大規格高精度鋁合金中厚板自動鋸切線的研發

楊曉東，姚 赟，雷 超，孫麗麗，楊 鵬

(中國重型機械研究院股份公司 ，陜西 西安 710018)

0 前言

鋁合金板在化工、電力、航空、軍工等領域有著廣泛的應用。大斷面、高品質的鋁合金中厚板作為一種不可或缺的高附加值產品，需求量逐年增加。為滿足市場需求，近年來我國新建了多條高端鋁合金中厚板生產線。精密鋸床作為鋁合金中厚板生產線的核心裝備，直接決定著產品交貨尺寸及外觀型態，因用戶對其精度、自動化、智能化[1]有較高的要求，目前國內配套的精密鋸床均從國外引進。引進裝備不僅價格昂貴，供貨周期長，且后續服務和備件供應均受制于人。為打破國外精密鋸床的技術及市場壟斷，中國重型機械研究院股份公司研發了大規格高精度鋁合金中厚板自動鋸切生產線。

1 機組主要技術參數

根據國內某鋁業公司的實際生產要求，同時對標其國外引進的機組，確定該機組的主要技術參數如表1～3所示。

表1 板材性能參數與規格

表2 精密鋸床性能參數

表3 精密鋸床結構參數

2 機組結構構成和工藝流程

全自動305 mm鋁合金板材自動鋸切生產線由廢邊鋸切系統、鋁屑壓塊系統、板材精密鋸床、廢邊剔除系統、進出料系統等組成。其平面布置圖如圖1所示。

精密鋸主要包括雙鋸頭龍門式鋸機和雙鋸切臺交替并行機構。龍門式雙鋸頭結構鋸機鋸切時[2]，板材靜止，鋸頭移動。固定鋸頭只進行縱向切邊，旋轉鋸頭既可以縱向切邊，也可以橫向切定尺。進行縱向切邊時雙鋸頭同時工作，一次鋸切即可滿足板材定寬鋸切要求。在分段定尺鋸切時，旋轉鋸頭轉向90°，通過多次橫向鋸切完成定尺分段任務。雙鋸切臺交替并行機構實現連續鋸切功能。機組配置兩套載料鋸切臺，通過一套周轉機構可以將兩套載料鋸切臺在鋸切區與上下料區進行自動周轉調換。當載料鋸切臺A在鋸切區進行鋸切作業時，載料鋸切臺B在備料區進行鋸切成品卸料及待鋸切板材上料工作。待載料鋸切臺A完成鋸切且載料鋸切臺B完成上料后進行周轉調換，隨后載料鋸切臺B在鋸切區鋸切，載料鋸切臺A在備料區卸料及重新裝料工作。如此可實現連續高效生產，極大提高鋸機的利用率。

圖1 鋸切線平面布置圖

鋁屑壓塊系統采用專用的鋸屑高效處理裝置將鋸切產生的鋁屑自動壓塊回收。板材鋸屑由鋸切臺下方兩條縱向排屑機進行收集后送往破碎機進行破碎，破碎后的鋁屑進入壓塊料斗。當壓塊機料斗達到一定的存量時，壓塊機自動啟動。首先絞龍向預壓腔送進一定量鋁屑，隨后預壓油缸將腔內鋁屑進行預擠壓，之后主擠壓油缸將預壓后的鋁屑擠入模腔進行成型，最后模腔換位完成出塊工作。壓塊機可以連續上料，鋁塊交替出料，實現全自動壓塊。

廢邊剔除系統由廢邊自動剔除裝置完成料邊的分揀和回收。載料鋸切臺上的板材兩邊經過精密鋸鋸切后，需要移除廢邊方能進行橫切作業。本機組通過在鋸切臺上方設置兩套伺服驅動的機械手進行廢邊分離作業。鋸切完成后，機械手根據鋸縫的精確位置依次將鋸下的兩邊勾取至廢邊運輸輥道上。隨后通過輥道將廢邊輸送至廢邊鋸機處進行分段鋸切，鋸下的小段最后通過合金分料機構推送至不同的合金料框。整個過程可以自動化實現。

該生產線包括板材鋸切、廢邊處理、鋁屑壓塊等工藝流程。

板材鋸切流程：人工裝料→鋸切臺橫移至中位→鋸切臺牽引至鋸切區→雙鋸頭縱向定寬切邊→機械手剔除左料邊→機械手剔除右料邊→旋轉鋸頭轉90°→旋轉鋸頭橫向定尺切段→鋸切臺牽引出鋸切區→鋸切臺橫移至兩側→人工卸料。

廢邊處理流程：(機械手剔除料邊)→料邊放置在廢邊輥道上→輥道輸送料邊至定尺擋板處→夾緊機構夾緊→廢邊鋸機進給鋸切→讓刀→鋸機退回→廢邊短料輸出→合金分料裝置推料→廢邊短料入筐。

鋁屑壓塊流程：(鋸切產生鋁屑)→導槽引至兩條縱向排屑機→集中至橫向排屑機→破碎機破碎→送進裝置送至預壓腔→預壓油缸預壓→成品油缸壓塊→換模→出鋁塊。

3 技術創新點

3.1 全自動精密鋸切

精密鋸系統CNC與PLC融合控制系統。精密鋸主鋸電氣系統是經二次開發的力士樂多軸CNC數控系統[3]。該數控系統主要控制13臺伺服電機和兩臺圓盤鋸主鋸電機，伺服電機驅動該鋸機的鋸頭的升降、橫移、行走、旋轉，鋸罩的隨動和勾邊機械手的升降、橫移等動作，主電機驅動器為西門子S120系列。通過該套系統完成主鋸的自動化切割，滿足用戶鋁合金板材參數化鋸切的工藝要求。精密鋸輔機由一套通用PLC系統構成，該套PLC系統實現了上下料轉運車、鋁屑壓塊機、廢料機械手等部分的自動化運轉。通過主鋸CNC控制系統和輔機PLC系統的通訊，完成對整套設備的自動化控制。CNC與PLC系統的相互融合是在該類型設備上的首次應用。

圖2 鋸切線自動化系統網絡圖

圖3 板材坐標點測量原理圖

精密鋸X軸采用雙齒機械消隙機構。本精密鋸為龍門式鋸機，X軸進給行程較長，故采用高精度齒輪齒條進行傳動。為保證鋸切精度X1軸和X2軸需要有較高的同步性，這就要求控制齒輪齒條嚙合過程中的反向間隙[5-6]，用以降低頻繁正反轉時因反向間隙引入的傳動誤差和剛度損失。本設備采用了伺服驅動的雙齒機械消隙機構進行X軸的驅動進給，其原理如下：伺服電機通過聯軸器連接中間驅動軸，在驅動軸上安裝兩個驅動齒輪，兩個驅動齒輪分別將動力傳遞給同時與齒條嚙合的驅動齒1和驅動齒2。在設備安裝時驅動軸上的離合齒可以調整相位后鎖死，使得驅動齒1與齒條的嚙合面位于左側，齒側間隙處于右側，同時驅動齒2與齒條的嚙合面位于右側，齒側間隙處于左側。如此，齒輪向右運行時驅動齒1驅動進給，驅動齒2消隙。齒輪向左運行時驅動齒2驅動進給，驅動齒1消隙。通過消隙機構及數控系統自身的超精插補定位、雙軸伺服同步、傳動間隙補償[7，8]等手段，精密鋸在重載鋸切下的精度及穩定性保持[9，10]取得了較為理想的效果。

圖4 雙齒消隙機構原理圖

3.2 鋸切鋁粉塵收集

在鋸機的龍門梁上，為每個鋸頭單獨設置一套吸屑除塵系統[11]。該系統由串聯的旋風分離器與袋式除塵系統組成。在鋸頭處設置一個能隨板材厚度升降并連接除塵系統的鋸罩。鋸切時，飛舞的鋸屑通過鋸罩內的吸屑口進入除塵系統中，較大的鋁屑被旋風分離器捕獲從而落入排屑機中，較小的粉塵通過后置的布袋除塵裝置阻擋。通過該除塵系統，鋸切粉塵排放有明顯的改觀。

圖5 吸屑除塵系統示意圖

3.3 恒尺寸高密度壓塊

在鋸切過程中，由于板材材質、規格及熱處理狀態的不同會產生不同的鋸屑，有粉末狀的、顆粒狀、帶狀及團狀。為了使不同的鋁屑最終擠壓出密度相同、厚度均勻的鋁塊，壓塊機采用鋁屑兩級壓制和動態調整進給量的設計及控制[12]。

(1)鋁屑進行破碎后兩級壓制。在壓塊機的進料斗上設計一個四軸破碎機，當成團狀或帶狀的大鋁屑經過破碎機后，通過篩網的分選，鋁屑被撕碎成尺寸小于篩網孔的小料，如此可以使得進入壓塊機的鋁屑尺寸及密度均一性得到極大的提高。破碎后的鋁屑由液壓系統[13]通過預壓及成型壓制兩級加壓得到密度較高的鋁塊。

(2)鋁屑送進量進行動態調整。壓塊機的擠壓油缸上安裝位移傳感器，通過位移傳感器可以實時測量出當前擠出鋁塊的厚度。在壓塊開始時，設定一個初始的鋁屑喂料量，壓塊時通過上三次的鋁塊的厚度數據來確定當前的喂料量，每運行一次，當前的喂料量都進行一次迭代。通過這種自學習的方式可以使得鋁塊厚度在一個可接受的小范圍內波動。

圖6 壓塊尺寸控制流程圖

圖6中,T為喂料時間;H0為鋁塊的目標厚度;Ln=(Ln-1+Ln-2+Ln-3)/3為最近一次鋁塊實際厚度;ΔT為喂料時間調整量。

4 結束語

該自動鋸切生產線各項驗收考核參數均滿足設計要求，已經穩定運行兩年多。鋁合金板材精密鋸切線的成功國產化極大降低相關企業的設備成本，提升了我國鋁合金中厚板生產水平和競爭力，對當前國家裝備制造業中高端專用數控機床領域補齊短板有重要意義。