吳博碩，費(fèi)葉琦，趙繼鋒，張明宇，劉雨浩，閆業(yè)斌

（1.南京理工大學(xué)紫金學(xué)院智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.安徽省全椒縣市場(chǎng)監(jiān)督檢驗(yàn)所，安徽 滁州 239500；3.上海普密德自動(dòng)化科技有限公司，上海 200000）

0 引言

隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展，線材打捆機(jī)在提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率上發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。作為世界鋼材制造大國(guó)，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)率日益增加，低效率的人工鋼材打捆方式已成為制約我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，所以研發(fā)全自動(dòng)、高性能、低能耗的線性材料包裝打捆機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 線材打捆機(jī)工作原理簡(jiǎn)述

線材打捆機(jī)可分為全自動(dòng)與半自動(dòng)兩種類型，半自動(dòng)線材打捆機(jī)僅對(duì)線材進(jìn)行滾圓與壓緊，在完成線卷的規(guī)整后，打結(jié)工作則由人工完成，人工打結(jié)往往打結(jié)質(zhì)量不高、耗時(shí)長(zhǎng)并且工人的工作環(huán)境較為惡劣，而全自動(dòng)打捆機(jī)在半自動(dòng)打捆機(jī)的基礎(chǔ)上增加了最為繁瑣的打結(jié)工作，這樣大大節(jié)省了人力、縮短了整個(gè)打捆時(shí)間。

由于全自動(dòng)線材打捆機(jī)包含半自動(dòng)線材打捆機(jī)的所有工作流程，因此本文僅對(duì)全自動(dòng)線材打捆機(jī)工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)述。全自動(dòng)線材打捆機(jī)按機(jī)構(gòu)執(zhí)行動(dòng)作不同一般可分為送絲、抽絲及蓄絲、擰絲系統(tǒng)，工作大致分為滾圓、壓緊、打包三個(gè)階段[1]。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。生產(chǎn)完成的線材經(jīng)由C 型鉤運(yùn)送到指定位置后，由打捆機(jī)壓板對(duì)其進(jìn)行定位、夾緊，同時(shí)弧形導(dǎo)線系統(tǒng)開(kāi)始工作，導(dǎo)絲槽在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下完成閉合。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束，喂線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)捆絲進(jìn)入導(dǎo)絲槽裝置，在捆絲的一端繞過(guò)線卷運(yùn)動(dòng)一周到達(dá)預(yù)定位置后，夾緊缸對(duì)捆絲的端頭進(jìn)行夾緊，隨后喂線馬達(dá)反轉(zhuǎn)抽絲使捆絲達(dá)到預(yù)定的拉緊力。在完成喂絲、抽絲動(dòng)作后，打捆裝置開(kāi)始工作，打捆頭在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下對(duì)捆絲的端頭進(jìn)行打捆。打捆完畢，助切缸對(duì)捆絲端頭進(jìn)行切除，同時(shí)松開(kāi)缸工作，各機(jī)構(gòu)依次完成復(fù)位，打捆結(jié)束。從其工作原理可以看出，線材打捆機(jī)大部分較為復(fù)雜的動(dòng)作均發(fā)生在打包階段上，其中送線與打結(jié)又是該階段最重要的兩個(gè)動(dòng)作，因此包含自動(dòng)打包流程的全自動(dòng)線材打捆機(jī)具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 線材打捆機(jī)示意

線材打捆機(jī)按其結(jié)構(gòu)組成可以分為機(jī)械裝置、液壓傳動(dòng)、電氣控制三個(gè)部分。打捆機(jī)機(jī)械裝置部分主要負(fù)責(zé)對(duì)線材進(jìn)行捆絲擰結(jié)，位于打捆機(jī)機(jī)頭，是打捆機(jī)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該設(shè)備的機(jī)械裝置部分由喂線裝置、捆絲夾緊裝置裝置、捆絲扭結(jié)裝置、助切裝置、捆絲導(dǎo)向裝置等組成[2]。液壓系統(tǒng)主要由油箱、電動(dòng)機(jī)、液壓泵、先導(dǎo)式溢流閥、冷卻器、過(guò)濾器、蓄能器、電磁換向閥、液壓缸和液壓馬達(dá)等幾部分構(gòu)成。打捆機(jī)的控制器采用PLC 控制系統(tǒng)，可以通過(guò)操作臺(tái)上的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)線卷打捆操作。

2 打捆機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)線材打捆機(jī)研究發(fā)展現(xiàn)狀

隨著世界鋼鐵產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)于打捆機(jī)的研發(fā)也在不斷深入。深入總結(jié)國(guó)內(nèi)外線材打捆機(jī)的研究現(xiàn)狀，對(duì)于發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)打捆機(jī)存在的不足并提出指導(dǎo)意見(jiàn)具有一定的積極作用。國(guó)內(nèi)對(duì)全自動(dòng)線材打捆機(jī)的研發(fā)具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）在打捆機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，李松森、王朝陽(yáng)等[3]針對(duì)國(guó)內(nèi)線材打捆機(jī)存在線卷壓緊不實(shí)、抽絲力不足、喂線周期長(zhǎng)、設(shè)備占地面積大等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)研究，設(shè)計(jì)一款新型線材打捆機(jī)，該打捆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)兩片壓板的同步運(yùn)動(dòng)，從而解決線卷壓緊不實(shí)的問(wèn)題。針對(duì)打捆機(jī)生產(chǎn)線上缺少散卷冷卻線、盤(pán)卷溫度過(guò)高、盤(pán)卷散亂不規(guī)整的問(wèn)題，李成群[4]通過(guò)研究、對(duì)比國(guó)內(nèi)外多種打捆機(jī)捆絲機(jī)構(gòu)，提出一種新型打捆機(jī)擰絲裝置。該擰絲裝置可在擰緊捆絲的同時(shí)前后移動(dòng)，解決了擰絲頭原地扭轉(zhuǎn)打結(jié)從而導(dǎo)致捆絲擰斷的不足，可實(shí)現(xiàn)打捆結(jié)的防松、防脫，省去了打捆機(jī)上獨(dú)立的防脫和壓平機(jī)構(gòu)。常熟市新冶機(jī)械制造有限公司研發(fā)的森德斯線材打捆機(jī)[5]和摩根線材打捆機(jī)[6]，其打捆機(jī)金屬主體經(jīng)過(guò)熱處理等工序，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、不易氧化、易于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。

（2）在打捆機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)方面，陳龍[7]針對(duì)現(xiàn)有的擰絲頭被助切裝置切斷后易出現(xiàn)切頭不規(guī)整導(dǎo)致打捆機(jī)極易發(fā)生故障現(xiàn)象，設(shè)計(jì)出了可以邊擰結(jié)、邊前進(jìn)的新型擰絲助切缸機(jī)構(gòu)，解決了當(dāng)前線材打捆機(jī)打出的捆結(jié)易卡線的情況，減小了盤(pán)卷捆結(jié)的彎曲應(yīng)力，大大降低了打捆機(jī)故障率，使捆結(jié)更加牢固、可靠。為了充分增大打捆機(jī)喂線系統(tǒng)的抽絲力和捆絲頭夾緊力，付永領(lǐng)、林自旺等[8]利用AMESim 軟件系統(tǒng)對(duì)線材打捆機(jī)執(zhí)行喂絲、抽絲、夾緊等動(dòng)作的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并綜合剖析了喂絲、抽絲過(guò)程中液壓馬達(dá)、液壓泵、蓄能器、液壓管路和壓力繼電器參數(shù)對(duì)馬達(dá)速度的影響，給出了較為優(yōu)化的方案，該方案成功應(yīng)用于打捆機(jī)，大大提升了打捆機(jī)喂線機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。裴忠才、郭磊等[9]根據(jù)鋼材打捆機(jī)運(yùn)行的具體特征，設(shè)計(jì)了一種新型有效的齒輪泵源控制系統(tǒng)，通過(guò)蓄能器與壓力繼電器調(diào)控整體液壓系統(tǒng)的最大、最小壓力從而減少整個(gè)液壓系統(tǒng)的溢流損失，同時(shí)也較好的達(dá)到了減小整體液壓系統(tǒng)發(fā)熱的目的。

（3）在打捆機(jī)的智能化與自動(dòng)化改善方面，北京航空航天大學(xué)[10]致力于打捆機(jī)器人的研究，成功研發(fā)了一臺(tái)新型全自動(dòng)打捆機(jī)器人。該機(jī)器人液壓系統(tǒng)為高效控制回路，有效減少了溢流所產(chǎn)生的壓力損失，同時(shí)改善了系統(tǒng)的發(fā)熱量。該打捆機(jī)器人采用了基于PLC 的雙CPU 管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，為打捆機(jī)的進(jìn)一步智能化奠定了可靠基礎(chǔ)。楊春彬、李建功[11]經(jīng)過(guò)深入研究國(guó)內(nèi)外多種型號(hào)的打捆機(jī)控制器，發(fā)明了一款新型打捆機(jī)控制系統(tǒng)，該打捆機(jī)控制器采用基于西門(mén)子三百系列PLC 的模塊控制器，極大提高了打捆機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，并具備了優(yōu)秀的人機(jī)交互性。付永領(lǐng)、祁曉野等[12]設(shè)計(jì)一款由Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線的全自動(dòng)棒材打捆機(jī)控制系統(tǒng)，該打捆機(jī)具有較高的故障診斷及以我監(jiān)視功能，發(fā)生故障可以進(jìn)行自我報(bào)警并將故障代碼發(fā)送到遠(yuǎn)程控制終端。

從目前情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)的線材打捆機(jī)研究雖然發(fā)展較快，但仍無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需求。國(guó)內(nèi)采用的大部分是半自動(dòng)線材打捆機(jī)，缺少先進(jìn)的設(shè)備與良好的結(jié)構(gòu)，打捆質(zhì)量差、效率低下是當(dāng)前半自動(dòng)線材打捆機(jī)存在的主要不足，同時(shí)打捆機(jī)機(jī)頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上缺乏創(chuàng)新，導(dǎo)致一些打捆機(jī)無(wú)法滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)需要。國(guó)內(nèi)自主制造的打捆機(jī)自動(dòng)化程度較低，不少生產(chǎn)線還存在大量人工操作。通用化程度也較低，一臺(tái)打捆機(jī)往往無(wú)法適應(yīng)多種打捆需要，液壓系統(tǒng)也需要進(jìn)一步革新。

2.2 國(guó)外線材打捆機(jī)研究發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外打捆機(jī)研制起步較早，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品發(fā)展水平相當(dāng)成熟，全自動(dòng)線材打捆機(jī)在國(guó)外的線材生產(chǎn)中已廣泛應(yīng)用。

日本潼川公司研制出的TMB 系列全自動(dòng)線材打捆機(jī)。該打捆機(jī)的的傳動(dòng)系統(tǒng)采用差動(dòng)齒輪的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。可以利用同一個(gè)液壓馬達(dá)先后完成捆線端頭夾緊、喂線抽絲、擰絲以及切斷捆絲，極大節(jié)省了生產(chǎn)成本，使得打捆機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，減小了占地面積，方便維修。瑞典Sund Birsta[13]公司研制的KNCA線材打捆機(jī)，該打捆機(jī)主要由捆軋裝置、液壓喂線裝置、控制器、繼電器等組成，可以適用于多種不同規(guī)格的線材、棒材及型材的捆軋打包，且包裝質(zhì)量良好。瑞典森德斯公司研制的PCH-4KNB/4600 型線材打包機(jī)[14]，這種線材打包機(jī)可以對(duì)C 型鉤上散亂的線卷進(jìn)行托起、壓緊，扭結(jié)裝置由四道打捆頭組成，可以進(jìn)行四道捆軋，打捆可靠性高且外形美觀。森德斯公司研制的KNB 型打包頭，是對(duì)打捆機(jī)構(gòu)的重要改進(jìn)，通過(guò)該KNB 型打包頭完成的扭結(jié)捆絲端頭沒(méi)有明顯的捆線，這樣大大避免了打捆機(jī)捆絲卡線現(xiàn)象的發(fā)生，有較好的外觀效果。信諾公司開(kāi)發(fā)的M20RN -F 全自動(dòng)打捆機(jī)和M410 系列鋼帶打捆機(jī)可以應(yīng)用到現(xiàn)有的線材生產(chǎn)線，該系列打捆機(jī)可以更大限度地提高打捆效率，主要應(yīng)用于高負(fù)載、強(qiáng)拉力、高速打捆的線材打捆場(chǎng)合。公司研發(fā)的另一類M247 模塊化鋼帶打捆設(shè)備[15]首創(chuàng)全電動(dòng)、模塊化全電動(dòng)設(shè)計(jì)，無(wú)需液壓裝置就可工作，單一的電源可以保證更好的控制和監(jiān)測(cè)打捆機(jī)機(jī)頭工作狀況。意大利的富朗公司開(kāi)發(fā)的AM100[16]立式鋼材全自動(dòng)打捆機(jī)和MH200[17]系列打包機(jī)，自動(dòng)化程度較高，可應(yīng)用于各種自動(dòng)重型工業(yè)捆扎裝置。

國(guó)外的打捆機(jī)研制起步比較早，在自動(dòng)化方面有著顯著優(yōu)勢(shì)。發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵產(chǎn)業(yè)線卷打捆包裝技術(shù)已經(jīng)十分完善，基本能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)打捆且打捆后具有良好的外觀，同時(shí)在打捆機(jī)液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)方面的改進(jìn)水平也十分先進(jìn)。

3 當(dāng)前線材打捆機(jī)存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)線材打捆機(jī)研發(fā)雖起步較晚但隨著鋼鐵產(chǎn)量的不斷提高，打捆機(jī)的應(yīng)用已十分廣泛，打捆機(jī)的研制也得到了極快發(fā)展，但仍存在一系列問(wèn)題為：

（1）自動(dòng)化程度較低。我國(guó)鋼材打捆機(jī)自動(dòng)化程度與國(guó)外相比還存在一定差距。我國(guó)鋼材打捆機(jī)缺乏先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，大部分依靠進(jìn)口國(guó)外，所購(gòu)產(chǎn)品大多無(wú)法很好地滿足國(guó)內(nèi)鋼材包裝要求。大部分鋼材加工生產(chǎn)線還未實(shí)現(xiàn)鋼材打包的全自動(dòng)化，人工捆軋仍是國(guó)內(nèi)線材打包的主要方式。

（2）對(duì)打捆包裝機(jī)主要機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和改進(jìn)缺乏研究。打捆機(jī)的可維護(hù)性是設(shè)備連續(xù)運(yùn)行工作的關(guān)鍵，在線材生產(chǎn)線上，打捆機(jī)往往要24 h 不間斷運(yùn)行，難免會(huì)出現(xiàn)碰撞、磨損導(dǎo)致元件損壞，它的先進(jìn)與否直接影響到整個(gè)鋼材打捆的效率和質(zhì)量，因此要充分考慮打捆機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)便、快捷，對(duì)打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。除此之外國(guó)內(nèi)還對(duì)打捆機(jī)的機(jī)頭機(jī)械部分缺乏研究創(chuàng)新[18]。打捆機(jī)機(jī)頭是打捆機(jī)的重要部件，所有復(fù)雜工作均由打捆機(jī)的機(jī)頭執(zhí)行，該部件很大程度上直接影響全機(jī)的使用效率。由于機(jī)頭結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此極易出現(xiàn)故障。對(duì)打捆機(jī)機(jī)頭進(jìn)行持續(xù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化能有效克服打捆機(jī)的結(jié)構(gòu)缺陷，進(jìn)一步提高打捆機(jī)工作可靠性。

（3）可靠性低，機(jī)器易出現(xiàn)故障。主要液壓元件以及各種執(zhí)行部件、檢測(cè)部件的安全性還有待于進(jìn)一步提高。由于打捆機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，因此必須提高打捆機(jī)在高溫、多粉塵環(huán)境下的可靠性，對(duì)發(fā)生的故障能及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)、報(bào)警并將故障信息傳給操作者以進(jìn)行后期修復(fù)。目前國(guó)內(nèi)打捆機(jī)的性能和國(guó)外的性能還具有相當(dāng)大的差距，研制性能優(yōu)良、低故障率的打捆機(jī)對(duì)于提升打捆效率具有重大意義。

（4）噪聲、震動(dòng)大，工作環(huán)境差。國(guó)內(nèi)線材生產(chǎn)環(huán)境較差，因此線材打捆的工作環(huán)境也差，液壓系統(tǒng)易與空氣發(fā)生共振從而產(chǎn)生噪音[19]。具有良好性能的液壓系統(tǒng)必須在線材打捆機(jī)中得到良好應(yīng)用。

4 線材打捆機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的進(jìn)步，新材料、新技術(shù)逐漸在線材打捆機(jī)上得到較好應(yīng)用，為了不斷縮小與國(guó)外先進(jìn)打捆包裝技術(shù)的差距、滿足國(guó)內(nèi)線材生產(chǎn)包裝的更高要求，線材打捆機(jī)應(yīng)具有以下發(fā)展趨勢(shì)：

（1）通用化得到增強(qiáng)。打捆機(jī)工序流程銜接的比較嚴(yán)密，因此各種的線材可以適用同臺(tái)打捆機(jī)，打捆機(jī)也可以按照捆線的種類，自行選用各種材料的捆絲完成打捆工作。目前國(guó)內(nèi)線材打捆機(jī)主要是人工喂絲，但未來(lái)也可以使用打捆機(jī)器人模擬人工的動(dòng)作完成捆線的送絲，這樣就能夠做到常規(guī)打捆機(jī)的多品種化與通用化，智能化程度也同步提升。目前國(guó)內(nèi)部分主流鋼材制造企業(yè)也已開(kāi)始嘗試?yán)么蚶C(jī)器人替代傳統(tǒng)人工完成打捆，但由于投入的故障檢修維護(hù)相對(duì)高昂，還無(wú)法大面積普及，后期在工業(yè)化上通過(guò)進(jìn)一步研究，才能大面積投入工業(yè)化使用。

（2）在減少打捆周期同時(shí)提高打捆效能，以減少故障率。為適應(yīng)鋼材高效率制造，需要增加打捆機(jī)的打捆速度，機(jī)器需要在較低的故障率下連續(xù)工作。當(dāng)前國(guó)外已經(jīng)取得了良好的成績(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，并對(duì)液壓系統(tǒng)以及電子監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了全方位的整改，同時(shí)在報(bào)警系統(tǒng)方面也得到了一定的進(jìn)步，處于領(lǐng)先的水平。因此未來(lái)我國(guó)打捆機(jī)市場(chǎng)將形成全方位機(jī)器故障監(jiān)測(cè)預(yù)警功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，打捆機(jī)能夠自主監(jiān)視、自行告警，并將故障代碼、產(chǎn)生原因等發(fā)送到遠(yuǎn)程管理終端。

（3）朝向?qū)I(yè)化、系列化方向發(fā)展。同一生產(chǎn)線制造的線材質(zhì)量均有差異，為了適應(yīng)對(duì)不同的線材具有不同的生產(chǎn)工藝和包裝需求，線材打捆機(jī)要向產(chǎn)品系列化、專業(yè)化的大趨勢(shì)發(fā)展，需要研發(fā)適合各類鋼材產(chǎn)品打捆的專用鋼材打捆機(jī)，重點(diǎn)體現(xiàn)在各類先進(jìn)捆扎材質(zhì)的應(yīng)用，以及對(duì)捆綁鎖緊方式的革新。國(guó)外已經(jīng)初步完成了打捆機(jī)的系列化和專業(yè)化。為適應(yīng)我國(guó)未來(lái)鋼鐵產(chǎn)業(yè)需要，需要對(duì)打捆機(jī)的種類進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化提高。

（4）更加節(jié)能，更為環(huán)保。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)低碳環(huán)保需要，減少材料和能源消耗，需要使打捆機(jī)朝著更為環(huán)保綠色的方向發(fā)展，不斷提高打捆機(jī)的工作效率。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)線材打捆機(jī)大多依靠進(jìn)口，在線材打捆機(jī)的自主研發(fā)、優(yōu)化與輔助裝備等方面與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距。我國(guó)自主研發(fā)的線材打捆機(jī)存在自動(dòng)化程度低、結(jié)構(gòu)不合理、效率低等問(wèn)題，依靠進(jìn)口國(guó)外線材打捆機(jī)與我國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展生產(chǎn)模式不匹配，因此，開(kāi)發(fā)研制適應(yīng)國(guó)內(nèi)鋼鐵工業(yè)發(fā)展需要的線材包裝打捆機(jī)和相關(guān)輔助裝置是我國(guó)鋼鐵行業(yè)的迫切要求，對(duì)推動(dòng)鋼鐵行業(yè)持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)線材捆扎質(zhì)量的更高要求，必須對(duì)線材打捆機(jī)進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)、革新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高效能。