翟惠建，張惠，魏民慶

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司陜西分公司，陜西 神木 719316）

國(guó)家能源集團(tuán)陜西分公司在再制造業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中，依托扶梯產(chǎn)業(yè)增加了額外的經(jīng)濟(jì)收入，但在扶梯生產(chǎn)加工過(guò)程中仍然采用傳統(tǒng)的離散式加工方式，主要采用人工操作模式，各種設(shè)備比較老化，現(xiàn)代化技術(shù)設(shè)備應(yīng)用程度相對(duì)較低，在操作過(guò)程中也會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一情況，就需要結(jié)合當(dāng)前企業(yè)扶梯設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，加快自動(dòng)化技術(shù)的有效應(yīng)用，加快構(gòu)建一套完善且合理的扶梯自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)體系，以此來(lái)轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的扶梯生產(chǎn)模式，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展增加經(jīng)濟(jì)收入奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)扶梯設(shè)計(jì)存在問(wèn)題

首先，工藝布局不合理。受場(chǎng)地限制，下料、整形、打磨工序與其他工序位置相對(duì)獨(dú)立，增加了人工轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)。其次，作業(yè)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。生產(chǎn)中涉及的沖床、折彎?rùn)C(jī)、中頻加熱爐等設(shè)備，操作時(shí)均使用手送料或取件，對(duì)操作者體力消耗較大，操作過(guò)程單調(diào)、頻繁，極易使操作人員產(chǎn)生精神疲勞，容易造成安全事故。再次，自動(dòng)化水平低。9 道工序生產(chǎn)及轉(zhuǎn)運(yùn)均為人工作業(yè)，質(zhì)量控制及生產(chǎn)效率高度依賴(lài)工人熟練度和責(zé)任心。第四，生產(chǎn)效率低下：日產(chǎn)數(shù)量最高為200 根，以單次訂單量3000 根計(jì)算，需15 個(gè)工作日才能完成。最后，人工成本較高。目前需4 人作業(yè)，每年須支出工資31.2 萬(wàn)元，人工成本較高。

2 項(xiàng)目要求

陜西分公司在“再制造”業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，以“創(chuàng)一流”為進(jìn)步目標(biāo)，以裝備智能化、自動(dòng)化為手段，積極探索鐵路非資配件加工方式的“提質(zhì)增效”之路。C80 扶梯作為非資配件加工的主營(yíng)業(yè)務(wù)之一，截至2021年11 月9 日，累計(jì)生產(chǎn)27807 件，銷(xiāo)售額為700 余萬(wàn)元。但現(xiàn)階段C80 扶梯的生產(chǎn)方式，仍采用離散式加工，須經(jīng)過(guò)圓鋼下料→端部墩頭→端部壓形→端部沖孔→1 次折彎→2 次折彎→整形檢測(cè)→打磨毛刺→工件噴漆共計(jì)9 道工序，生產(chǎn)過(guò)程均為人工作業(yè)，使用設(shè)備多為老式的鋸床、沖床等獨(dú)立單元級(jí)設(shè)備，自動(dòng)化水平較低，存在作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率高度依賴(lài)工人的技術(shù)水平及熟練度，有時(shí)需靠工人加班來(lái)提高生產(chǎn)能力。經(jīng)多方調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上無(wú)專(zhuān)用的C80 扶梯全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，當(dāng)務(wù)之急，需要研發(fā)一套自動(dòng)化智能化的扶梯生產(chǎn)線(xiàn)替代現(xiàn)有“作坊式”的人工生產(chǎn)模式，即可填補(bǔ)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)空白，同時(shí)加速推進(jìn)并實(shí)現(xiàn)鐵路裝備公司“一個(gè)目標(biāo)、三型五化、七個(gè)一流”的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

扶梯全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，扶梯線(xiàn)具備對(duì)（16mm 直徑，685mm 長(zhǎng)度的碳素圓鋼）自動(dòng)上料功能，對(duì)圓鋼兩端分別加熱并敦粗，按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行400mm 檔距折彎，然后對(duì)敦粗局部加熱，并在63T 沖床上對(duì)敦粗加熱部位壓扁，再放置到壓力機(jī)上沖17 毫米圓孔，最后完成96mm尺寸的折彎，并對(duì)壓扁部位和沖孔磨邊進(jìn)行打磨和測(cè)量，全線(xiàn)整體采用全自動(dòng)化生產(chǎn)控制，實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化代人，自動(dòng)化減人”，同時(shí)提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全。

3.1 定尺料加工階段

該裝置由自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、數(shù)控鋸床組成，制作扶梯原料的規(guī)格為φ16mm×9m 的圓鋼。設(shè)計(jì)工作節(jié)拍10 ～15 根圓鋼為一個(gè)上料單元，圓鋼經(jīng)輔助工裝扎緊后，采用高精度伺服電機(jī)推送原材料，單次送料長(zhǎng)度685mm。經(jīng)數(shù)控鋸床裁剪后，輸送至出料口下方的料箱內(nèi)。系統(tǒng)設(shè)置下料次數(shù)為13 次，保證最后一段廢料不會(huì)落入料箱中。料箱裝滿(mǎn)后，由叉車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)至下道工序。

3.2 扶梯成品加工階段

圓鋼經(jīng)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)分揀至待料區(qū)，然后通過(guò)輸送裝置輸送至墩粗工位，采用機(jī)械手聯(lián)動(dòng)傳輸鏈兩端的高頻加熱爐和墩粗機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱和圓鋼墩粗；完成墩粗后輸送至折彎?rùn)C(jī)構(gòu)后，先完成自動(dòng)對(duì)中，夾緊工件后，進(jìn)行雙頭一次折彎,彎半徑R16mm；完成折彎后過(guò)渡到下料臺(tái)。采用機(jī)器人抓取工件，先對(duì)工件雙頭進(jìn)行加熱，然后旋轉(zhuǎn)至左側(cè)，配合壓力機(jī)和專(zhuān)用模具自動(dòng)壓扁沖孔一次成型，保證工件端頭直徑40mm，孔徑17mm，端頭厚度8±1mm,然后輸送至二次折彎工位，對(duì)中后進(jìn)行雙頭二次折彎，保證工件兩孔中心距為400mm。扶梯中心高度90mm,并在該工位打磨飛邊，然后由檢測(cè)機(jī)構(gòu)按工藝要求進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后，旋轉(zhuǎn)下料裝置成品料箱處。

4 功能和特點(diǎn)

4.1 扶梯上下料系統(tǒng)

扶梯上下料系統(tǒng)包括數(shù)控下料鋸床、三推板自動(dòng)上料機(jī)、傳輸拖鏈、單頭雙缸鐓粗機(jī)上下料裝置、高頻感應(yīng)爐、高頻感應(yīng)爐水冷塔和雙頭鐓粗機(jī)。

（1）數(shù)控下料鋸床。數(shù)控下料鋸床，該鋸床可以一次性裝卡6 ～8 根直徑16mm 的鋼筋進(jìn)行等長(zhǎng)度下料（685mm 長(zhǎng)度）。該數(shù)控鋸床下料精度為正負(fù)0.25mm。16mm 鐵棒10 支一切，無(wú)極變速，單次循環(huán)時(shí)間是35s。采用下料鋸床技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)控下料鋸床數(shù)據(jù)

（2）三推板自動(dòng)上料機(jī)。下好的原料通過(guò)天車(chē)吊運(yùn)到三推板自動(dòng)上料機(jī)附近，通過(guò)人工把直線(xiàn)度合格的原料（直線(xiàn)度2mm）放入三推板自動(dòng)上料機(jī)的料斗內(nèi)進(jìn)行推料輸送。

（3）傳輸拖鏈。三推板自動(dòng)上料機(jī)把原料推入到傳輸拖鏈的V 形塊內(nèi)，然后通過(guò)電機(jī)減速器進(jìn)行步進(jìn)傳輸，該傳輸拖鏈有單側(cè)定位功能（為單側(cè)鐓粗進(jìn)行定位準(zhǔn)備），并且有高頻爐線(xiàn)圈定位支架。

（4）單頭雙缸鐓粗機(jī)上下料裝置。傳輸拖鏈把原料步進(jìn)到位后，通過(guò)上下料裝置抓取運(yùn)輸?shù)轿缓蟮脑?，放置在高頻感應(yīng)爐的線(xiàn)圈內(nèi)進(jìn)行加熱，然后放入單頭雙缸鐓粗機(jī)內(nèi)進(jìn)行鐓粗。鐓好一頭后放入到原來(lái)位置，同時(shí)對(duì)側(cè)臺(tái)位也進(jìn)行相同的工作。等待兩側(cè)都完成后再通過(guò)傳輸拖鏈進(jìn)行步進(jìn)傳輸，進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。上下料機(jī)械手共兩套，安放在龍門(mén)框架軌道上，每臺(tái)機(jī)械手由四個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所需運(yùn)動(dòng)。

（5）高頻感應(yīng)爐、高頻感應(yīng)爐水冷塔和雙頭鐓粗機(jī)。高頻感應(yīng)爐滿(mǎn)足對(duì)直徑16mm 粗的鋼筋進(jìn)行端部40mm 的長(zhǎng)度進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為10 ～20s，加熱溫度為800～1000℃。其中單頭兩套。雙頭一套。感應(yīng)線(xiàn)圈位置根據(jù)使用方的要求放置。高頻感應(yīng)爐水冷塔滿(mǎn)足高頻感應(yīng)爐的冷卻需要，與高頻感應(yīng)爐整體配套，滿(mǎn)足三個(gè)高頻感應(yīng)爐的冷卻流量。雙鐓機(jī)滿(mǎn)足對(duì)16mm的圓鋼進(jìn)行鐓粗，根據(jù)使用方的需要配套鐓粗成型模具一套。

4.2 扶梯成形系統(tǒng)

扶梯上下料系統(tǒng)包括雙頭折彎?rùn)C(jī)上料裝置、數(shù)控雙頭折彎?rùn)C(jī)、雙頭沖孔機(jī)床和96 尺寸折彎?rùn)C(jī)設(shè)計(jì)。雙頭折彎?rùn)C(jī)上料裝置把兩邊鐓粗好的棒料放置到數(shù)控雙頭折彎?rùn)C(jī)上料位置上，等待折彎加工。數(shù)控雙頭折彎?rùn)C(jī)采用伺服電機(jī)減速器與定位檔進(jìn)行雙面折彎，鐓好頭的原鋼通過(guò)雙頭折彎?rùn)C(jī)上料裝置抓取放置到位后，通過(guò)對(duì)中裝置進(jìn)行對(duì)中定位，再通過(guò)油缸進(jìn)行加緊，然后由折彎裝置進(jìn)行折彎。折彎到位后，再由上料裝置抓取原料放置到待料位置。雙頭沖孔機(jī)床把放置好的原料先用前后夾緊氣缸進(jìn)行夾緊，然后通過(guò)對(duì)中裝置進(jìn)行對(duì)中夾緊，然后進(jìn)行沖孔。雙頭沖孔機(jī)床，由下體底座、上體橫梁和左右立柱組成，形成框式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，橫梁上固定安裝兩個(gè)油缸，油缸通過(guò)模具同步進(jìn)行沖孔作業(yè)。96 尺寸折彎?rùn)C(jī)把放置好的原料通過(guò)雙行程氣缸定位，然后通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)壓彎模具進(jìn)行96 尺寸壓彎，壓彎到位后雙行程氣缸回一位拖住壓彎后的原料，油缸回程等待第二個(gè)機(jī)械手抓取。96 尺寸折彎?rùn)C(jī)，由下體底座、上體橫梁和左右立柱組成，形成框式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，橫梁中心固定安裝一個(gè)油缸，油缸通過(guò)摸具進(jìn)行96 尺寸折彎作業(yè)。

4.3 機(jī)械手搬運(yùn)檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)械手搬運(yùn)檢測(cè)系統(tǒng)包括搬運(yùn)機(jī)械手、打磨系統(tǒng)、視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)械手安全防護(hù)系統(tǒng)。機(jī)械手系統(tǒng)包括搬運(yùn)機(jī)械手、打磨系統(tǒng)、視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、機(jī)械手安全防護(hù)系統(tǒng)。搬運(yùn)機(jī)械手的夾具為一拖二結(jié)構(gòu)，及抓一待一，其中一個(gè)機(jī)械手配套打磨功能，通過(guò)抓手抓取工件，在砂帶打磨機(jī)上進(jìn)行打磨，在抓手和機(jī)器人6 軸法蘭之間有力矩傳感器，可通過(guò)傳感器的反饋的數(shù)據(jù)來(lái)判斷磨削量。該機(jī)械手自帶底座。打磨系統(tǒng)配合機(jī)械手對(duì)工件的指定位置進(jìn)行打磨，其本身帶有收集裝置。視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)為打磨完成工件到檢測(cè)工位進(jìn)行拍照檢測(cè)。搬運(yùn)機(jī)械手為（瑞士ABB、德國(guó)kuka、日本發(fā)那科、日本安川等）知名品牌，配套抓手夾具。測(cè)量后的尺寸需要進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，在操作臺(tái)內(nèi)可以檢查每組數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)量工位連續(xù)檢測(cè)到同一尺寸三組數(shù)據(jù)異常的情況下，會(huì)進(jìn)行報(bào)警急停，該情況默認(rèn)為工裝夾具出現(xiàn)異常情況。第一和第二機(jī)械手及其工裝設(shè)備需要放置在防護(hù)網(wǎng)內(nèi)，該防護(hù)網(wǎng)需要加裝安全保護(hù)檢修門(mén)，并加裝紅外傳感器，在有人員通過(guò)檢修門(mén)進(jìn)入時(shí)機(jī)械手需保持在停運(yùn)狀態(tài)。

4.4 電氣控制系統(tǒng)

扶梯自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)電氣控制系統(tǒng)由可編程控制器PLC、觸摸屏、工控機(jī)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成。

（1）可編程控制器PLC。采用西門(mén)子PLC 產(chǎn)品，多PLC 主從分布式布局。由主PLC 承擔(dān)生產(chǎn)線(xiàn)的總體控制，即按照工藝過(guò)程要求及各分設(shè)備的時(shí)序要求完成總體邏輯控制。主PLC 直接控制雙頭數(shù)控折彎?rùn)C(jī)及上下料裝置、鐓粗機(jī)上下料裝置、輸送線(xiàn)等，包括伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。多臺(tái)從PLC分別控制二次折彎?rùn)C(jī)、雙頭沖孔機(jī)等設(shè)備。從PLC 通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主PLC 通訊，完成數(shù)據(jù)交換。

（2）觸摸屏。觸摸屏通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主PLC 連接，承擔(dān)生產(chǎn)線(xiàn)的控制、監(jiān)視及工藝參數(shù)的設(shè)定、修改等任務(wù)。

（3）機(jī)器人控制。兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與主PLC 通訊，由主PLC 監(jiān)測(cè)機(jī)器人的狀態(tài)，并控制機(jī)器人的工件搬運(yùn)動(dòng)作，使之與生產(chǎn)線(xiàn)各設(shè)備間動(dòng)作協(xié)同一致。

（4）工件打磨控制。其中一臺(tái)機(jī)器人可以抓取工件在砂帶打磨機(jī)上自動(dòng)完成工件打磨工作。在抓手和機(jī)器人6 軸法蘭之間安裝有力矩傳感器，由通訊接口與機(jī)器人控制系統(tǒng)連接，作為磨削量反饋信號(hào)，利用機(jī)器人控制系統(tǒng)的專(zhuān)有功能實(shí)現(xiàn)工件打磨的自適應(yīng)控制。

（5）工件測(cè)量。無(wú)接觸式視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)包括工控機(jī)、工業(yè)攝像機(jī)、專(zhuān)用測(cè)量分析軟件等。由專(zhuān)用的測(cè)量分析軟件對(duì)攝取的圖像進(jìn)行分析處理，完成扶梯工件測(cè)量任務(wù)。測(cè)量數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存，可查閱，并具有異常數(shù)據(jù)處理及報(bào)警功能。工控機(jī)可通過(guò)OPC 軟件與主PLC 通訊，將工件測(cè)量狀態(tài)信號(hào)及工件測(cè)量結(jié)果信號(hào)傳輸給主PLC，用于扶梯產(chǎn)品的分揀控制。

（6）外購(gòu)設(shè)備的控制。主PLC 與數(shù)控下料機(jī)、高頻感應(yīng)爐、鐓粗機(jī)、沖壓機(jī)、砂帶打磨機(jī)等外購(gòu)設(shè)備設(shè)有必要的信號(hào)連接，用于檢測(cè)各個(gè)外購(gòu)設(shè)備的工作狀態(tài)（待機(jī)/運(yùn)行/故障）及控制設(shè)備的啟動(dòng)停止。

（7）安全防護(hù)。安全防護(hù)傳感器信號(hào)連接到主PLC，主PLC 設(shè)有完善的安全防護(hù)邏輯控制功能，用于保證設(shè)備運(yùn)行安全及人身的安全。

4.5 技術(shù)數(shù)據(jù)表

扶梯全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 扶梯全自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，實(shí)現(xiàn)扶梯自動(dòng)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)扶梯設(shè)計(jì)制造的自動(dòng)化操作，減少人員投入，在操作過(guò)程中因?yàn)榧夹g(shù)或者工作經(jīng)驗(yàn)不足所造成的各種誤差，同時(shí)也能夠有效解決在人工操作過(guò)程中危險(xiǎn)因素相對(duì)較多的問(wèn)題，大大降低了工作人員的工作強(qiáng)度，通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，切實(shí)提高了工作效率，提高了設(shè)計(jì)工具的適應(yīng)性。