丁 超， 李跟社， 田 軍

（寶雞鋼管西安石油專用管公司， 西安710201）

0 前 言

石油套管生產(chǎn)過程中， 接箍切斷崗位人員需要將接箍搬運(yùn)至成品料筐， 不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大， 而且會(huì)產(chǎn)生安全隱患。 以生產(chǎn)J55 鋼級(jí)Φ139.7 mm規(guī)格LC 接箍為例， 每件接箍坯料重10.06 kg，搬運(yùn)高度1.2 m， 按每臺(tái)設(shè)備400 件/班的產(chǎn)量計(jì)算， 每班的搬運(yùn)總質(zhì)量為4 024 kg， 勞動(dòng)強(qiáng)度大。 本研究通過分析電磁吸盤的工作原理， 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際， 使用電永磁吸盤吸取整層接箍， 自動(dòng)下料到成品料框， 從而大幅減輕崗位人員的勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高生產(chǎn)效率。

1 設(shè)計(jì)原理和方案

1.1 磁力吸盤性能對(duì)比

磁力吸盤分為電磁吸盤和電永磁吸盤。 電磁吸盤由盤體、 線圈、 面板三部分組成， 線圈中通以直流電產(chǎn)生磁場(chǎng)， 由盤體、 面板、 工件構(gòu)成磁回路， 將接觸在面板表面的工件緊緊吸住。 電磁吸盤的充磁電源大小可調(diào)， 可以調(diào)節(jié)磁力的大小。 電流切斷后， 工件仍有剩磁， 使用直流電進(jìn)行退磁。

電永磁吸盤利用磁通的連續(xù)性原理及磁場(chǎng)的疊加原理， 由主磁體和可逆磁體組成。 當(dāng)勵(lì)磁線圈受正向激勵(lì)時(shí)， 可逆磁體和主磁體的極性方向相同， 磁場(chǎng)覆蓋磁極各表面而產(chǎn)生吸附力， 磁場(chǎng)形成閉合循環(huán)， 無磁力損失， 電永磁吸盤的吸力通過電脈沖信號(hào)控制。 當(dāng)勵(lì)磁線圈受負(fù)向激勵(lì)時(shí)， 磁力線從主磁體經(jīng)過可逆磁體， 通過磁軛回到主磁體， 使得磁場(chǎng)收斂在吸盤內(nèi)部， 磁極表面不再有磁場(chǎng)， 吸附的物料被釋放。

電永磁吸盤和電磁吸盤的性能對(duì)比見表1。由表1 可以看出， 電永磁吸盤在安全性、 可靠性、 使用壽命以及維護(hù)成本等方面均優(yōu)于電磁吸盤。 同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用工況， 本研究選用電永磁吸盤。

表1 電永磁吸盤和電磁吸盤性能對(duì)比

1.2 電永磁吸盤設(shè)計(jì)方案

在進(jìn)行電永磁吸盤的材料選擇時(shí)， 考慮到鋁鎳鈷材料的剩磁較高 （最高可達(dá)1.35 T）、 溫度系數(shù)低， 矯頑力小 （通常小于160 kA/m）， 退磁曲線呈非線性分布。 基于以上原因， 選擇矯頑力較小、 剩磁較大的LNG40 鋁鎳鈷材料作為可逆磁鋼， 同時(shí)磁力密度選擇160 N/cm2， 該磁鋼在磁飽和狀態(tài)下的氣隙磁密Bg為20 000 Gs。

氣隙能量有解的表達(dá)式為

式中： Bg——?dú)庀洞琶埽?Gs；

Ag——接觸面積， m2；

Lg——磁盤與工件的間隙， m；

μ0——真空磁導(dǎo)率， μ0=4π×10-7H/m。

由公式（1） 得到吸引力

為了計(jì)算方便， 將公式（2） 轉(zhuǎn)化為

在接箍生產(chǎn)過程中， 由于電永磁吸盤不會(huì)和接箍表面完全吸合， 吸附面積是整個(gè)面積的90%， 且物料高低不平， 因此有效吸附面積只有80%， 即有效面積系數(shù)為0.72。 為了起吊安全，在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)選擇3～3.5 倍的安全系數(shù)， 對(duì)吸盤的安全系數(shù)進(jìn)行校核。 接箍各規(guī)格參數(shù)校核明細(xì)見表2。

表2 接箍各規(guī)格參數(shù)校核明細(xì)表

2 生產(chǎn)工藝及設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)過程中， 切斷后的接箍通過料道輸送至托盤， 崗位人員只需將接箍碼成一層， 并按照工藝要求進(jìn)行質(zhì)量檢查和編號(hào)。 當(dāng)一整層接箍放滿時(shí)， 操作人員按下下料按鈕， 桁架z 軸上升到安全高度， x 軸移動(dòng)到待下料接箍位置， z 軸下降到設(shè)定位置與整層接箍接觸， 電磁吸盤通電對(duì)整層接箍進(jìn)行充磁， 吸住接箍并上升到安全高度，移動(dòng)到料筐， 電磁吸盤退磁放下整層接箍， 下料完成， 其工藝過程如圖1 所示。 不同規(guī)格接箍下料只需更改接箍高度參數(shù)、 料筐內(nèi)接箍的層數(shù)、吸盤的抓取位置和放料位置， 無需更換工裝。

圖1 切斷機(jī)下料生產(chǎn)工藝示意圖

2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

接箍下料裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。 龍門桁架立柱采用180 mm 方鋼， 外形尺寸為4 000 mm×1 800 mm×2 500 mm。 z 軸有效行程2 000 mm，x 軸有效行程3 500 mm， 以便于托盤和料筐的擺放以及吸盤的動(dòng)作。

x 軸的主動(dòng)行走軸由伺服電機(jī)、 齒輪齒條、導(dǎo)軌雙滑塊組成， 進(jìn)行動(dòng)力輸出； 另一側(cè)， 由導(dǎo)軌雙滑塊形成輔助行走機(jī)構(gòu)， 跟隨主動(dòng)行走軸運(yùn)動(dòng)。 z 軸的主動(dòng)行走軸由伺服電機(jī)、 齒輪齒條、導(dǎo)軌三滑塊組成， 進(jìn)行動(dòng)力輸出， 要保證吸盤運(yùn)行平穩(wěn)、 無晃動(dòng)。 x 軸和z 軸的導(dǎo)軌均設(shè)立移動(dòng)式防護(hù)罩， 防止鐵屑進(jìn)入導(dǎo)軌和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，采用自潤(rùn)滑系統(tǒng)， 便于日常的維護(hù)。 托盤和吸盤的平面度安裝精度要在±0.5 mm 以內(nèi)， 確保吸盤可以整層地接觸接箍。 緩沖裝置里裝有彈簧， 防止吸盤在接觸整層接箍時(shí)沖擊力過大， 保護(hù)吸盤和伺服電機(jī)的使用安全。

圖2 接箍下料裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

整個(gè)控制程序使用PLC 梯形圖語言， 作為順序控制器應(yīng)用到自動(dòng)控制中， 對(duì)數(shù)據(jù)量信號(hào)、 開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理， 實(shí)現(xiàn)過程控制和位置控制。觸摸屏連接人機(jī)界面， 用于數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)設(shè)置。

電永磁吸盤控制系統(tǒng)單通道充/退磁工作時(shí)間不超過0.2 s， 吸料和卸料時(shí)間短， 采用PLC進(jìn)行遠(yuǎn)程控制， x 軸、 z 軸均采用伺服控制， 電氣控制精度為±1 個(gè)編碼器脈沖， 每一個(gè)伺服系統(tǒng)均安裝齒輪齒條和編碼器， 齒輪齒條定位精度±0.1 mm， 編碼器精度±0.01 mm， 滿足設(shè)備整體定位精度±0.5 mm 的要求。

現(xiàn)場(chǎng)使用觸摸屏顯示電機(jī)的脈沖總數(shù)和脈沖輸出速度， 從而實(shí)現(xiàn)x 軸、 z 軸電機(jī)速度的控制。 位置模式可以設(shè)定執(zhí)行的脈沖總數(shù)和急停功能， 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的位置控制。 控制程序可以根據(jù)設(shè)定進(jìn)行電磁吸盤的充/退磁， 實(shí)現(xiàn)整層接箍的抓取和卸料。 整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)下料， 全程不用人工干預(yù)。

4 結(jié)束語

使用電永磁吸盤進(jìn)行整層接箍下料， 能大幅降低崗位員工的勞動(dòng)強(qiáng)度， 每年減少約3 600 t的搬運(yùn)量， 生產(chǎn)效率提高5%以上， 同時(shí)減少了崗位人員搬運(yùn)接箍時(shí)存在的安全隱患。 采用電永磁吸盤， 實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線接箍下料不用人工干預(yù)，以較少的投資解決了人員勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題， 達(dá)到了預(yù)期效果。