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全自動雙工位銑磨床設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)

2021-11-11 來源：寧波鋼鐵有限公司作者：吳江

摘要：寧鋼鋼檢站原銑磨床存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用過程中故障點多，制樣時間長，維修難點大等問題。文章中介紹全自動雙工位銑磨床設(shè)備相對原銑磨床的部分缺陷進(jìn)行改良，增加了智能機(jī)器人用于試樣自動制樣處理，實現(xiàn)優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明：全自動雙工位銑磨床設(shè)備通過總體技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn),實現(xiàn)制樣系統(tǒng)自動化、智能化操作，高效便捷，勞動生產(chǎn)率與生產(chǎn)質(zhì)量都得到很大提高，很好地滿足了寧鋼后續(xù)產(chǎn)品升級及開發(fā)試樣的加工要求。

關(guān)鍵詞：銑磨床；自動化；智能化

0 引言

生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品為鋼鐵企業(yè)所追求，生產(chǎn)過程控制水平的提高，對于鋼鐵制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和新產(chǎn)品開發(fā)有著舉足輕重的作用。其中，檢測裝備是生產(chǎn)過程中控制的關(guān)鍵之一，鋼鐵企業(yè)在產(chǎn)品、能源、環(huán)境等方面需求驅(qū)動了鋼鐵企業(yè)特殊檢測技術(shù)與裝備以及智能化的發(fā)展，檢測技術(shù)與裝備的提升也提高了鋼鐵制造水平。因而在鋼鐵工業(yè)的激烈競爭要素中，檢測技術(shù)與裝備的先進(jìn)性也是重要的組成部分。制樣銑磨床用于煉鋼生產(chǎn)過程樣品檢測的樣品銑磨制備，是整個樣品檢測流程中最重要的一個環(huán)節(jié)，樣品的制備質(zhì)量和速度都直接影響著煉鋼生產(chǎn)。

1、原雙工位銑磨床和全自動雙工位銑磨床設(shè)備對比分析

（1）原銑磨床采用上卡盤式夾鉗機(jī)構(gòu)，精度較差，在樣品制備過程中經(jīng)常出現(xiàn)原點無法復(fù)位，樣品夾持不穩(wěn)定等問題，過程中進(jìn)刀深度不好把控，偏差較大。

（2）原銑磨床床身為整體結(jié)構(gòu)件，非整體鑄造。自重不夠，剛性較差。在樣品制備過程中抖動導(dǎo)致樣品銑磨質(zhì)量不能符合儀器分析要求。

（3）在與送樣系統(tǒng)交互過程是通過 PLC 及傳感器控制多條龍門傳輸機(jī)構(gòu)及溜槽實現(xiàn)，此項裝置故障點多，維修難只有通過人工方式送樣處理。

（4）原銑磨床單次制樣時間在 100~120s，制樣速度慢進(jìn)而影響整個樣品的檢驗及時性。分析速度的快慢直接導(dǎo)致整個煉鋼進(jìn)程。

（5）原銑磨床在制備 40Mn\45Mn\65Mn 等系列工具鋼、刀模鋼樣品時，樣品銑磨深度不夠，樣品表面有大量的凹坑裂紋，無法達(dá)到分析要求，在制樣過程中由于自身剛性不夠，會導(dǎo)致崩刀現(xiàn)象，不能滿足公司后續(xù)產(chǎn)品升級及開發(fā)的新樣品制備存。

（6）新舊雙工位銑磨床的參數(shù)對比情況如表 1 所示。

表1 新舊雙工位銑磨床設(shè)備的參數(shù)對比情況分析

2、全自動雙工位銑磨床設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)及特點

2.1 全自動雙工位銑磨床設(shè)備介紹

全自動雙工位銑磨床是能同時滿足鋼樣、鐵樣加工的制樣設(shè)備，加工時可以采取多種冷卻方式，確保加工后的試樣溫度滿足分析要求。全進(jìn)口的高精度的動力頭和高剛性的床身組合使得機(jī)器運(yùn)行噪音和切削穩(wěn)定性均居國際先進(jìn)水平。

全自動雙工位銑磨床在功能拓展上，易拓展為雙銑削、雙磨削、一邊銑削一邊磨削 3 種制樣設(shè)備功能。全自動雙工位銑磨床采用模塊化設(shè)計，具有銑削、砂輪磨、砂帶磨、水冷、氣冷方式及試樣自動輸入和輸出等功能，工作性能穩(wěn)定，密封可靠，能在惡劣的環(huán)境下連續(xù)使用，壽命長、維護(hù)簡單、操作方便。其主要特點如下。

（1）夾具處于上方，減少了夾具被粉塵污染，同時方便試樣在各工序之間搬運(yùn)。

（2）采用快速進(jìn)出樣技術(shù)，加工周期短。

（3）采用了進(jìn)口的高精度的動力頭，加工表面光潔度高。

（4）兩個工位可同時獨立工作，加工效率是傳統(tǒng)銑床的兩倍，并且一個工位故障后不影響另一個工位。

（5）設(shè)備加工方式齊全，銑刀銑削、砂輪磨削，有多種組合可選：雙銑、雙磨、一銑一磨。

（6）銑削或磨削時樣品溫升小。

（7）操作界面友好，用戶可自定義多組加工程序。

（8）故障率低，維護(hù)方便。

2.2 全自動雙工位銑磨床設(shè)備基本構(gòu)成及功能

全自動雙工位銑磨床設(shè)備由床身、傳動裝置、銑（磨）削裝置、電氣控制系統(tǒng)、自動線系統(tǒng)（工業(yè)機(jī)器人）等組成，各部分組成及功能如下：

（1）床身：整個床身全部采用鋼結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高、自重輕、整體剛性好。

（2）傳動裝置：主要由絲桿、線軌、伺服電機(jī)、夾鉗、檢測裝置以及相關(guān)傳動連接件組成。通過伺服電機(jī)驅(qū)動絲桿，使夾鉗裝置和銑（磨）削裝置平穩(wěn)準(zhǔn)確的運(yùn)行。氣動夾鉗可夾持試樣在銑磨床各個功能區(qū)運(yùn)行，檢測裝置主要是用于檢測砂輪上升的位置、夾鉗有無樣等，防止夾鉗被誤磨損。

（3）銑（磨）削裝置：主要由動力頭、銑刀（砂輪）等部分組成，通過動力頭帶動銑刀（砂輪）旋轉(zhuǎn)來銑（磨）削試樣。

（4）水冷裝置（可選功能）：主要用于砂輪磨削后快速冷卻試樣，縮短制樣時間。

（5）電氣控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)主要由 PLC、伺服系統(tǒng)、人機(jī)界面等組成，控制精度高，穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)可設(shè)置多組加工程序，滿足不同試樣加工，操作方便。

（6）工作流程：打開安全門，把試樣放在進(jìn)樣臺上→關(guān)上安全門，按下啟動按鈕，試樣隨進(jìn)樣臺上升→進(jìn)樣臺上升到位后夾鉗定位試樣并夾緊→夾鉗沿水平方向（X軸方向）移動到加工位置→銑（磨）削頭啟動，開始加工試樣，同時吹氣冷卻→銑（磨）削完成后，夾鉗移到出樣臺放下試樣→打開安全門，取出試樣。

（7）技術(shù)參數(shù)如下：名稱，雙工位自動銑磨床；型號，MLF-MILL-02M；尺寸，長 1900 mm× 高 2200 mm× 深2300mm；重量，5200kg；電源，3 相 380V 交流、50Hz、20kW、接零、接地；壓縮空氣，0.6Mpa、3000L/min，40µm 過濾器過濾、去油去水；加工對象，普碳鋼、鐵水、合金鋼；夾鉗類型，兩爪或三爪；工件硬度，銑削硬度小于HRC 60；單次最大加工深度，普碳鋼 2mm、鐵水 0.5mm、合金鋼 0.5mm；單次加工時間，銑削 30~35s；倒角功能，可以對試樣進(jìn)行倒角；PLC，三菱；氣動元件，SMC；伺服電機(jī)，三菱。

（8）工業(yè)機(jī)器人簡介和技術(shù)參數(shù)如下：工業(yè)機(jī)器人能夠自動將樣品分配至制樣設(shè)備和分析儀器，能實現(xiàn)樣品的快速、準(zhǔn)確傳送，配備安全連鎖功能和安全防護(hù)裝置，可保證在人員和設(shè)備安全的前提下完成快分高性能的傳輸系統(tǒng)。

其由機(jī)械手、控制器、調(diào)校器、安裝底座、夾取裝置、電源電纜、控制電纜、通訊電纜、安全屏障、安全門、防撞裝置等組成，具備以下特性：

①可靠性強(qiáng)，正常運(yùn)行時間長，該機(jī)器人集成熟技術(shù)和經(jīng)嚴(yán)格測試的創(chuàng)新技術(shù)于一身，具有平均故障間隔時間長、維護(hù)要求低、維護(hù)時間短等多項優(yōu)點。

②速度快，工作循環(huán)時間短同類機(jī)器人中操作速度最快。

③精度高，零件生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定具有極高重復(fù)定位精度±0.05mm 和軌跡精度。

④堅固耐用，適合惡劣生產(chǎn)環(huán)境 IP 65 防護(hù)等級。

⑤效率高，工業(yè)機(jī)器人有相應(yīng)的設(shè)定程序，當(dāng)工業(yè)機(jī)器人夾取試樣或者分析過程出現(xiàn)中斷時，工業(yè)機(jī)器人有固定的復(fù)位途徑，并能快速恢復(fù)正常工作。

⑥通用性佳，柔性化集成和生產(chǎn)采用后彎式設(shè)計，提供多種安裝選項，系統(tǒng)運(yùn)行自動按照任務(wù)的要求來進(jìn)行智能優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)行路徑，可以有效節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)行時間，如系統(tǒng)空閑時機(jī)器人處于試樣輸入窗口待機(jī)位置等。

⑦技術(shù)參數(shù)如下：技術(shù)參額定負(fù)載（kg），不小于 20；結(jié)構(gòu)形式，串聯(lián)；工作半徑（mm），不小于 1600；重復(fù)精度（mm），±0.04；最大工作范圍（第一軸），±170°；第二軸，+85°/-65°；第三軸，+70°/-180°；第四軸，±300°；第五軸，±120°；第六軸，±360°；最大速度（第一軸），100°/s；第二軸，90°/s；第三軸，90°/s；第四軸，170°/s；第五軸，120°/s；第六軸，190°/s；本體重量（kg），320；安裝方式，地面。

3、全自動雙工位銑磨床在寧鋼實驗室的應(yīng)用

3.1 風(fēng)動送樣系統(tǒng)樣品排出方式

因使用的是雙厚度樣品和球拍樣品兩種狀態(tài)，所以無法使用機(jī)器人智能手臂同時處理，經(jīng)過現(xiàn)場改造，將雙厚度樣品建立了獨立的樣品排除機(jī)構(gòu)，再使用機(jī)器人手臂搬取樣品，球拍樣可直接從風(fēng)動送樣器中搬取。

風(fēng)動送樣系統(tǒng)到達(dá)后氣缸打開同時會將風(fēng)動送樣器蓋子拔開，機(jī)器人夾鉗會將風(fēng)動送樣器夾取到特制的旋轉(zhuǎn)平臺，通過紅外線定位后，采用升降氣缸夾鉗把樣品夾出，再由機(jī)器人智能手臂進(jìn)行搬取樣品到銑磨床制樣工位。

3.2 機(jī)器人運(yùn)行方式

因改造前 11 套風(fēng)動送樣系統(tǒng)一字排開安裝放置，故機(jī)器人手臂的旋轉(zhuǎn)和伸展無法滿足所有風(fēng)動送樣系統(tǒng)的使用距離。在現(xiàn)場布局中采用將兩臺雙工位銑磨床與風(fēng)動送樣系統(tǒng)平行擺放，在銑磨床和風(fēng)動送樣系統(tǒng)之間鋪設(shè)軌道，智能機(jī)器人安置與軌道上實現(xiàn)機(jī)器人的左右行走，用于實現(xiàn)所有風(fēng)動送樣系統(tǒng)的處理需要。

為了節(jié)省時間，在系統(tǒng)軟件中設(shè)定了優(yōu)先順序，根據(jù)樣品的緊急情況命令機(jī)器人優(yōu)先處理緊急樣品。根據(jù)銑磨床工位的空閑情況以及智能機(jī)器人距離工位的距離遠(yuǎn)近，選擇最近的空閑工位處理樣品，將樣品制備耗時降到最低。

4、結(jié)語

改造后的雙工位銑磨床投運(yùn)后有利于降低生產(chǎn)消耗成本，減少試樣檢驗分析周期，縮短單爐冶煉試樣等待時間，減少合金、電極、耐火材料等冶煉用輔料及氣、電等能源介質(zhì)的消耗，提高了自動化、信息化、智能化水平，使操作更加規(guī)范化、流程化，為數(shù)據(jù)智能化煉鋼提供檢驗數(shù)據(jù)提供有力支持，為全面實現(xiàn)智慧寧鋼打下基礎(chǔ)。其實現(xiàn)的主要目標(biāo)如下：

（1）實現(xiàn)了檢驗室自動化管理，改善檢驗崗位職工作業(yè)環(huán)境、降低勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險，提高勞動生產(chǎn)率。

（2）實現(xiàn)了檢驗數(shù)據(jù)信息化管理，將人工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移改為數(shù)據(jù)自動采集，避免了人為因素對檢驗過程干擾，降低數(shù)據(jù)錯誤率，使得最終報出的檢測數(shù)據(jù)更客觀真實。

（3）實現(xiàn)了自動送樣、自動制樣，確保制樣質(zhì)量的可靠性，更能代表試樣的穩(wěn)定性，提高樣品分析結(jié)果的重復(fù)性。

通過上述目標(biāo)的達(dá)成，建立支撐寧鋼質(zhì)量把控完整的自動化、信息化架構(gòu)。寧鋼檢化驗可在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過持續(xù)不斷的完善和補(bǔ)充，建設(shè)基于互聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的智慧制造模式，有利于提升寧鋼的核心競爭力。

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