楊曉東，姚 赟，雷 超，孫麗麗，楊 鵬

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 ，陜西 西安 710018)

0 前言

鋁合金板在化工、電力、航空、軍工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。大斷面、高品質(zhì)的鋁合金中厚板作為一種不可或缺的高附加值產(chǎn)品，需求量逐年增加。為滿足市場(chǎng)需求，近年來(lái)我國(guó)新建了多條高端鋁合金中厚板生產(chǎn)線。精密鋸床作為鋁合金中厚板生產(chǎn)線的核心裝備，直接決定著產(chǎn)品交貨尺寸及外觀型態(tài)，因用戶對(duì)其精度、自動(dòng)化、智能化[1]有較高的要求，目前國(guó)內(nèi)配套的精密鋸床均從國(guó)外引進(jìn)。引進(jìn)裝備不僅價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)，且后續(xù)服務(wù)和備件供應(yīng)均受制于人。為打破國(guó)外精密鋸床的技術(shù)及市場(chǎng)壟斷，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研發(fā)了大規(guī)格高精度鋁合金中厚板自動(dòng)鋸切生產(chǎn)線。

1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)某鋁業(yè)公司的實(shí)際生產(chǎn)要求，同時(shí)對(duì)標(biāo)其國(guó)外引進(jìn)的機(jī)組，確定該機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)如表1～3所示。

表1 板材性能參數(shù)與規(guī)格

表2 精密鋸床性能參數(shù)

表3 精密鋸床結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 機(jī)組結(jié)構(gòu)構(gòu)成和工藝流程

全自動(dòng)305 mm鋁合金板材自動(dòng)鋸切生產(chǎn)線由廢邊鋸切系統(tǒng)、鋁屑?jí)簤K系統(tǒng)、板材精密鋸床、廢邊剔除系統(tǒng)、進(jìn)出料系統(tǒng)等組成。其平面布置圖如圖1所示。

精密鋸主要包括雙鋸頭龍門式鋸機(jī)和雙鋸切臺(tái)交替并行機(jī)構(gòu)。龍門式雙鋸頭結(jié)構(gòu)鋸機(jī)鋸切時(shí)[2]，板材靜止，鋸頭移動(dòng)。固定鋸頭只進(jìn)行縱向切邊，旋轉(zhuǎn)鋸頭既可以縱向切邊，也可以橫向切定尺。進(jìn)行縱向切邊時(shí)雙鋸頭同時(shí)工作，一次鋸切即可滿足板材定寬鋸切要求。在分段定尺鋸切時(shí)，旋轉(zhuǎn)鋸頭轉(zhuǎn)向90°，通過(guò)多次橫向鋸切完成定尺分段任務(wù)。雙鋸切臺(tái)交替并行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)鋸切功能。機(jī)組配置兩套載料鋸切臺(tái)，通過(guò)一套周轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以將兩套載料鋸切臺(tái)在鋸切區(qū)與上下料區(qū)進(jìn)行自動(dòng)周轉(zhuǎn)調(diào)換。當(dāng)載料鋸切臺(tái)A在鋸切區(qū)進(jìn)行鋸切作業(yè)時(shí)，載料鋸切臺(tái)B在備料區(qū)進(jìn)行鋸切成品卸料及待鋸切板材上料工作。待載料鋸切臺(tái)A完成鋸切且載料鋸切臺(tái)B完成上料后進(jìn)行周轉(zhuǎn)調(diào)換，隨后載料鋸切臺(tái)B在鋸切區(qū)鋸切，載料鋸切臺(tái)A在備料區(qū)卸料及重新裝料工作。如此可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)，極大提高鋸機(jī)的利用率。

圖1 鋸切線平面布置圖

鋁屑?jí)簤K系統(tǒng)采用專用的鋸屑高效處理裝置將鋸切產(chǎn)生的鋁屑自動(dòng)壓塊回收。板材鋸屑由鋸切臺(tái)下方兩條縱向排屑機(jī)進(jìn)行收集后送往破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的鋁屑進(jìn)入壓塊料斗。當(dāng)壓塊機(jī)料斗達(dá)到一定的存量時(shí)，壓塊機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。首先絞龍向預(yù)壓腔送進(jìn)一定量鋁屑，隨后預(yù)壓油缸將腔內(nèi)鋁屑進(jìn)行預(yù)擠壓，之后主擠壓油缸將預(yù)壓后的鋁屑擠入模腔進(jìn)行成型，最后模腔換位完成出塊工作。壓塊機(jī)可以連續(xù)上料，鋁塊交替出料，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)壓塊。

廢邊剔除系統(tǒng)由廢邊自動(dòng)剔除裝置完成料邊的分揀和回收。載料鋸切臺(tái)上的板材兩邊經(jīng)過(guò)精密鋸鋸切后，需要移除廢邊方能進(jìn)行橫切作業(yè)。本機(jī)組通過(guò)在鋸切臺(tái)上方設(shè)置兩套伺服驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手進(jìn)行廢邊分離作業(yè)。鋸切完成后，機(jī)械手根據(jù)鋸縫的精確位置依次將鋸下的兩邊勾取至廢邊運(yùn)輸輥道上。隨后通過(guò)輥道將廢邊輸送至廢邊鋸機(jī)處進(jìn)行分段鋸切，鋸下的小段最后通過(guò)合金分料機(jī)構(gòu)推送至不同的合金料框。整個(gè)過(guò)程可以自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

該生產(chǎn)線包括板材鋸切、廢邊處理、鋁屑?jí)簤K等工藝流程。

板材鋸切流程：人工裝料→鋸切臺(tái)橫移至中位→鋸切臺(tái)牽引至鋸切區(qū)→雙鋸頭縱向定寬切邊→機(jī)械手剔除左料邊→機(jī)械手剔除右料邊→旋轉(zhuǎn)鋸頭轉(zhuǎn)90°→旋轉(zhuǎn)鋸頭橫向定尺切段→鋸切臺(tái)牽引出鋸切區(qū)→鋸切臺(tái)橫移至兩側(cè)→人工卸料。

廢邊處理流程：(機(jī)械手剔除料邊)→料邊放置在廢邊輥道上→輥道輸送料邊至定尺擋板處→夾緊機(jī)構(gòu)夾緊→廢邊鋸機(jī)進(jìn)給鋸切→讓刀→鋸機(jī)退回→廢邊短料輸出→合金分料裝置推料→廢邊短料入筐。

鋁屑?jí)簤K流程：(鋸切產(chǎn)生鋁屑)→導(dǎo)槽引至兩條縱向排屑機(jī)→集中至橫向排屑機(jī)→破碎機(jī)破碎→送進(jìn)裝置送至預(yù)壓腔→預(yù)壓油缸預(yù)壓→成品油缸壓塊→換模→出鋁塊。

3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 全自動(dòng)精密鋸切

精密鋸系統(tǒng)CNC與PLC融合控制系統(tǒng)。精密鋸主鋸電氣系統(tǒng)是經(jīng)二次開(kāi)發(fā)的力士樂(lè)多軸CNC數(shù)控系統(tǒng)[3]。該數(shù)控系統(tǒng)主要控制13臺(tái)伺服電機(jī)和兩臺(tái)圓盤鋸主鋸電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)該鋸機(jī)的鋸頭的升降、橫移、行走、旋轉(zhuǎn)，鋸罩的隨動(dòng)和勾邊機(jī)械手的升降、橫移等動(dòng)作，主電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為西門子S120系列。通過(guò)該套系統(tǒng)完成主鋸的自動(dòng)化切割，滿足用戶鋁合金板材參數(shù)化鋸切的工藝要求。精密鋸輔機(jī)由一套通用PLC系統(tǒng)構(gòu)成，該套PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上下料轉(zhuǎn)運(yùn)車、鋁屑?jí)簤K機(jī)、廢料機(jī)械手等部分的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)主鋸CNC控制系統(tǒng)和輔機(jī)PLC系統(tǒng)的通訊，完成對(duì)整套設(shè)備的自動(dòng)化控制。CNC與PLC系統(tǒng)的相互融合是在該類型設(shè)備上的首次應(yīng)用。

圖2 鋸切線自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

圖3 板材坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量原理圖

精密鋸X軸采用雙齒機(jī)械消隙機(jī)構(gòu)。本精密鋸為龍門式鋸機(jī)，X軸進(jìn)給行程較長(zhǎng)，故采用高精度齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)。為保證鋸切精度X1軸和X2軸需要有較高的同步性，這就要求控制齒輪齒條嚙合過(guò)程中的反向間隙[5-6]，用以降低頻繁正反轉(zhuǎn)時(shí)因反向間隙引入的傳動(dòng)誤差和剛度損失。本設(shè)備采用了伺服驅(qū)動(dòng)的雙齒機(jī)械消隙機(jī)構(gòu)進(jìn)行X軸的驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，其原理如下：伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接中間驅(qū)動(dòng)軸，在驅(qū)動(dòng)軸上安裝兩個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪分別將動(dòng)力傳遞給同時(shí)與齒條嚙合的驅(qū)動(dòng)齒1和驅(qū)動(dòng)齒2。在設(shè)備安裝時(shí)驅(qū)動(dòng)軸上的離合齒可以調(diào)整相位后鎖死，使得驅(qū)動(dòng)齒1與齒條的嚙合面位于左側(cè)，齒側(cè)間隙處于右側(cè)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)齒2與齒條的嚙合面位于右側(cè)，齒側(cè)間隙處于左側(cè)。如此，齒輪向右運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)齒1驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，驅(qū)動(dòng)齒2消隙。齒輪向左運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)齒2驅(qū)動(dòng)進(jìn)給，驅(qū)動(dòng)齒1消隙。通過(guò)消隙機(jī)構(gòu)及數(shù)控系統(tǒng)自身的超精插補(bǔ)定位、雙軸伺服同步、傳動(dòng)間隙補(bǔ)償[7，8]等手段，精密鋸在重載鋸切下的精度及穩(wěn)定性保持[9，10]取得了較為理想的效果。

圖4 雙齒消隙機(jī)構(gòu)原理圖

3.2 鋸切鋁粉塵收集

在鋸機(jī)的龍門梁上，為每個(gè)鋸頭單獨(dú)設(shè)置一套吸屑除塵系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)由串聯(lián)的旋風(fēng)分離器與袋式除塵系統(tǒng)組成。在鋸頭處設(shè)置一個(gè)能隨板材厚度升降并連接除塵系統(tǒng)的鋸罩。鋸切時(shí)，飛舞的鋸屑通過(guò)鋸罩內(nèi)的吸屑口進(jìn)入除塵系統(tǒng)中，較大的鋁屑被旋風(fēng)分離器捕獲從而落入排屑機(jī)中，較小的粉塵通過(guò)后置的布袋除塵裝置阻擋。通過(guò)該除塵系統(tǒng)，鋸切粉塵排放有明顯的改觀。

圖5 吸屑除塵系統(tǒng)示意圖

3.3 恒尺寸高密度壓塊

在鋸切過(guò)程中，由于板材材質(zhì)、規(guī)格及熱處理狀態(tài)的不同會(huì)產(chǎn)生不同的鋸屑，有粉末狀的、顆粒狀、帶狀及團(tuán)狀。為了使不同的鋁屑最終擠壓出密度相同、厚度均勻的鋁塊，壓塊機(jī)采用鋁屑兩級(jí)壓制和動(dòng)態(tài)調(diào)整進(jìn)給量的設(shè)計(jì)及控制[12]。

(1)鋁屑進(jìn)行破碎后兩級(jí)壓制。在壓塊機(jī)的進(jìn)料斗上設(shè)計(jì)一個(gè)四軸破碎機(jī)，當(dāng)成團(tuán)狀或帶狀的大鋁屑經(jīng)過(guò)破碎機(jī)后，通過(guò)篩網(wǎng)的分選，鋁屑被撕碎成尺寸小于篩網(wǎng)孔的小料，如此可以使得進(jìn)入壓塊機(jī)的鋁屑尺寸及密度均一性得到極大的提高。破碎后的鋁屑由液壓系統(tǒng)[13]通過(guò)預(yù)壓及成型壓制兩級(jí)加壓得到密度較高的鋁塊。

(2)鋁屑送進(jìn)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。壓塊機(jī)的擠壓油缸上安裝位移傳感器，通過(guò)位移傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量出當(dāng)前擠出鋁塊的厚度。在壓塊開(kāi)始時(shí)，設(shè)定一個(gè)初始的鋁屑喂料量，壓塊時(shí)通過(guò)上三次的鋁塊的厚度數(shù)據(jù)來(lái)確定當(dāng)前的喂料量，每運(yùn)行一次，當(dāng)前的喂料量都進(jìn)行一次迭代。通過(guò)這種自學(xué)習(xí)的方式可以使得鋁塊厚度在一個(gè)可接受的小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6 壓塊尺寸控制流程圖

圖6中,T為喂料時(shí)間;H0為鋁塊的目標(biāo)厚度;Ln=(Ln-1+Ln-2+Ln-3)/3為最近一次鋁塊實(shí)際厚度;ΔT為喂料時(shí)間調(diào)整量。

4 結(jié)束語(yǔ)

該自動(dòng)鋸切生產(chǎn)線各項(xiàng)驗(yàn)收考核參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行兩年多。鋁合金板材精密鋸切線的成功國(guó)產(chǎn)化極大降低相關(guān)企業(yè)的設(shè)備成本，提升了我國(guó)鋁合金中厚板生產(chǎn)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)當(dāng)前國(guó)家裝備制造業(yè)中高端專用數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域補(bǔ)齊短板有重要意義。