VMI四鼓成型機三角膠自動滾壓裝置設計與應用

2021-08-12 03:28:22楊天鵬朱小婷胡小亮張萬永

橡塑技術與裝備 2021年15期

關鍵詞：設備

楊天鵬，朱小婷，胡小亮，張萬永

(風神輪胎股份有限公司，河南焦作 454001)

1 項目背景

2018年8月份公司將12R22.5 水手二代產品從青島軟控三鼓成型機轉移至荷蘭VMI四鼓成型機生產后，X光側泡缺陷率達到0.14%。單月成品損失74 632元。2018年10月份，市場VOC反饋水手二代產品出現批量胎圈側鼓缺陷，產品面臨召回風險。水手產品因質量缺陷被迫停止生產。

通過對缺陷胎氣泡產生位置進行X光定位和斷面切割分析（圖1），通過分析斷面上材料分布和部件尺寸最終確定氣泡產生位置在胎體簾布和胎圈三角膠之間，該位置產生氣泡的主要原因為三角膠未進行滾壓，導致胎胚在成型過程中三角膠與簾布間的氣泡未能有效排出，造成質量缺陷。

圖1 輪胎剖面圖

荷蘭VMI四鼓成型機從2002年安裝投用以來，三角膠滾壓功能一直未能正確地投用，主要是由于設備結構原因無法對胎圈根部進行滾壓排氣，而且滾壓過程中容易造成三角膠打折，無法滿足該規格生產工藝要求。需對設備進行改造來實現三角膠滾壓排氣的目的。

2 改造方案

VMI四鼓成型機組合壓輥裝置主要由兩大部分構成：分別為胎面復合壓輥裝置，主要用于胎面、胎肩、胎側部位的滾壓；多用途壓輥裝置，由左、右兩套可擺轉的壓輥組件組成，其位置和角度由PLC程序通過控制滾珠絲杠的轉動和氣缸的伸縮來實現。可根據上位機操作界面設定不同階段的位置、速度、壓力自動切換，按工藝參數進行滾壓。VMI四鼓成型機后壓輥結構原理圖如圖2所示。

圖2 VMI四鼓成型機后壓輥結構原理圖

VMI四鼓成型機利用胎面壓輥滾壓三角膠時需要胎面復合壓輥和后壓輥小車平移至壓合三角膠的位置，之后由多用途壓輥裝置利用氣缸驅動壓輥組件實現壓輥的擺轉，同時利用成型鼓的高速旋轉根據上位機設定的位置和壓力進行滾壓。但是由于胎面壓輥結構的原因，在壓合三角膠過程中無法從胎圈根部開始進行壓合。

針對VMI四鼓成型不能對三角膠進行滾壓的問題，現場的機械工程師、電氣工程師、工藝管理人員、安全管理人員等相關專業的人員組成攻關團隊，利用頭腦風暴的方法討論三角膠滾壓的解決方案，經過相關人員的激烈討論，決定對標青島軟控三鼓成型機，參考B型后壓車的結構增加一套新的滾壓裝置，對三角膠進行滾壓，解決VMI四鼓成型機因無法滾壓三角膠而造成的質量缺陷，確定如下解決方案。

2.1 機械改造（新增三角膠滾壓裝置）

2.1.1 組合壓輥裝置

新增三角膠滾壓壓輥裝置，三角膠壓合裝置由懸臂架固定底座和壓合壓輥組成，其中壓合壓輥包括：橫向驅動壓輥伸出返回的兩個氣缸（左右各一個），壓輥的徑向運動由伺服電機通過滾珠絲杠和鏈條傳動實現精準的定位，同時后壓車的設備安裝精度，要求如表1所示。

表1 后壓車設備精度要求

2.1.2 懸臂架

懸臂架是由一根矩形鋼（200 mm×150 mm×8 mm）和一根方管鋼（200 mm×200 mm×8 mm）焊接而成，底部采用筋板，使用固定螺栓固定到地面上，主要作用是用來安裝新增加壓輥的固定底座及壓輥及其它附件安裝，焊接和制作要求如下：

（1）焊接焊接點均勻，強度可靠。

（2）根據實體圖示，在矩形鋼上面開3個Φ70 mm穿線孔。

（3）水平方向，方管鋼開口處，加工可拆裝的封口擋板方便安裝和日后的維護保養。

（4）架子表面噴涂豆綠汽車漆，色標號6011。

圖3 懸臂架尺寸結構圖

2.1.3 安裝底座

安裝底座主要由氣缸壓輥固定架組成，主要用來安裝控制氣缸、導軌、絲杠、鏈輪、壓輥、伺服電機等組件，其加工制作要求如下：

（1）兩個Φ75 mm的孔分別安裝2個凸緣式滾珠花鍵滾珠套，兩個滾珠套間由定位套進行定位，兩端用Φ75 mm孔用擋圈固定。

（2）在底座兩個Φ110 mm圓柱面外側，對應內部滾珠套加油槽位置加工加油（螺紋）孔，并安裝加油嘴方便日后的維護保養。

（3）零件外表面非配合面噴涂豆綠色汽車漆進行防銹，色標號6011。

2.1.4 安裝要求

新增壓輥絲杠的中心線必須與成型鼓中心線重合，否則無法保障設備的同心度，在滾壓過程中會出現左右壓力不勻，造成胎胚一側因壓力過小導致各部件間的氣體無法有效地排出；另一側因壓力過大，造成胎胚部件變形，影響胎胚的質量。新增壓輥的安裝必須與成型鼓扇形塊的最高點相切，否則壓輥在伸出滾壓三角膠時壓輥會與成型鼓相撞造成設備損壞或無法壓到三角膠根部。

2.2 電氣控制系統改造

電氣控制系統改造包括PLC控制系統和伺服控制系統兩大部分。改造的整體思路：不改變原有的控制系統，在原有控制系統上進行新增軟硬件來實現三角膠的自動滾壓。底座尺寸結構如圖4所示。

圖4 安裝底座尺寸結構圖

2.2.1 電氣控制系統選型

VMI四鼓成型機原PLC控制系統使用羅克韋爾（AB）1756-L72系列，此次改造需要在原控制系統上增加一個I/O分站，用來控制壓輥的限位保護和位置檢測，如壓輥徑向移動的限位，接口模塊和數字量I/O模塊采用和原設備分站同規格的，便于后期備件管理和日常的維護；新增一組壓合壓力控制比例閥的模擬量I/O，模擬量模塊使用原控制系統同規格的模塊，比例調節閥控制的信號類型為4～20 mA的電流信號。

原設備伺服控制系統采用的是羅克韋爾Kinetix 6000系列伺服驅動器和AB 1326系列伺服電機。為保證系統的一致性，新增的伺服控制器仍使用Kinetix 6000系列伺服驅動，但由于成型鼓區的伺服控制器底座槽位已經安裝滿，無法進行擴展，而CC鼓電氣柜內的54U0還有兩個槽位可以用來進行擴展，為節約改造成本所以將三角膠滾壓的伺服控制器安裝在CC鼓電氣柜內。因1326系列伺服電機2010年左右已停產，所以需要對伺服電機重新選型。電氣通訊原理圖見圖5。

圖5 電氣通訊原理圖

伺服電機選型：因現場設備現使用的伺報控制器為K6000系列，根據羅克韋爾提供的選型手冊如圖表2中的要求，我們只能選擇MPL系列或MPM系列伺服電機（表2）；根據伺服電機特性（表3），MPM類型伺服電機屬于中慣量伺服電機，適用于高速小功率環境如（燈標的快速定位等）；而MPL伺服電機則用于低慣電機，適用于大功率高轉速環境。滾壓三角膠如果使用中慣量的伺服電機在滾壓過程中可能會出現定位不準或伺服報警現象，為了保證設備的穩定性，我們選擇低慣量的MPL系列伺服電機。

表2 伺服驅動類型可配置電機型號對照表

表3 伺服電機特性表

2.2.2 PLC程序設計

三角膠滾壓程序主要包括:PLC程序設計及伺服控制程序設計。PLC程序主要是根據設備的控制信號及伺服電機反饋過來的信置信號控制伺服電機徑向的位置及轉速，以及胎側壓輥的壓合壓力。胎側壓輥的壓合壓力是根據HMI上位機畫面上設定的壓合參數設定的，通過模擬量I/O模塊控制比例調節閥來實現不同位置的不同壓力的三角壓合。伺服控制程序的設計，通過PLC將運算指令發送給伺服控制器，再由伺服控制器驅動伺服電機完成預定的運動控制任務。同時將位置信號反饋給PLC進行判斷。

2.2.2 .1 新增模擬量分站

首先通過Rslogix5000編程軟件，打開設備原有的PLC程序并通過以太網通訊電纜與PLC聯接，在左側導航欄中新增插入一個分站，第一步插入以太網接口模塊，并配置以太網通訊參數和設置模塊數量；第二步在分站下方添加一個數字量的8位輸入模塊、一個8位的數字量輸出模塊和一個模擬量輸出模塊。完成PLC硬件的一個組態添加。如圖6、圖7所示。

圖6 接口模塊配置

圖7 添加模擬量模塊

2.2.2 .2 添加伺服控制程序

在左側的導航欄中的”SERCOS network”下方插入一個新的伺服控制器，并設定地址，注意地址不要與之前設備使用的地址重復。在左側導航欄內找到“SEVRO_CONTROLLER”并在其下方增加伺服軸，設定新增軸的名稱同時配置軸參數和電機參數（如速度環、位置環、速比等），完成伺服控制的硬件組態。如圖8、圖9和圖10所示。