汪萌生，祝守新，楊偉方

（1湖州師范學(xué)院，浙江 湖州 313000；2浙江金州管道有限公司，浙江 湖州 313000）

經(jīng)驗(yàn)交流

鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)的研制*

汪萌生1，祝守新1，楊偉方2

（1湖州師范學(xué)院，浙江 湖州 313000；2浙江金州管道有限公司，浙江 湖州 313000）

通過對(duì)鋼管堆垛成型工藝過程的分析，進(jìn)行了鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)的機(jī)械和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造及實(shí)現(xiàn)。設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化程度都比較高，能夠適用多個(gè)規(guī)格的鋼管的碼垛成型，碼垛能力可達(dá)到12捆/h。

鋼管碼垛成型機(jī)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)

1 前言

近十年來，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)品出口量快速增長(zhǎng)，同時(shí)，鋼鐵企業(yè)也面臨著嚴(yán)峻的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。產(chǎn)品的“軟”質(zhì)量（成形包裝質(zhì)量）在繼“硬”質(zhì)量（生產(chǎn)質(zhì)量）之后，成為了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的又一明顯體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)仍然使用以前的手工包裝鋼管的運(yùn)作模式，其包裝方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)和出口任務(wù)。從包裝形式看，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的鋼管成形包裝企業(yè)主要采用人工方式。鋼管沿著供管臺(tái)架下移后，直接滾落到落差1 m左右的正六邊形成型框架中，待鋼管滾落成型后，采取人工手動(dòng)打包的方式將鋼捆打包運(yùn)走。鋼管在下落的過程中，碰撞會(huì)使鋼管的表面鍍鋅層磨損，因此帶來鋼管成型包裝產(chǎn)量的損失。國(guó)內(nèi)也有一些企業(yè)研制出了較為先進(jìn)的鋼管包裝成型機(jī)，如天津的無縫鋼管廠的全自動(dòng)鋼管成型機(jī)等[1-2]。

從19世紀(jì)60年代開始，德國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)開發(fā)出了半自動(dòng)和全自動(dòng)鋼管碼垛成型機(jī)[3]。這些國(guó)家生產(chǎn)的碼垛成型機(jī)成型響應(yīng)時(shí)間短，定位精準(zhǔn)，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，造價(jià)約在100萬以上，能夠適應(yīng)的鋼管規(guī)格很多，鋼管的成型時(shí)間是30捆/h以上。在借鑒國(guó)外鋼管成型機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)全自動(dòng)鋼管碼垛成型機(jī)，能夠適用于外徑60～219 mm多個(gè)規(guī)格的鋼管的碼垛成型。

2 鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 產(chǎn)品規(guī)格

鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)產(chǎn)品規(guī)格要求：最大規(guī)格支重254.4 kg，最大規(guī)格鋼管捆重2 128 kg，材質(zhì)Q195～Q345。鋼管的各種規(guī)格如表1所示，鋼管長(zhǎng)度均為6 000 mm。

表1 鋼管規(guī)格

2.2 工作流程

1）鋼管對(duì)齊。鋼管通過供管臺(tái)架進(jìn)入到臺(tái)架的水平位置，再由氣缸帶動(dòng)撥板，使鋼管的一端對(duì)齊，鋼管對(duì)齊。

2）層管運(yùn)輸。工作前，電磁吊在定位原點(diǎn)等待取料，定位原點(diǎn)位于擋板與等待水平輥道的中心位置左上方800 mm處。鋼管對(duì)齊后，安裝在供管臺(tái)架上的接近開關(guān)觸發(fā)，使得伺服驅(qū)動(dòng)器工作，進(jìn)而帶動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)，電磁吊將形成的層管運(yùn)送到碼垛臺(tái)架中心位置的正上方，完成層管的運(yùn)輸；通過伺服電機(jī)的反轉(zhuǎn)，使得電磁吊回到定位原點(diǎn)，等待下一層的堆垛。

3）碼垛成型。當(dāng)層管運(yùn)輸至碼垛臺(tái)架中心位置的正上方時(shí)，電磁吊下移放料，按照鋼管的類型將鋼管碼垛成正六邊形。

4）成型鋼管的運(yùn)輸。鋼管碼垛成型后，通過水平輥道傳送機(jī)構(gòu)將堆垛好的鋼管運(yùn)輸至人工氣動(dòng)打捆區(qū)域。鋼管自動(dòng)碼垛成型的順序過程：鋼管下滾、鋼管對(duì)齊、電磁吊下移取料、電磁吊上移、層管運(yùn)輸、電磁吊下移放料、電磁吊上移、打包運(yùn)走。按照要求，鋼管每捆的最大數(shù)量是37根，此時(shí)所需的垛碼成型的時(shí)間最長(zhǎng)為315 s，分為7層碼垛。7層碼垛分別是：第1層碼垛（4根）29 s，第2～7層碼垛（5、6、7、6、5、4根）16 s，打包運(yùn)走時(shí)間為90 s。

2.3 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括對(duì)齊機(jī)構(gòu)裝置、電磁吊輸送層管機(jī)構(gòu)裝置、鋼管碼垛成型機(jī)構(gòu)裝置及成型輥道傳送機(jī)構(gòu)裝置等。

圖1 鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)結(jié)構(gòu)

1）對(duì)齊機(jī)構(gòu)裝置：供管臺(tái)架的臺(tái)面向水平輥道傾斜，鋼管自動(dòng)滾送到靠近水平輥道一側(cè)放置后，控制系統(tǒng)檢測(cè)到水平臺(tái)面處有鋼管（限位開關(guān)檢測(cè)），起動(dòng)交流電機(jī)，氣路控制系統(tǒng)控制電磁閥通斷，繼而控制氣缸氣路的通斷，從而帶動(dòng)氣缸的拉桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使推板接觸鋼管端部，將鋼管的一端對(duì)齊。

2）電磁吊運(yùn)輸層管機(jī)構(gòu)裝置。結(jié)構(gòu)包括2組電磁鐵、門框式支架、伺服電機(jī)、滾珠絲杠、升降滑動(dòng)機(jī)構(gòu)及水平滑動(dòng)機(jī)構(gòu)等。

3）鋼管自動(dòng)碼垛成型機(jī)構(gòu)裝置。機(jī)構(gòu)的工作流程是調(diào)節(jié)水平絲杠上的螺母，使得側(cè)輥定位準(zhǔn)確，保證鋼管碼垛緊湊。

4）成型輥道傳送機(jī)構(gòu)裝置。成型輥道傳送機(jī)構(gòu)主要由2組小電機(jī)、二級(jí)減速器、12個(gè)小滾筒、滾道、皮帶等組成。

2.4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，油缸的動(dòng)作要經(jīng)過5個(gè)過程，分別為啟動(dòng)、加速、勻速、減速、停止。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的液壓元件是缸徑為125 mm、活塞桿直徑90 mm、行程為1 000 mm，型號(hào)是YGD-125/90-7，內(nèi)置位移傳感器的豎直方向驅(qū)動(dòng)的油缸。液壓系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電磁吊液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.5 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼管成型機(jī)控制系統(tǒng)以SIMATIC S7-300 CPU314C-2DP和工控機(jī)為控制核心，采用可靠性強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)元件，包括電機(jī)、氣動(dòng)元件、電磁鐵、液壓缸內(nèi)置式位移傳感器等。在電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電氣執(zhí)行元件是4臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，分別用于鋼管輸入部分的鋼管對(duì)齊輥道電機(jī)1臺(tái)，帶有伺服驅(qū)動(dòng)器的伺服電機(jī)1臺(tái)，水平輥道的橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)2臺(tái)。根據(jù)電機(jī)的額定功率和額定電流，水平輥道上的橫向驅(qū)動(dòng)電機(jī)2臺(tái)（帶制動(dòng)器和減速箱）均選用了SIEMENS公司7.5 kW的變頻器。PLC采集的開關(guān)量信號(hào)主要有對(duì)齊擋料位置開關(guān)，伺服橫移機(jī)構(gòu)左右限位和零點(diǎn)位置開關(guān)，電磁鐵通、斷電狀態(tài)信號(hào)，操作臺(tái)啟動(dòng)、停止控制開關(guān)信號(hào)；PLC輸出開關(guān)信號(hào)主要有運(yùn)送鋼管氣缸電磁閥控制信號(hào)，對(duì)齊機(jī)構(gòu)氣缸電磁閥控制信號(hào)，操作臺(tái)運(yùn)行、停止等信號(hào)燈芯信號(hào)，電磁鐵通、斷電控制開關(guān)，電磁吸吊升降氣缸電磁閥控制信號(hào)，鋼管捆輸出輥道電機(jī)啟停信號(hào)；PLC模擬量采集的信號(hào)是電磁吸吊升降氣缸位置信號(hào)；PLC模擬量輸出信號(hào)為控制電磁吸吊升降氣缸的比例電磁閥信號(hào)；PLC輸出脈沖信號(hào)有控制橫移機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)信號(hào)。主站控制柜實(shí)現(xiàn)的功能模塊見圖3。

設(shè)備運(yùn)行的控制程序的編制主要根據(jù)電磁吊控制流程（見圖3a）和電磁吊運(yùn)輸層管機(jī)構(gòu)的控制流程（見圖3b）進(jìn)行編制。電磁吊運(yùn)輸層管機(jī)構(gòu)裝置的控制流程是電磁吊橫移到指定位置，現(xiàn)快速下降1 m，再慢速下降到鋼管層上方20 mm處，電磁鐵通電吸吊鋼管，延時(shí)2 s后快速上升到橫移高度，橫移伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電磁吊平移到堆垛臺(tái)架上方，快速下降1 m，再慢速下降到臺(tái)架上方20 mm處，到達(dá)指定放管高度后，電磁鐵消磁釋放鋼管，電磁吊再重新上升到指定高度，橫移到程序設(shè)定吸吊鋼管位置，按照程序設(shè)定的吸吊高度完成下一層的鋼管堆垛放置。整個(gè)電磁吊裝置控制流程還包括鋼管來料的計(jì)數(shù)，鋼管層端部對(duì)齊，電磁吊的逐層堆放，堆放成型后將鋼管捆運(yùn)送出堆垛臺(tái)架[4-6]。

3 結(jié)語

在借鑒國(guó)外鋼管成型機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制的全自動(dòng)鋼管碼垛成型機(jī)能夠適用于外徑60.3～219 mm多個(gè)規(guī)格的鋼管的碼垛成型，定位精度和穩(wěn)定性較好，具有較高的自動(dòng)化水平，并且功能完善，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)成型機(jī)的空白。該成型機(jī)的碼垛能力可達(dá)到12捆/h左右，已經(jīng)接近國(guó)外的碼垛能力，并且整套設(shè)備的造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外的碼垛成型機(jī)。

TB486

B

1004-4620（2015）04-0068-02

*2014年湖州市科技攻關(guān)計(jì)劃工業(yè)項(xiàng)目（2014GG16）。

2015-05-20

汪萌生，男，1973年生，2013年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)機(jī)械專業(yè)，博士?，F(xiàn)為湖州師范學(xué)院講師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)工作。