全自動(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備的技術(shù)改進(jìn)
2021-11-11 來(lái)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(guò)程中故障點(diǎn)多，制樣時(shí)間長(zhǎng)，維修難點(diǎn)大等問(wèn)題。文章中介紹全自動(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備相對(duì)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(dòng)制樣處理，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化改進(jìn)。結(jié)果表明：全自動(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備通過(guò)總體技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn),實(shí)現(xiàn)制樣系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化操作，高效便捷，勞動(dòng)生產(chǎn)率與生產(chǎn)質(zhì)量都得到很大提高，很好地滿(mǎn)足了寧鋼后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)及開(kāi)發(fā)試樣的加工要求。
關(guān)鍵詞：銑磨床；自動(dòng)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(guò)程控制水平的提高，對(duì)于鋼鐵制造業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有著舉足輕重的作用。其中，檢測(cè)裝備是生產(chǎn)過(guò)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(dòng)了鋼鐵企業(yè)特殊檢測(cè)技術(shù)與裝備以及智能化的發(fā)展，檢測(cè)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(jìng)爭(zhēng)要素中，檢測(cè)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(guò)程樣品檢測(cè)的樣品銑磨制備，是整個(gè)樣品檢測(cè)流程中最重要的一個(gè)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(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備對(duì)比分析
（1）原銑磨床采用上卡盤(pán)式夾鉗機(jī)構(gòu)，精度較差，在樣品制備過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)原點(diǎn)無(wú)法復(fù)位，樣品夾持不穩(wěn)定等問(wèn)題，過(guò)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(guò)程中抖動(dòng)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(guò)程是通過(guò) PLC 及傳感器控制多條龍門(mén)傳輸機(jī)構(gòu)及溜槽實(shí)現(xiàn)，此項(xiàng)裝置故障點(diǎn)多，維修難只有通過(guò)人工方式送樣處理。
（4）原銑磨床單次制樣時(shí)間在 100~120s，制樣速度慢進(jìn)而影響整個(gè)樣品的檢驗(yàn)及時(shí)性。分析速度的快慢直接導(dǎo)致整個(gè)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(shí)，樣品銑磨深度不夠，樣品表面有大量的凹坑裂紋，無(wú)法達(dá)到分析要求，在制樣過(guò)程中由于自身剛性不夠，會(huì)導(dǎo)致崩刀現(xiàn)象，不能滿(mǎn)足公司后續(xù)產(chǎn)品升級(jí)及開(kāi)發(fā)的新樣品制備存。
（6）新舊雙工位銑磨床的參數(shù)對(duì)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(duì)比情況分析
2、 全自動(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備的優(yōu)化改進(jìn)及特點(diǎn)
2.1 全自動(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備介紹
全自動(dòng)雙工位銑磨床是能同時(shí)滿(mǎn)足鋼樣、鐵樣加工的制樣設(shè)備，加工時(shí)可以采取多種冷卻方式，確保加工后的試樣溫度滿(mǎn)足分析要求。全進(jìn)口的高精度的動(dòng)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(guó)際先進(jìn)水平。
全自動(dòng)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(dòng)雙工位銑磨床采用模塊化設(shè)計(jì)，具有銑削、砂輪磨、砂帶磨、水冷、氣冷方式及試樣自動(dòng)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(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便。其主要特點(diǎn)如下。
（1）夾具處于上方，減少了夾具被粉塵污染，同時(shí)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(dòng)力頭，加工表面光潔度高。
（4）兩個(gè)工位可同時(shí)獨(dú)立工作，加工效率是傳統(tǒng)銑床的兩倍，并且一個(gè)工位故障后不影響另一個(gè)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(shí)樣品溫升小。
（7）操作界面友好，用戶(hù)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(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備基本構(gòu)成及功能
全自動(dòng)雙工位銑磨床設(shè)備由床身、傳動(dòng)裝置、銑（磨）削裝置、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)線(xiàn)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(gè)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(dòng)裝置：主要由絲桿、線(xiàn)軌、伺服電機(jī)、夾鉗、檢測(cè)裝置以及相關(guān)傳動(dòng)連接件組成。通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)夾鉗可夾持試樣在銑磨床各個(gè)功能區(qū)運(yùn)行，檢測(cè)裝置主要是用于檢測(cè)砂輪上升的位置、夾鉗有無(wú)樣等，防止夾鉗被誤磨損。
（3）銑（磨）削裝置：主要由動(dòng)力頭、銑刀（砂輪）等部分組成，通過(guò)動(dòng)力頭帶動(dòng)銑刀（砂輪）旋轉(zhuǎn)來(lái)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(shí)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(mǎn)足不同試樣加工，操作方便。
（6）工作流程：打開(kāi)安全門(mén)，把試樣放在進(jìn)樣臺(tái)上→關(guān)上安全門(mén)，按下啟動(dòng)按鈕，試樣隨進(jìn)樣臺(tái)上升→進(jìn)樣臺(tái)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(dòng)到加工位置→銑（磨）削頭啟動(dòng)，開(kāi)始加工試樣，同時(shí)吹氣冷卻→銑（磨）削完成后，夾鉗移到出樣臺(tái)放下試樣→打開(kāi)安全門(mén)，取出試樣。
（7）技術(shù)參數(shù)如下：名稱(chēng)，雙工位自動(dòng)銑磨床；型號(hào)，MLF-MILL-02M； 尺 寸， 長(zhǎng) 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(guò)濾器過(guò)濾、去油去水；加工對(duì)象，普碳鋼、鐵水、合金鋼；夾鉗類(lèi)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(shí)間，銑削 30~35s；倒角功能，可以對(duì)試樣進(jìn)行倒角；PLC，三菱；氣動(dòng)元件，SMC；伺服電機(jī)，三菱。
（8）工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介和技術(shù)參數(shù)如下：工業(yè)機(jī)器人能夠自動(dòng)將樣品分配至制樣設(shè)備和分析儀器，能實(shí)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(mén)、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(shí)間長(zhǎng)，該機(jī)器人集成熟技術(shù)和經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試的創(chuàng)新技術(shù)于一身，具有平均故障間隔時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)要求低、維護(hù)時(shí)間短等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。
②速度快，工作循環(huán)時(shí)間短同類(lèi)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(jiān)固耐用，適合惡劣生產(chǎn)環(huán)境 IP 65 防護(hù)等級(jí)。
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(guò)程出現(xiàn)中斷時(shí)，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(jì)，提供多種安裝選項(xiàng)，系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)按照任務(wù)的要求來(lái)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(shí)間，如系統(tǒng)空閑時(shí)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(dòng)雙工位銑磨床在寧鋼實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用
3.1 風(fēng)動(dòng)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(wú)法使用機(jī)器人智能手臂同時(shí)處理，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)改造，將雙厚度樣品建立了獨(dú)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(dòng)送樣器中搬取。
風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)到達(dá)后氣缸打開(kāi)同時(shí)會(huì)將風(fēng)動(dòng)送樣器蓋子拔開(kāi)，機(jī)器人夾鉗會(huì)將風(fēng)動(dòng)送樣器夾取到特制的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，通過(guò)紅外線(xiàn)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(dòng)送樣系統(tǒng)一字排開(kāi)安裝放置，故機(jī)器人手臂的旋轉(zhuǎn)和伸展無(wú)法滿(mǎn)足所有風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)的使用距離。在現(xiàn)場(chǎng)布局中采用將兩臺(tái)雙工位銑磨床與風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)平行擺放，在銑磨床和風(fēng)動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左右行走，用于實(shí)現(xiàn)所有風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)的處理需要。
為了節(jié)省時(shí)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(shí)降到最低。
4、結(jié)語(yǔ)
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(yàn)分析周期，縮短單爐冶煉試樣等待時(shí)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(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)提供有力支持，為全面實(shí)現(xiàn)智慧寧鋼打下基礎(chǔ)。其實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)如下：
（1）實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)室自動(dòng)化管理，改善檢驗(yàn)崗位職工作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
（2）實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)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(dòng)采集，避免了人為因素對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程干擾，降低數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率，使得最終報(bào)出的檢測(cè)數(shù)據(jù)更客觀(guān)真實(shí)。
（3）實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)送樣、自動(dòng)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(guò)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(dòng)化、信息化架構(gòu)。寧鋼檢化驗(yàn)可在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)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(jìng)爭(zhēng)力。
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