粗规格大盘重智能化拉拔生产线设计.pdf

第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.008第4期No.4金属制品Metal Products粗规格大盘重智能化拉拔生产线设计2023年8 月August2023张瑜庆，曹德付，高俊杰（中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司，河南郑州450 0 0 1）摘要：加工粗规格大盘重盘条时存在拉拔安全性差、效率低等问题。开发制造智能化、高效率且安全系数高的粗规格大盘重拉拔生产线是企业发展的需求。拉拔生产线实现智能化的关键是各设备之间的协调一致性和控制系统整体设计。要求从盘条放线起，自动找头、自动送料、自动切头、自动抛丸处理、自动削头、自动穿模挂车拉拔等全程自动操作，不需要人工辅助；需要采用大量气动元件和液压元件及传感器，采用集散控制系统，应用PLC、触摸屏显示器进行编程控制与全数字闭环及图形显示等功能的控制装置。关键词：智能化；编程控制；数字闭环；图形显示；自动送料；抛丸处理中图分类号：TC356Design of intelligent drawing production line for large diameter heavy coil(Sinosteel Zhengzhou Research Institute of Steel Wire Products Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)Abstract:There are some problems in processing of heavy coil steel wire,such as drawing poor safety and low efficiency.The development and manufacture of intelligent,high efficiency and high safety coefficient heavy drawing production linewith large coil is demand of enterprise development.The key to intellectualization of drawing production line is coordinationand consistency of equipment and overall design of control system.From wire rod laying,automatic head finding,automaticfeeding,automatic head cutting,automatic shot blasting surface treatment,automatic turning end,automatic die piercingtrailer drawing and other automatic operations are required,without manual assistance.It needs a large number of pneumat-ic and hydraulic components and sensors,a distributed control system,PLC and touch screen display for programming con-trol and full digital closed-loop and graphic display.Keywords:intelligent;programming control;digital closed-loop;graphic display;automatic feeding;shot blasting treatment随着我国汽车制造业的快速发展，悬架簧、铆螺钢、工具钢用粗规格钢丝需求量逐年递增,但国内传统粗规格钢丝拉拔生产工艺及装备长期无法满足市场需求。为了响应国家号召，实现工业转型升级，建设网络化、数字化、智能化的加工车间，实现制造装备的自动化、信息化，为企业转型升级打下基础，笔者针对智能化粗规格大盘重拉拔生产线设计思路做了一些探讨。1粗规格钢丝拉拔生产工艺现状1.1生产工艺现状粗规格钢丝生产传统工艺：盘条放线一送丝矫直表面除锈在线探伤拉拔收线。国内企业和以我国台湾地区为代表的拉拔设备制造企业借鉴国外技术，对传统工艺进行了改造提升，优文献标识码：AZhang Yuqing,Cao Defu,Gao Junjie化了粗规格拉拔生产线，改进后工艺路线采用双工位开卷机放线,增加了削头工序。改进后工艺路线：盘条削头一双工位开卷机放线表面除锈一探伤（修磨）拉拔一收线。国内某企业的粗规格钢丝拉拔工艺路线如图1所示。优化后的工艺共同点是钢丝头部处理采用削头机替代传统的轧尖机,基本实现了自动车削；拉丝机均采用了自动穿头，液压钳口自动伸缩挂车技术，拉丝机挂车、下线操作人员遥控操作就可以自动完成，减轻了工人劳动强度，提高工作效率、减少了危险源。不同点在于对原材料表面氧化皮处理方式及原料盘条放线方式。1.2存在问题分析随着工业技术的发展，金属制品装备水平和盘条加工方式也有了很大提高。用直进无扭转方式、多道次把金属粗丝拉拔至成品，一次收卷而成，这种28选型盘条上线视觉检测配合机器人自动导正穿线入整形自动矫直自动检测整形进入削尖设备，自后首段动夹紧，刀具设定型号后自动调整自动切首段自动车削图1国内某企业的粗规格钢丝拉拔工艺路线Fig.1 Heavy coil steel wire drawing process indomestic enterprise方式对控制要求非常高，相邻道次之间也存在协调联动。中细规格钢丝拉拔以直进式拉丝机连续拉拔为主，尤其是近几年更节能的永磁直驱技术的成熟应用，永磁直驱直进式拉丝机快速得到金属制品生产企业的认可，被广泛采用 。但传统工艺路线拉拔粗规格钢丝时各工序都是人工操作，尤其轧尖、拉拔挂车环节劳动强度高、风险隐患大、效率低。加工粗规格大盘重盘条存在诸多问题,如拉拔时轧尖难、穿头难、挂车难，安全性差、效率低等。应用市场对改进粗规格钢丝生产加工工艺及装备提出新的要求。开发制造智能化、高效率、安全系数高的自动化生产线是企业发展的需要。2智能化粗规格大盘重钢丝拉拔生产工艺智能化粗规格大盘重钢丝拉拔生产工艺是针对现有工艺存在的问题而开发的数字化、智能化、效率高、安全系数高的自动化生产工艺。从盘条进料开始，一直到拉拔收线完成全程自动操作，基本不需要人工辅助，生产线连续化生产。设备使用了大量的气动元件和液压元件及传感器，采用广数六轴控制系统进行编程控制、全数字闭环及图形显示等功能的精密设备，系统可以预留数据上传接口便于实现设备运行远程监控，与MES系统联网进行相关的数据处理及上报。为实现智能化、数字化管理打下基2.1控制要求从盘条放线起，到挂车拉拔等步骤全程自动操作，不需要人工辅助；采用大量气动元件和液压元件及传感器,采用集散控制系统，应用PLC、触摸屏显示器进行编程控制、全数字闭环及图形显示等功能的控制装置。智能化粗规格大盘重钢丝拉拔生产线示意图如图2 所示。金属制品拉丝盘转动，转到额自动对接拉丝摄定价度后彩松究自动拉丝拉丝盘停止位置由以油缸为动力，自传感器精准控制动装夹钢丝头部自动穿模具机器人引导自动对接模具剥皮处理个车削部分自动推出后自动装夹夹紧钢丝前后端第49 卷拉丝完成人工更换接料盘拉丝部分图2 智能化粗规格大盘重钢丝拉拔生产线示意图Fig.2 Diagram of intelligent drawing production line of large diameter heavy coil steel wire2.1.1放线矫直接头生产线实现一键式自动开启，采用无人叉车或者智能吊车将解绑的盘条放在放线架旋转横柱上。运用3 D视觉或者机械方式寻找料头位置，将料头喂人开卷机。通过传感器采集信号，经控制系统内部处理，根据输入参数开卷机自动完成对原料的夹送、精细矫直等动作。由于大规格盘条料头弯曲，矫直效果很难达到拉拔要求，在矫直器后增加自动切割机，对原料夹紧固定、迅速切除头部弯曲部位，同时完成对废料及颗粒废弃物的收集。切头后的钢丝自动进人削尖机构，进行削尖处理，削尖工作完成后，机器人视觉检测削尖钢丝头部位置，夹爪抓取钢丝送人到对接模具内接头。2.1.2表面处理除锈抛丸机通过传感器感知原料到位后自动启动或停止，完成盘条表面抛丸处理，除去原料表面的氧化皮和锈斑。2.1.3拉拔卷筒转动到规定位置后停止，液压缸推动卡爪定位夹取钢丝，钢丝的抓取位置由传感器或者视觉系统进行监控,以防位置偏移或者抓不到位的情况，在钢丝绕过一定圈数后，夹头自动松开，钢丝自动掉落在下方料框上。模盒有旋转功能，可自动调整钢丝角度，使盘条从模盒穿出后与拉丝机卷筒相切。拉丝机卷筒有自动定位功能，保证具有自动伸缩、张开、闭合功能的钳口停在盘条与卷筒相切的位置,控制系统控制拉丝机自动完成盘条穿模、模盒调整角度或移动、钳口张开与咬合完成挂车、拉拔、下线等一系列连贯操作，实现拉丝机的全自动运行。2.2智能化粗规格大盘重钢丝拉拔还需完善的功能2.2.1控制系统实现智能化粗规格大盘重钢丝拉拔的关键点是控制系统整体设计。整套生产线各设备之间的协调一致性如何实现，控制系统设计是关键。生产表面处理部分放线矫直接头部分第4期线上每一台设备要实现功能都比较多，而且前后设备的动作有较多的关联，一旦匹配不好生产线就不能顺畅运行。所以系统软件设计是重点，必须解决好。2.2.2放线矫直接头放线自动识别找头、辅助穿头，利用新技术、新手段如机器人和3 D视觉摄像等完成原材料头部识别、抓取、搬运，将料头准确无误导入开卷机入口，便于开卷机完成原料输送。开卷机精准矫直功能的完善，为了使削头机顺利削头，原料必须矫直，开卷机上夹送辊后面就是矫直辊，矫直辊怎样根据原料直径参数，自动调整其位置使盘条得到有效矫直，且能适应一定范围直径大小的原料，满足削头机削头及后续拉拔生产需要。需要借鉴国外的先进技术和经验进一步提升现有开卷机的性能，采用先进的传感器和驱动器，适时调整矫直辊的位置，使原材料达到理想的矫直状态，为原材料削头做好前处理。如果原材料头部不能做好矫直工作，不能满足削头需要，就必须使用自动切割机将原材料头部弯曲部分切掉。全自动切割机的功能实现，将现有普通切割机改成自动化，切割机需要首先具备原料定位功能，一且原材料头部移动，检测传感器迅速将信息反馈到控制系统，系统发出相应指令使切割机完成自动启动、原料夹紧、切割等一系列动作；待料头切断,安装在切割机台板上的感应器感应到料头切断后，反馈信号给控制系统，使切割机关停、松开原料，完成所有动作，回复到初始状态。削头机自动功能的完善，当前国内应用的削头机处于半自动状态，需要人工根据线径更换刀具定位卡盘来调节车刀位置；车刀纵向移动启动、停止旋转都是人工干预完成的。要实现自动化，就必须利用伺服控制系统或液压调节系统与各种传感器相配合实现车刀根据线径参数精准定位，使削头机根据自动削头工艺流程需要逐一完成各种动作。车削完成后刀具自动归位，盘条在反向牵引下从削头机完全退出。削头机在电机驱动下自动从盘条走线位置移开回到初始位置，为正常拉拔提供通道。自动生产线穿线过程顺畅的关键是自动导向装置，生产线穿线能否顺畅是生产线实现全自动的关键一环，这个问题必须解决好，在各设备之间安装过线导向装置，即采用万向轴承与无缝管连接，有大锥度的喇叭形导向器，便于盘条顺利导人设备。张瑜庆，等：粗规格大盘重智能化拉拔生产线设计限公司工程师。292.2.3拉拔为生产高精度钢丝产品，提高产品质量，必须增加在线线径检测，钢丝线径超差报警功能 3 ，即在盘条拉拔模盒出线位置安装测径仪，设定线径的大小，超过线径时起到报警或停机作用。3智能化粗规格大盘重钢丝拉拔装备制造建议目前国内半自动状态的拉拔生产线拉丝机挂车过程是操作工通过无线遥控器完成的。需要应用各种位置传感器实现启动拉拔生产线时拉丝机自动启动旋转卷筒，同时支撑钳口的液压系统也开始工作，完成钳口的伸出、张开。当钳口到达盘条与卷筒相切位置，拉丝机自动停车等待，待盘条穿过拉丝模到达钳口时，检测信号反馈到控制系统，系统迅速发出一系列指令使钳口咬合盘条，启动拉丝机、开卷机、收线机等一系列相关设备，然后整条生产线进入自动运行状态。为了保持智能化连续化生产，建议如下。（1)开卷机采用双工位放线减少原材料准备时间。（2)收线工位配AGV智能搬运车，提高换盘效率。（3)前端增加在线自动对焊、修磨等设备,加大收线盘重，减少停机时间,这样也减少了热处理工序的工作量，提高了成材率。（4）为实现工业真正意义的转型升级，实现自动化、网络化、数字化、智能化工厂，可以在全自动生产线的基础上,增加软件的数据收集、管理功能，实现2 4h不间断机器监控及数据记录，实时监控第一时间发现和上报问题，实现远程监控和管理。增加设备正常运行时间，根据趋势灵活安排检修。为MES/ERP整合，预测性维护、设备健康管理等打下基础，做好准备工作。参考文献1 王宝玉，曹德付，沈献民，等.PC钢绞线标准修订助力企业绿色生产 J.金属制品，2 0 2 2,48（5）：3 8 40.2张天光，吴红其.永磁直驱拉丝机电气控制J金属制品,2 0 2 1,47(4):40-42.3黄海平,赵光兴.基于线径反馈的模糊PID控制在拉丝机械上的应用 J.中国仪器仪表，2 0 0 7，18 9（0 8）：53-55.(收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 8)作者简介张瑜庆1965年生，中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司高级工程师。曹德付1970年生，中钢集团郑州金属制品研究院股份有限公司高级工程师。高俊杰1989年生，中钢集团郑州金属制品研究院股份有