鄭相燦，王紅軍，3，康運(yùn)江，張金鵬

（1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.機(jī)械科學(xué)研究總院機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044 3.高端裝備智能感知與控制北京市國(guó)際科技合作基地，北京 100192）

0 引言

全自動(dòng)鋼卷打捆機(jī)是針對(duì)鋼卷打捆機(jī)包裝的全自動(dòng)器械，自動(dòng)化程度較高，幾乎不需人工操作，與普通打捆機(jī)不同。鋼材從生產(chǎn)出來(lái)到包裝的整個(gè)過(guò)程中，冷軋鋼卷的包裝屬于生產(chǎn)線較后的一道包裝工序，也是體現(xiàn)鋼卷包裝質(zhì)量的最重要的一步，鋼卷包裝的質(zhì)量關(guān)系到鋼材的運(yùn)輸、銷售等。

隨著智能制造的不斷推進(jìn)和企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，國(guó)內(nèi)在冶煉鋼鐵技術(shù)方面較為成熟，但在鋼材打捆包裝技術(shù)方面還不成熟。由于打捆機(jī)設(shè)計(jì)與制造難度較大，國(guó)內(nèi)管材自動(dòng)化打捆設(shè)備一直依賴國(guó)外進(jìn)口，無(wú)法滿足鋼管工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)和國(guó)際市場(chǎng)鋼管包裝運(yùn)輸安全的要求[1]。

國(guó)內(nèi)目前只能生產(chǎn)制造一些通用的、用于輕工業(yè)或食品以及服務(wù)行業(yè)的打捆設(shè)備。應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的高性能全自動(dòng)打捆機(jī)設(shè)備才剛踏出研究的第一步。目前，國(guó)內(nèi)鋼帶打捆包裝主要采用人工方式完成，與國(guó)外先進(jìn)的鋼帶打捆機(jī)相比還存在不少的缺點(diǎn)[2]。

相比較而言外國(guó)企業(yè)在冶金鋼材技術(shù)以及鋼材包裝技術(shù)上較為先進(jìn)，處于領(lǐng)跑地位，國(guó)外打捆機(jī)經(jīng)數(shù)年技術(shù)積累和不斷的發(fā)展，已形成多品種、穩(wěn)定化、專業(yè)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度不斷提高，打捆的速度也不斷加快，效率更高，其可靠性、穩(wěn)定性、可用壽命也不斷提高?，F(xiàn)如今，美國(guó)SIGNODE 公司、德國(guó)TITAN 公司以及瑞典SUND BIRSTA 公司等在對(duì)鋼材打捆機(jī)的研制方面都取得了一定成果[3]。

鋼材包裝打捆機(jī)是國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)精整包裝生產(chǎn)線的急需設(shè)備，而且是軋鋼企業(yè)精整包裝生產(chǎn)線的核心設(shè)備。開發(fā)研制符合國(guó)內(nèi)需求的高性能的鋼材包裝打捆機(jī)及其配設(shè)備是我國(guó)鋼鐵行業(yè)的迫切要求。具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[4]。

1 打捆機(jī)的功能

全自動(dòng)周向打捆機(jī)主要完成鋼卷周向方向的打捆，其自動(dòng)化程度較高，幾乎不需要人工操作。利用SolidWorks 設(shè)計(jì)軟件，通過(guò)其強(qiáng)大的建模功能以及各插件的靈活使用，對(duì)打捆機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。并且對(duì)各零件添加相應(yīng)的裝配約束條件進(jìn)而完成打捆機(jī)的整體三維建模。如圖1、圖2 所示。

圖1 打捆機(jī)整體結(jié)構(gòu)

圖2 打捆頭三維模型

打捆頭是整個(gè)全自動(dòng)打捆機(jī)的核心部件，由增力連桿機(jī)構(gòu)、摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、帶頭壓緊機(jī)構(gòu)、鎖扣機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。整個(gè)打捆頭的動(dòng)力由液壓系統(tǒng)提供，通過(guò)液壓回路的設(shè)計(jì)，對(duì)液壓回路的執(zhí)行元件及動(dòng)力元件進(jìn)行選型計(jì)算，保證整個(gè)打捆頭驅(qū)動(dòng)方式的穩(wěn)定性。該打捆機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同外形尺寸的鋼卷進(jìn)行打捆，并采用PLC（Programmable logic Controller，可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)打捆機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行控制。

2 打捆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 打捆機(jī)的工作流程

全自動(dòng)鋼卷打捆機(jī)采用強(qiáng)度較大的鋼帶作為打捆材料，鋼卷由運(yùn)輸帶到達(dá)工位后，通過(guò)打捆機(jī)頭完成對(duì)鋼帶送帶、收帶、拉緊、咬合、切斷等動(dòng)作，完成打捆機(jī)對(duì)鋼卷進(jìn)行鋼帶打捆的一個(gè)周期。具體工作流程如下：

2.1.1 鋼卷打捆的準(zhǔn)備

鋼卷打捆鋼帶之前需進(jìn)行防銹紙包裝、塑料包裝等，通過(guò)物流運(yùn)輸線將待包裝的鋼卷完成鋼帶打捆前的所有包裝后存放在鋼卷的運(yùn)輸線上，按照鋼卷軸線垂直于運(yùn)輸線的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行排放，每個(gè)待捆扎的鋼卷之間有固定的間距，通過(guò)間距確實(shí)各鋼卷之間的位置，通過(guò)運(yùn)輸鏈送入周向打捆機(jī)的打捆工位。

2.1.2 導(dǎo)帶槽閉合

鋼卷運(yùn)輸?shù)轿缓螅瑢?dǎo)帶槽通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)，完成伸出動(dòng)作，將被打捆鋼卷包圍起來(lái)形成封閉的導(dǎo)帶通路，對(duì)鋼帶的傳送起導(dǎo)向作用。

2.1.3 送帶

送帶過(guò)程是指鋼帶通過(guò)與摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪子產(chǎn)生摩擦力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，鋼帶沿著閉合的導(dǎo)帶通路回路繞被打捆鋼卷一周后回到打捆頭作扣處，并在鎖扣位置形成上下重合的鋼帶節(jié)。送帶過(guò)程主要分為兩步，第一步是鋼帶的高速送帶過(guò)程，另一種是鋼帶的低速送帶過(guò)程[5]。高速送帶是鋼帶有頭在導(dǎo)帶槽中運(yùn)行，以提高打捆速度。在帶頭脫離導(dǎo)帶槽，從新回到打捆頭內(nèi)部，即將完成送帶時(shí)，為確保上下捆帶重疊部分的長(zhǎng)度，降低捆帶的驅(qū)動(dòng)速度。而鋼帶的驅(qū)動(dòng)速度可由控制液壓馬達(dá)回路中液體流速和液體壓力實(shí)現(xiàn)。

（1）高速送帶過(guò)程。高速送帶過(guò)程是指鋼帶在傳送過(guò)程中，鋼帶頭未回到打捆頭前這一階段，在這一階段內(nèi)鋼帶快速傳動(dòng)，提高對(duì)捆帶的驅(qū)動(dòng)速度從而節(jié)省鋼帶在導(dǎo)帶通路傳送的時(shí)間以及單條捆帶打捆的效率。

（2）低速送帶過(guò)程。根據(jù)導(dǎo)帶通路的路程以及高速送帶的速度計(jì)算多久后鋼帶頭繞導(dǎo)帶通路的行程為3/4，在此階段后鋼帶的輸送啟動(dòng)低速送帶過(guò)程，確保重上下捆帶疊部分的長(zhǎng)度，降低捆帶的驅(qū)動(dòng)速度從而節(jié)省打捆材料。而鋼帶的驅(qū)動(dòng)速度可由控制液壓馬達(dá)回路中液體流速和液體壓力實(shí)現(xiàn)。

2.1.4 壓緊鋼帶頭

鋼帶通過(guò)導(dǎo)帶槽繞鋼卷一周完成送帶過(guò)程，此時(shí)鋼帶頭在鋼扣處形成小段長(zhǎng)度的重合鋼帶，由于此時(shí)的鋼帶尚未貼緊鋼卷表面，因此帶頭壓緊機(jī)構(gòu)對(duì)下層捆帶進(jìn)行壓緊，以保證可以對(duì)多余捆帶進(jìn)行回收并施加預(yù)緊力，通過(guò)摩擦驅(qū)動(dòng)輪反向驅(qū)動(dòng)完成之后收帶的階段。

2.1.5 打捆機(jī)頭下降

打捆鋼帶在打捆頭中被壓緊機(jī)構(gòu)壓緊后，完成鋼帶的運(yùn)輸動(dòng)作，此時(shí)鋼帶在打捆頭處形成的重合的信號(hào)由控制系統(tǒng)接收后，打捆頭通過(guò)打捆機(jī)的升降裝置驅(qū)動(dòng)打捆頭下降，使打捆頭鎖扣機(jī)構(gòu)緊貼鋼卷。為保證打捆的精確性，捆帶可捆緊鋼卷，打捆頭與鋼卷接觸位置必須為鋼卷最上方，且打捆頭必須與鋼卷相切。

2.1.6 抽帶并拉緊鋼帶頭

完成打捆頭與鋼卷表面貼合后，需對(duì)多余的鋼帶進(jìn)行回收，此時(shí)摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主動(dòng)輪進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦力將鋼帶從導(dǎo)帶槽中拉出，使鋼帶完全貼合鋼卷表面。這一過(guò)程需要提高液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，快速回收多余捆帶，以減少打捆所需時(shí)間。鋼帶完全貼合鋼卷表面之后，通過(guò)增大液壓缸的施加壓力，對(duì)鋼帶施加一定的鋼帶預(yù)緊力，從而捆緊鋼卷。

2.1.7 咬扣和切帶

鋼帶經(jīng)過(guò)拉緊力的拉緊已牢牢貼近鋼卷表面，接下來(lái)需對(duì)上下重合的鋼帶進(jìn)行咬扣動(dòng)作，完成鋼帶對(duì)鋼卷的緊固包裝，鋼帶咬合成型后由切斷刀切斷鋼帶，完成一條鋼帶的打捆動(dòng)作。

2.1.8 打捆系統(tǒng)復(fù)位

待鎖扣完成后，帶頭壓緊機(jī)構(gòu)釋放壓緊力，鎖扣機(jī)構(gòu)松開撤回，摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)從動(dòng)輪壓緊液壓缸放松，打捆機(jī)橫梁連帶打捆頭提升，所有結(jié)構(gòu)都退回到初始位置，方便鋼卷運(yùn)走或?qū)ο乱晃恢眠M(jìn)行打捆。

2.2 橫移與升降裝置

本次周向打捆機(jī)打捆頭的移動(dòng)方式采用升降式實(shí)現(xiàn)升降以及橫移裝置實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)。整個(gè)橫移裝置與升降裝置相連，如圖3 所示。當(dāng)鋼卷到達(dá)打捆工位后，通過(guò)傳感器識(shí)別以及PLC 控制系統(tǒng)識(shí)別鋼帶打捆位置，先由橫移裝置帶動(dòng)升降裝置以及打捆頭進(jìn)行橫向移動(dòng)至打捆位置。打捆頭與升降橫梁相連，而橫梁由兩邊側(cè)板實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用，通過(guò)起重鏈條、鏈輪對(duì)橫梁進(jìn)行連接。通過(guò)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)對(duì)橫梁進(jìn)行升降從而實(shí)現(xiàn)打捆頭的升降運(yùn)動(dòng)，使打捆頭到達(dá)鋼卷打捆表面。

圖3 橫移與升降裝置裝配

2.3 導(dǎo)帶槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合周向打捆機(jī)的工作流程以及主要裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成伸縮式導(dǎo)帶槽，導(dǎo)帶通路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，整體結(jié)構(gòu)分為兩部分，通過(guò)安裝在橫移裝置上實(shí)現(xiàn)與打捆頭一齊移動(dòng)。底下的導(dǎo)帶槽通過(guò)氣缸的驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)橫移裝置移動(dòng)完成后伸縮導(dǎo)帶槽伸出，與另一邊的導(dǎo)帶槽形成閉合回路。而導(dǎo)帶槽上則采用內(nèi)置彈簧式導(dǎo)帶槽結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 彈簧式導(dǎo)帶槽

當(dāng)捆帶下抽時(shí)，矩形鋼管兩側(cè)導(dǎo)板受力向外側(cè)移動(dòng)，并使開口銷帶動(dòng)銷軸一并向外側(cè)移動(dòng)，此時(shí)銷軸軸肩向矩形鋼管內(nèi)壁方向壓縮彈簧，兩側(cè)導(dǎo)帶板之間的間隙大于捆帶寬度時(shí)，捆帶下滑；當(dāng)抽帶結(jié)束后，彈簧恢復(fù)原狀，并帶動(dòng)銷軸、開口銷、墊片和導(dǎo)板恢復(fù)原位[6]。從而確保打捆機(jī)完成對(duì)鋼卷的打捆動(dòng)作。

3 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)周向打捆機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，區(qū)別于其他全自動(dòng)打捆機(jī)采用的氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)形式，根據(jù)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速低但轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)，應(yīng)用于打捆機(jī)大型器械上可滿足條件。運(yùn)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的打捆機(jī)整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全自動(dòng)打捆機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。已知打捆頭升降裝置升降運(yùn)動(dòng)的速度v=0.8 m/s，求得軸的轉(zhuǎn)速n=152.87 r/min；估算打捆頭升降裝置的重量為200 kg，

由電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩公式；按照電機(jī)功率計(jì)算公式；聯(lián)立兩公式并帶入數(shù)據(jù)得P=1.675 kW；通過(guò)電機(jī)選型表，按照所需轉(zhuǎn)速及功率選用減速機(jī)型號(hào)為K37，電機(jī)型號(hào)為Y100L，電機(jī)級(jí)數(shù)4 級(jí)，輸出轉(zhuǎn)速n=178 r/min，額定功率P=2.2 kW，輸出轉(zhuǎn)矩T=111 N·m，使用系數(shù)為1.32，傳動(dòng)比i=7.96。再對(duì)鏈條進(jìn)行選型計(jì)算取鏈的型號(hào)為12 A，通過(guò)鏈輪鏈條的驅(qū)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)對(duì)打捆頭的升降運(yùn)動(dòng)。

4 PLC 控制系統(tǒng)

對(duì)該全自動(dòng)打捆機(jī)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300 型PLC控制系統(tǒng)，使用西門子公司開發(fā)的西門子博圖V15.1（TIA15.1），其編程環(huán)境為S7-300 系列PLC 所需的STEP7 軟件系統(tǒng)[6]。

采用PLC，基于西門子博圖V15.1 軟件設(shè)計(jì)了全自動(dòng)鋼卷打捆機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)打捆機(jī)的自動(dòng)化。在軟件中對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試，同時(shí)設(shè)計(jì)了打捆機(jī)的控制面板驗(yàn)證了程序的有效性及可行性。其中PLC 部分包括電源模塊、模塊以及輸入輸出模塊。完成打捆機(jī)系統(tǒng)開關(guān)量及傳感器信號(hào)的輸入，控制信號(hào)的輸出以及過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)鋼卷打捆過(guò)程的自動(dòng)化[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)目前在全自動(dòng)打捆機(jī)的研制進(jìn)度較為緩慢，對(duì)周向打捆機(jī)進(jìn)行研究分析。根據(jù)鋼卷的外形尺寸，結(jié)合目前以研制出的全自動(dòng)氣動(dòng)打捆機(jī)。主要設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)打捆頭升降和橫移的裝置結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)打捆機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)伺服電機(jī)的特性以及鏈條可承受的最大載荷驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)方式的可行性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)打捆機(jī)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。