工位重復(fù)定位精度高、運行平穩(wěn)等特點。整個控制系統(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）、噴潤滑劑系統(tǒng)（設(shè)為從站5）、主控制 HMI（設(shè)為從站 6）、現(xiàn)場 HMI（設(shè)為從站 7）。具體的從站設(shè)定由設(shè)計時確定。

上位機(jī)采用 SIEMENS S7，安裝在主控制電氣柜中，其主要功能：各過程參數(shù)，形成壓機(jī)的壓力，行程數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（報表系統(tǒng)，歷史曲線，并能實現(xiàn)打印輸出），通過采集壓機(jī)、送出料機(jī)構(gòu)、中頻加熱爐等子控制系統(tǒng)的各點I/O，最終形成整個系統(tǒng)完善的報警系統(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噴潤滑劑系統(tǒng)）的工藝動作，發(fā)出控制指令，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)動作，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。多軸工業(yè)機(jī)器人包括：垂直向五軸運動同步機(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機(jī)械手，五個機(jī)械手在上下方向的運行是分別驅(qū)動的，均采用高頻響比例伺服控制相應(yīng)的液壓缸，實現(xiàn)5個液壓軸同步運動。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，位移傳感器實時記錄機(jī)械手的位移量，該位移量是模擬量，必須通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便輸入計算機(jī)；計算機(jī)每隔一定時間T對輸入信號和反饋信號采樣一次（時間間隔T為采樣周期），經(jīng)比較后得出誤差信號，再按控制算法進(jìn)行運算，將算出的控制信號進(jìn)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量送到液壓伺服系統(tǒng)，即通過控制比例伺服閥開口量的大小來實現(xiàn)對機(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。五個機(jī)械手上分別設(shè)計了可旋轉(zhuǎn)的運動夾頭，五個夾頭的旋轉(zhuǎn)是分別驅(qū)動的，均采用高頻響比例伺服控制相應(yīng)的液壓馬達(dá)，實現(xiàn)5個運動夾頭旋轉(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)器人長約25米，行走采用前后兩軸獨立驅(qū)動方式，兩個伺服電機(jī)分別驅(qū)動兩端，采用閉環(huán)控制方式，行走兩軸同步精度高，響應(yīng)時間快，并可以數(shù)字化控制其行走速度及定位位置等，并能實現(xiàn)全過程控制。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

由全自動生產(chǎn)線生產(chǎn)的AT鋼軌跟端鍛造零件，成形過程連續(xù)化，工件鍛造后充分利用物料下傳的過程自然冷卻，在冷卻到一定的工藝溫度時，能及時利用余溫連續(xù)進(jìn)行正火熱處理，較傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式節(jié)能。同時，這種自動生產(chǎn)模式大大降低了人工物料的轉(zhuǎn)運時間，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AT軌跟端成形生產(chǎn)線，到目前為止是國產(chǎn)自動化程度較高、數(shù)控技術(shù)運用較全面的專用熱成形鍛造生產(chǎn)線。