秦玉成

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)智能設(shè)備的要求越來越高。本文討論了一種全鋼硫化機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用，該裝置的設(shè)計(jì)本著優(yōu)化效率、提升自動(dòng)化水平的思路，從胎坯自動(dòng)運(yùn)送定位、裝胎機(jī)械手轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出自動(dòng)裝胎、主機(jī)自動(dòng)合模加壓硫化、主機(jī)自動(dòng)卸壓開模、卸胎輥道自動(dòng)有序輸送輪胎等功能出發(fā)，完成了硫化機(jī)設(shè)計(jì)。整臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)受力均勻，運(yùn)行平穩(wěn)，效率良好，定位精度高。設(shè)備的成功開發(fā)減少了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)無人操作，使產(chǎn)線的自動(dòng)化程度顯著提高。

關(guān)鍵詞：輪胎硫化機(jī);智能制造;變頻控制;存胎器

0 引言

隨著智能物流、智能生產(chǎn)、智能工廠等理念的發(fā)展與落地，輪胎的生產(chǎn)正穩(wěn)步向著智能制造推進(jìn)。硫化是輪胎加工的末道工序，也是生產(chǎn)成品輪胎的關(guān)鍵步驟，它將預(yù)備和成型產(chǎn)出的生胎坯放置在輪胎模具中，在一定的溫度和壓力作用下，經(jīng)過一定的時(shí)間，最終形成具有各種規(guī)格花紋的輪胎。輪胎的多項(xiàng)性能指標(biāo)均取決于硫化工序的生產(chǎn)工藝，硫化機(jī)正是完成這道工序的終端設(shè)備。傳統(tǒng)的機(jī)械式硫化機(jī)因合模力不穩(wěn)定、橫梁易變形、自動(dòng)化程度低等缺陷制約了生產(chǎn)效率，顯然無法滿足輪胎智能制造的需要。

為了適應(yīng)輪胎硫化工藝的智能化發(fā)展，立項(xiàng)開發(fā)了全鋼子午輪胎智能硫化機(jī)，用以替代市場(chǎng)上的傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備——機(jī)械式硫化機(jī)。新機(jī)型實(shí)現(xiàn)了全鋼子午輪胎的胎坯自動(dòng)運(yùn)送、機(jī)械手自動(dòng)裝卸胎、自動(dòng)硫化等生產(chǎn)過程，提高了輪胎生產(chǎn)的效率及品質(zhì)。

1 設(shè)備開發(fā)思路

本款硫化機(jī)主要采用了液壓+變頻電機(jī)的控制模式，胎坯輸送由自動(dòng)輸送物流小車從機(jī)器操作側(cè)頂部輸送至硫化機(jī)操作側(cè)，定位后物流小車停止運(yùn)動(dòng)，下降，胎坯落至胎坯存胎器定位裝置上，存胎器將胎坯自動(dòng)送至機(jī)械手抓取位置，機(jī)械手下降抓取胎坯，放至中心熱板，自動(dòng)合模，加溫加壓，定時(shí)硫化，硫化完成后自動(dòng)開模，卸胎機(jī)械手抓取成品輪胎放至機(jī)器后部卸胎輥道上，卸胎輥道將成品輪胎送至主運(yùn)輸帶，輸出硫化地溝，進(jìn)入下道工序。

整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，單臺(tái)機(jī)器總重約在25t左右，高度約7.3m，寬度約4.2m，機(jī)器空循環(huán)時(shí)間約200s，設(shè)計(jì)規(guī)劃一條硫化地溝可布置18*2臺(tái)硫化機(jī)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

設(shè)備由自動(dòng)存胎器、裝卸胎機(jī)械手、主機(jī)、卸胎輥道等幾個(gè)主要部分組成，這些結(jié)構(gòu)以自動(dòng)化及一體化聯(lián)動(dòng)，完成輪胎硫化工藝，實(shí)現(xiàn)輪胎硫化的無人操作。

2.1 自動(dòng)存胎器

自動(dòng)存胎器的主要作用是存放生胎坯。物流小車定點(diǎn)投放胎坯后，存胎器承接住胎坯并輸送至裝胎機(jī)械手下方，確保機(jī)械手在確定位置抓取到胎坯。它既與頂部物流小車對(duì)接，又要輔助裝胎機(jī)械手進(jìn)行裝胎，是主機(jī)與物流輸送之間的過渡載體。

自動(dòng)存胎器主要結(jié)構(gòu)為框架式結(jié)構(gòu)。存胎器由底盤、定位塊、移動(dòng)架、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、定位開關(guān)等組成，底盤底部安裝有腳輪及定位盤，為可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，主機(jī)維修及模具更換時(shí)存胎器能夠推移至其他地方，增大維修空間;移動(dòng)架由定位塊、移動(dòng)體組成，移動(dòng)架與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固連，起到移動(dòng)的作用;定位塊由4個(gè)錐度體組成，形成一個(gè)由大到小的錐度圓體，胎坯存放在錐度體內(nèi)側(cè)，實(shí)現(xiàn)規(guī)格大小的自動(dòng)更換，錐度斜塊起定位與支撐胎坯作用。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由變頻電機(jī)、減速機(jī)、同步帶組成，為胎坯移動(dòng)提供動(dòng)力。定位開關(guān)將檢測(cè)信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)與停止，使胎坯的起始與終點(diǎn)位置準(zhǔn)確無誤，起到準(zhǔn)確定位胎坯位置的作用。

2.2 裝胎機(jī)構(gòu)

裝胎機(jī)構(gòu)用于將胎坯從存胎器位置抓取并安放至模具內(nèi)部，目的就是用機(jī)械手來代替人工取放胎坯，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝胎的功能。它的取胎坯位置是存胎器存放胎坯的位置，取胎坯后機(jī)械手帶著胎坯上升旋轉(zhuǎn)進(jìn)入模具中心位置，下降后機(jī)械手收縮，將胎坯自動(dòng)準(zhǔn)確地安放在模具內(nèi)部。

裝胎機(jī)構(gòu)由升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、機(jī)械手等幾個(gè)部件共同組成，通過上升、下降、旋轉(zhuǎn)張縮等動(dòng)作完成抓取、安放胎坯的過程。

2.2.1 升降及旋轉(zhuǎn)裝置

升降裝置與傳統(tǒng)的水缸、油缸驅(qū)動(dòng)方式明顯不同。無論是水缸還是油缸，總是會(huì)存在缸體內(nèi)部滲漏、外部接頭漏油等問題，造成裝胎油缸下滑，機(jī)械手高度不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致無法裝胎。為了解決此類問題，本次設(shè)計(jì)采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，即變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，帶動(dòng)機(jī)械手沿固定軌道升降并通過光電開關(guān)檢測(cè)傳送信號(hào)，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)與停止，滿足機(jī)械手高度準(zhǔn)確定位的功能。

旋轉(zhuǎn)裝置也采用了變頻電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)方式，舊機(jī)型均選用水缸或氣缸推動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)并有緩沖器作為機(jī)械定位，但這種結(jié)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)起步轉(zhuǎn)動(dòng)較慢，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)又速度過快，給緩充器帶來相當(dāng)大的沖擊，造成緩沖器損壞頻繁。變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有效地解決了這個(gè)問題，在減速電機(jī)的帶動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)速度恒定，到達(dá)定點(diǎn)位置后光電開關(guān)發(fā)送信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手停止旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與中心機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確定中。

2.2.2 機(jī)械手

機(jī)械手是抓取胎坯的核心機(jī)構(gòu)，能進(jìn)行自動(dòng)張縮的動(dòng)作，爪片收縮后下降進(jìn)入胎坯內(nèi)部，達(dá)到一定高度后機(jī)械手自動(dòng)張開，爪片的外形呈圓弧狀，撐住胎坯內(nèi)孔。這個(gè)動(dòng)作既有對(duì)胎坯的定位作用，又能抓取胎坯。

機(jī)械手的設(shè)計(jì)采用了轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)、推動(dòng)滑塊在圓弧槽內(nèi)沿徑向做直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)械原理，即六個(gè)爪片固定在相應(yīng)的滑塊上，氣缸推動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，滑塊沿著轉(zhuǎn)盤上的六個(gè)滑槽做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)爪片的自動(dòng)張縮。

2.2.3 裝胎機(jī)構(gòu)的精度

通過整個(gè)機(jī)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，裝胎機(jī)構(gòu)的承重能力與動(dòng)作精度相對(duì)于機(jī)械式硫化機(jī)的裝胎機(jī)構(gòu)有著較大的提高，為機(jī)器自動(dòng)化運(yùn)行提供更有效的保障。

2.3 卸胎機(jī)構(gòu)

卸胎機(jī)構(gòu)用于將硫化后的成品輪胎從模具中取出，放置在后部卸胎輥道上。卸胎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與裝胎機(jī)構(gòu)類似，同樣由升降裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、機(jī)械手等機(jī)構(gòu)組合而成。但卸胎機(jī)構(gòu)設(shè)置在主機(jī)后側(cè)，在主機(jī)操作側(cè)的對(duì)面。卸胎對(duì)高度及旋轉(zhuǎn)精度要求相對(duì)較低，液壓配管容易實(shí)現(xiàn)，故在卸胎機(jī)構(gòu)中升降裝置采用油缸驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)裝置采用氣缸驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)方式。

2.4 主機(jī)加壓裝置

半鋼硫化機(jī)主機(jī)承受的合模力來自于主機(jī)上方的增壓油缸，單模壓力一般在1960KN左右;機(jī)械式硫化機(jī)主機(jī)承受的合模力來自于電機(jī)，單模壓力在4500KN左右;全鋼智能硫化機(jī)對(duì)合模力的要求也同樣要達(dá)到4500KN才能滿足輪胎硫化工藝的需求，本裝置設(shè)計(jì)中采用液壓加壓的方式來達(dá)到所需的合模力。

首先要確認(rèn)增壓油缸的安裝位置。半鋼硫化機(jī)的增壓油缸在機(jī)器主框架的正上方，壓力可達(dá)到1960KN，機(jī)架不發(fā)生形變。而全鋼硫化機(jī)的合模力在4500KN左右，如果還是將增壓裝置設(shè)計(jì)在機(jī)器上方，將對(duì)機(jī)架產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，為了確保機(jī)架不發(fā)生形變，設(shè)計(jì)中將增壓缸布置于主機(jī)硫化室下托板的下方。

其次，確保合模力滿足工藝要求，確認(rèn)增壓油缸的缸徑是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果合模力不達(dá)標(biāo)，硫化出的輪胎會(huì)出現(xiàn)飛邊，造成輪胎缺陷，產(chǎn)生廢胎。根據(jù)下托板的面積及結(jié)構(gòu)布局，初步確認(rèn)使用6個(gè)增壓油缸，但使用多大直徑的油缸才能達(dá)到所需要的合模力，需在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)已知條件，最大合模力F1=4500KN，設(shè)定液壓系統(tǒng)工作壓力120kg/cm2，則每個(gè)油缸承受的壓力為F=750KN。增壓油缸缸徑計(jì)算：

由P=F/S

P——液壓系統(tǒng)工作壓力

F——作用在活塞上的負(fù)載力

S——活塞有效工作面積

S=F/P ? ? ? ? S=750×102kg/120kg/cm2=625cm2

S=πD2/4 ? ? ?D=28.2cm

為獲取最大安全系數(shù)，取增壓油缸缸徑為φ310mm，

由此得：F0=PS0=PπD2/4=120×3.14×312/4=905.3KN;

根據(jù)安全系數(shù)1.1～1.2范圍，905.3÷750=1.2取得安全系數(shù)是1.2為最大值，如果取安全系數(shù)最小值1.1則F=905.3/1.1=823KN

823KN≥750KN

即F0≥F

由此得出，加力油缸直徑310mm，可以滿足750KN的加壓力。

已知柱塞的直徑為φ310mm，產(chǎn)生750KN的油壓為P

P=750×4/π·312=99.4kg/cm2

由上可知硫化時(shí)加力油缸的油壓約為120kg/cm2便十分可靠。

2.5 卸胎輥道

卸胎輥道采用半鋼液壓硫化機(jī)的輥道方式，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩道擋胎桿，第一道擋胎桿是對(duì)從模具中出來的輪胎進(jìn)行分段控制，目的是確保輪胎能有足夠時(shí)間降溫冷卻;第二道擋胎桿由一個(gè)電磁閥集中控制，此電磁閥接受放胎指令后統(tǒng)一放胎，避免輪胎在進(jìn)入主運(yùn)輸帶時(shí)相互干涉，造成主運(yùn)輸帶上輪胎卡滯，無法正常輸送。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

輪胎硫化的前道工序是成型，成型與硫化在不同的生產(chǎn)區(qū)域。如何取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)，將成型產(chǎn)出的胎坯自動(dòng)輸送到硫化區(qū)并順利存放在硫化機(jī)的生胎存胎器上是實(shí)現(xiàn)整機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵點(diǎn)。

輪胎工廠現(xiàn)有的胎坯運(yùn)輸模式是用人力小車將車間所有的成型胎坯推送至硫化車間，再由硫化機(jī)操作工將胎坯放至硫化機(jī)存胎器上，小車上的胎坯被硫化操作工全部取走要有一個(gè)時(shí)間段，故硫化車間需要配備一定數(shù)量的輔助工和大量小車，硫化機(jī)工作場(chǎng)地也常常被胎坯小車占據(jù)了很多位置。經(jīng)過研討，將方案細(xì)化分解，著重落實(shí)以下幾方面的問題：

3.1 成型生產(chǎn)區(qū)域胎坯的自動(dòng)收集

參考一些先進(jìn)的輪胎廠自動(dòng)化物流運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)，在成型車間配備了懸掛鏈輸送體系，這套體系可以使成型機(jī)產(chǎn)出的胎坯在車間頂部（成型機(jī)器上方）流水線運(yùn)送，最終送至指定的位置區(qū)域。

3.2 設(shè)立胎坯自動(dòng)存放與交換區(qū)

成型自動(dòng)輸送過來的胎坯需要一個(gè)固定的地方存貯，硫化工序也可以到此處取走胎坯，這就要求在成型與硫化兩道工序之間建立一個(gè)交換平臺(tái)，以滿足成型與硫化的工序切換。經(jīng)過縝密討論，此交換區(qū)設(shè)置在硫化生產(chǎn)區(qū)域的起始端（緊臨成型區(qū)），在存放與交換平臺(tái)內(nèi)，成型送來的胎坯經(jīng)過爬坡、對(duì)中等多種運(yùn)送模式到達(dá)取胎坯區(qū)等待下一步動(dòng)作。

3.3 自動(dòng)取胎坯物流小車

在硫化機(jī)生產(chǎn)區(qū)域車間頂部（硫化機(jī)上方）設(shè)置了固定的軌道，然后由物流小車沿著固定軌道到胎坯存放與交換區(qū)取胎坯，取到胎坯的物流小車承載著胎坯在固定軌道上行走，地面的硫化機(jī)與物流小車由MES系統(tǒng)傳送信號(hào)，如果存胎器上缺少胎坯，物流小車在指定位置下降，將胎坯放至硫化機(jī)存胎器上，再上升后快速返回至胎坯存放與交換區(qū)，繼續(xù)抓取胎坯。

4 動(dòng)作程序

18*2臺(tái)全鋼智能硫化機(jī)呈Ⅱ狀一字排開，物流小車從胎坯存放點(diǎn)取走胎坯后，沿著設(shè)定的軌道前進(jìn)到達(dá)指定放胎坯位置，自動(dòng)停止，向下放胎坯，自動(dòng)存胎器接取胎坯，垂直移動(dòng)至裝胎位，裝胎機(jī)械手動(dòng)作，向下抓取胎坯，上升并旋轉(zhuǎn)，下降放胎，中心機(jī)構(gòu)充氣定中，硫化室合模，加溫、加壓進(jìn)行硫化。硫化結(jié)束，卸胎機(jī)械手下降轉(zhuǎn)進(jìn)取胎，取胎后上升、旋轉(zhuǎn)、下降，將成品輪胎放至卸胎輥道，卸胎輥道動(dòng)作，將輪胎輸送到第一道存放位，一定時(shí)間后再輸送到第二個(gè)存胎位，最后集中統(tǒng)一放胎，完成整個(gè)輪胎硫化工序。在卸胎完成的同時(shí)，前面接取胎坯及裝胎已開始進(jìn)入下一輪動(dòng)作程序。

5 智能硫化機(jī)優(yōu)勢(shì)比較

5.1 設(shè)備特色

全鋼智能硫化機(jī)在方案設(shè)計(jì)上充分考慮了智能化發(fā)展的需要，無論是存胎器還是卸胎輥道均可以實(shí)現(xiàn)無人操作，整機(jī)設(shè)計(jì)具有以下亮點(diǎn)：

5.1.1 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接取胎坯

存胎器能夠自動(dòng)從物流小車上接取胎坯并輸送至存胎位，解決了舊式硫化機(jī)人工推送小車轉(zhuǎn)運(yùn)、人工搬卸運(yùn)胎坯的人力耗費(fèi)。

5.1.2 裝胎定位更加精準(zhǔn)

裝胎機(jī)構(gòu)上下及旋轉(zhuǎn)均采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，不再沿用水缸、油缸或氣缸的模式，使定位更加精確，之前的油缸、水缸等跑冒滴漏現(xiàn)象、緩沖器頻繁更換得以杜絕，穩(wěn)定性及自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高。

5.1.3 往復(fù)運(yùn)動(dòng)精度提高

開合模運(yùn)動(dòng)垂直上下，呈直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免了模型翻轉(zhuǎn)和水平移位等動(dòng)作，減少卡滯、磨損等常見維護(hù)問題，往復(fù)運(yùn)動(dòng)精度提高，零部件壽命亦相應(yīng)提高。

5.2 相對(duì)優(yōu)勢(shì)

與機(jī)械式硫化機(jī)相比，全鋼智能硫化機(jī)在產(chǎn)能效率、經(jīng)濟(jì)效益等方面也大大提高。

5.2.1 開合模時(shí)間縮短

機(jī)器采用垂直升降的動(dòng)作，使開合模動(dòng)作簡(jiǎn)化，開合模的時(shí)間相對(duì)于機(jī)械式硫化機(jī)可縮短25%左右，提高了生產(chǎn)效率。

5.2.2 維護(hù)大修工作減少，壽命提高

機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化大大降低了主機(jī)構(gòu)件磨損的風(fēng)險(xiǎn)，大修周期由5年延長(zhǎng)至10年，既延長(zhǎng)了機(jī)器壽命又提高了生產(chǎn)效率。

5.2.3 人工成本降低

機(jī)械式硫化機(jī)一條地溝36臺(tái)硫化機(jī)需要6個(gè)操作工和4個(gè)輔助工，而全鋼智能硫化機(jī)則只需要1～2個(gè)操作工在電腦前監(jiān)視或巡檢即可，節(jié)省了人工成本。

6 結(jié)束語

全鋼智能硫化機(jī)是目前市場(chǎng)上自動(dòng)化程度較高的硫化機(jī)，完全可以滿足輪胎工廠硫化工序智能制造的生產(chǎn)需求。機(jī)器各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件較少或不存在法向力，可長(zhǎng)期保持精度穩(wěn)定不變，維護(hù)保養(yǎng)工作量減少，停機(jī)檢修時(shí)間縮短，提高了機(jī)器生產(chǎn)的效率;主機(jī)為剛性框架式結(jié)構(gòu)，不易變形，安裝運(yùn)輸方便，設(shè)備基礎(chǔ)制作也相對(duì)簡(jiǎn)單;機(jī)器自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)擺脫了人工操作的困擾;整機(jī)各項(xiàng)精度技術(shù)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，能適應(yīng)多規(guī)格、小批量的生產(chǎn)，更有助于輪胎企業(yè)工業(yè)自動(dòng)化的快速推進(jìn)與發(fā)展，深受客戶與市場(chǎng)認(rèn)可。

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