全自動雙工位銑磨床設備的技術改進
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械結構復雜，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備相對原銑磨床的部分缺陷進行改良，增加了智能機器人用于試樣自動制樣處理，實現優化改進。結果表明：全自動雙工位銑磨床設備通過總體技術的優化改進,實現制樣系統自動化、智能化操作，高效便捷，勞動生產率與生產質量都得到很大提高，很好地滿足了寧鋼后續產品升級及開發試樣的加工要求。
關鍵詞：銑磨床；自動化；智能化
0 引言
生產高質量的產品為鋼鐵企業所追求，生產過程控制水平的提高，對于鋼鐵制造業的技術進步和新產品開發有著舉足輕重的作用。其中，檢測裝備是生產過程中控制的關鍵之一，鋼鐵企業在產品、能源、環境等方面需求驅動了鋼鐵企業特殊檢測技術與裝備以及智能化的發展，檢測技術與裝備的提升也提高了鋼鐵制造水平。因而在鋼鐵工業的激烈競爭要素中，檢測技術與裝備的先進性也是重要的組成部分。制樣銑磨床用于煉鋼生產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節，樣品的制備質量和速度都直接影響著煉鋼生產。
1、原雙工位銑磨床和全自動雙工位銑磨床設備對比分析
（1）原銑磨床采用上卡盤式夾鉗機構，精度較差，在樣品制備過程中經常出現原點無法復位，樣品夾持不穩定等問題，過程中進刀深度不好把控，偏差較大。
（2）原銑磨床床身為整體結構件，非整體鑄造。自重不夠，剛性較差。在樣品制備過程中抖動導致樣品銑磨質量不能符合儀器分析要求。
（3）在與送樣系統交互過程是通過 PLC 及傳感器控制多條龍門傳輸機構及溜槽實現，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，制樣速度慢進而影響整個樣品的檢驗及時性。分析速度的快慢直接導致整個煉鋼進程。
（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，無法達到分析要求，在制樣過程中由于自身剛性不夠，會導致崩刀現象，不能滿足公司后續產品升級及開發的新樣品制備存。
（6）新舊雙工位銑磨床的參數對比情況如表 1 所示。
表1 新舊雙工位銑磨床設備的參數對比情況分析
2、 全自動雙工位銑磨床設備的優化改進及特點
2.1 全自動雙工位銑磨床設備介紹
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。全進口的高精度的動力頭和高剛性的床身組合使得機器運行噪音和切削穩定性均居國際先進水平。
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 種制樣設備功能。全自動雙工位銑磨床采用模塊化設計，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，工作性能穩定，密封可靠，能在惡劣的環境下連續使用，壽命長、維護簡單、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。
（2）采用快速進出樣技術，加工周期短。
（3）采用了進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，加工效率是傳統銑床的兩倍，并且一個工位故障后不影響另一個工位。
（5）設備加工方式齊全，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，維護方便。
2.2 全自動雙工位銑磨床設備基本構成及功能
全自動雙工位銑磨床設備由床身、傳動裝置、銑（磨）削裝置、電氣控制系統、自動線系統（工業機器人）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構，強度高、自重輕、整體剛性好。
（2）傳動裝置：主要由絲桿、線軌、伺服電機、夾鉗、檢測裝置以及相關傳動連接件組成。通過伺服電機驅動絲桿，使夾鉗裝置和銑（磨）削裝置平穩準確的運行。氣動夾鉗可夾持試樣在銑磨床各個功能區運行，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：控制系統主要由 PLC、伺服系統、人機界面等組成，控制精度高，穩定可靠。系統可設置多組加工程序，滿足不同試樣加工，操作方便。
（6）工作流程：打開安全門，把試樣放在進樣臺上→關上安全門，按下啟動按鈕，試樣隨進樣臺上升→進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）技術參數如下：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，可以對試樣進行倒角；PLC，三菱；氣動元件，SMC；伺服電機，三菱。
（8）工業機器人簡介和技術參數如下：工業機器人能夠自動將樣品分配至制樣設備和分析儀器，能實現樣品的快速、準確傳送，配備安全連鎖功能和安全防護裝置，可保證在人員和設備安全的前提下完成快分高性能的傳輸系統。
其由機械手、控制器、調校器、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，正常運行時間長，該機器人集成熟技術和經嚴格測試的創新技術于一身，具有平均故障間隔時間長、維護要求低、維護時間短等多項優點。
②速度快，工作循環時間短同類機器人中操作速度最快。
③精度高，零件生產質量穩定具有極高重復定位精度±0.05mm 和軌跡精度。
④堅固耐用，適合惡劣生產環境 IP 65 防護等級。
⑤效率高，工業機器人有相應的設定程序，當工業機器人夾取試樣或者分析過程出現中斷時，工業機器人有固定的復位途徑，并能快速恢復正常工作。
⑥通用性佳，柔性化集成和生產采用后彎式設計，提供多種安裝選項，系統運行自動按照任務的要求來進行智能優化機器人的運行路徑，可以有效節省系統運行時間，如系統空閑時機器人處于試樣輸入窗口待機位置等。
⑦技術參數如下：技術參額定負載（kg），不小于 20；結構形式，串聯；工作半徑（mm），不小于 1600；重復精度（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用
3.1 風動送樣系統樣品排出方式
因使用的是雙厚度樣品和球拍樣品兩種狀態，所以無法使用機器人智能手臂同時處理，經過現場改造，將雙厚度樣品建立了獨立的樣品排除機構，再使用機器人手臂搬取樣品，球拍樣可直接從風動送樣器中搬取。
風動送樣系統到達后氣缸打開同時會將風動送樣器蓋子拔開，機器人夾鉗會將風動送樣器夾取到特制的旋轉平臺，通過紅外線定位后，采用升降氣缸夾鉗把樣品夾出，再由機器人智能手臂進行搬取樣品到銑磨床制樣工位。
3.2 機器人運行方式
因改造前 11 套風動送樣系統一字排開安裝放置，故機器人手臂的旋轉和伸展無法滿足所有風動送樣系統的使用距離。在現場布局中采用將兩臺雙工位銑磨床與風動送樣系統平行擺放，在銑磨床和風動送樣系統之間鋪設軌道，智能機器人安置與軌道上實現機器人的左右行走，用于實現所有風動送樣系統的處理需要。
為了節省時間，在系統軟件中設定了優先順序，根據樣品的緊急情況命令機器人優先處理緊急樣品。根據銑磨床工位的空閑情況以及智能機器人距離工位的距離遠近，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、結語
改造后的雙工位銑磨床投運后有利于降低生產消耗成本，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、電等能源介質的消耗，提高了自動化、信息化、智能化水平，使操作更加規范化、流程化，為數據智能化煉鋼提供檢驗數據提供有力支持，為全面實現智慧寧鋼打下基礎。其實現的主要目標如下：
（1）實現了檢驗室自動化管理，改善檢驗崗位職工作業環境、降低勞動強度和安全風險，提高勞動生產率。
（2）實現了檢驗數據信息化管理，將人工數據轉移改為數據自動采集，避免了人為因素對檢驗過程干擾，降低數據錯誤率，使得最終報出的檢測數據更客觀真實。
（3）實現了自動送樣、自動制樣，確保制樣質量的可靠性，更能代表試樣的穩定性，提高樣品分析結果的重復性。
通過上述目標的達成，建立支撐寧鋼質量把控完整的自動化、信息化架構。寧鋼檢化驗可在此基礎上，經過持續不斷的完善和補充，建設基于互聯網、機器人、大數據分析等技術的智慧制造模式，有利于提升寧鋼的核心競爭力。
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