50000kN全自动AT轨跟端成形热模锻生产线研制

周志江

（合肥合锻智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601）

钢轨道岔是铁路人字分岔线必不可少的关键零件，钢轨道岔件的生产效率及产品质量至关重要。近年来，随着中国高铁技术的迅速发展，铁路产业逐渐成为我国国民经济的支柱产业。铁路建设中的许多关键零部件大多采用锻造生产工艺，因此，提供锻造生产的工艺装备必须满足生产效率高、产品质量稳定、人力配置少等要求。

1 生产线主要设计思路

全自动AT轨跟端成形生产线依据现代数字控制理论，结合自动物料传输系统、自动喷淋润滑系统、数控四工位模锻液压机、多轴同步工业机器人等技术，实现钢轨锻造生产过程的数字化、程序化，大大提高生产效率，大幅度降低工人的劳动强度。系统采用成熟的联线生产模式，可以一次性完成原料从输入到成品输出的全自动生产过程，彻底改变传统的生产模式，提高工件成品率。

2 生产线的主要组成

全自动AT轨跟端成形生产线由自动物料传输系统、自动喷淋润滑系统、数控四工位模锻液压机和多轴同步工业机器人等主要部分组成。

2.1 自动物料传输系统

（1）物料上传。在整个自动生产过程中物料的上传采用多节点递进的方式，各节点均设置数字信号采集点，统一上传到PLC控制中心。当上料架的初始位首次放入物料，系统接到有料数字信号后，上料架自动递进式向前传递物料，直到物料到达上料架的终端并触动物料就绪数字信号，完成物料的上传工作。

（2）物料下传。在整个自动生产过程中物料的下传采用多节点递进的方式，各节点均设置数字信号采集点，统一上传到PLC控制中心。当工件加工完成后，由机器人将物料送入下料架的初始位，系统接到有料数字信号后，下料架自动递进式向后传递物料，直到物料到达下料架的终端（即下一工序正火的起点）并触动物料就绪数字信号，完成物料的上传工作。

（3）物料正火滚动传输。接到正火位物料就绪数字信号，控制中心检测到物料已达到适合的工艺温度，指示辊道传输系统将物料传入正火炉腔内进行正火，通过炉腔内的红外测温仪实时探测物料温度并不断采集数字信号上传到控制中心，物料达到正火工艺温度时，控制中心指示中频感应加热炉停止工作，同时指示辊道传输系统将物料传出炉腔，最终完成物料的生产传输并发出报警。图1为自动物料传输系统。

2.2 自动喷淋润滑系统

自动喷淋润滑系统由数控驱动机构、自动吹气模块、自动润滑模块等组成。自主开发的数控驱动机构采用伺服驱动，由触发式信号自动运行，即机构接到控制中心传来的锻造完成数字指令后，按预设的动作工艺过程，自行驱动吹气模块和润滑模块进入模腔进行吹氧化皮和喷涂润滑液。自动吹气模块按预定的工艺过程，在识别驱动机构位置信号后，将自行开启阀门吹掉模腔内的氧化皮等杂物。自动润滑模块按预定的工艺过程，在识别驱动机构位置信号后，将自行开启阀门向上下模腔表面喷涂雾状润滑液。图2为自动喷淋润滑系统。

图1 自动物料传输系统

图2 自动喷淋润滑系统

2.3 数控四工位模锻液压机

在普通数控液压机的基础上开发的数控四工位模锻液压机，是整个自动线数控化生产的核心之一。采用成熟的伺服闭环控制系统完成对模锻液压机多工位的精准控制，具有工位位置无级可调、多工位重复定位精度高、运行平稳等特点。整个控制系统均有Profibus-DP的总线控制，解决了模锻液压机与物料传输系统、喷淋润滑系统、多轴同步工业机器人、中频感应加热炉、中频感应正火炉等功能部件协同作业的控制问题。

总体控制思路是采用SIEMENS PLC控制。全数字控制系统的硬件包括：上位机、加热系统（设为从站 1）、送出料系统（设为从站2）、压机控制系统（设为从站3）、吹氧化皮系统（设为从站4）、喷润滑剂系统（设为从站5）、主控制 HMI（设为从站 6）、现场 HMI（设为从站 7）。具体的从站设定由设计时确定。

上位机采用 SIEMENS S7，安装在主控制电气柜中，其主要功能：各过程参数，形成压机的压力，行程数据库系统（报表系统，历史曲线，并能实现打印输出），通过采集压机、送出料机构、中频加热炉等子控制系统的各点I/O，最终形成整个系统完善的报警系统。

数字控制系统（即从站1加热系统、从站2送出料系统、从站3压机控制系统、从站4吹氧化皮系统、从站5喷润滑剂系统）的工艺动作，发出控制指令，协调各子系统动作，最终完成制件的合格制品。

2.4 多轴同步工业机器人

需要加工的工件长度5～25米，多轴数控专用工业机器人，具有多轴同步响应快，同步精度高等特点。多轴工业机器人包括：垂直向五轴运动同步机构、水平向五轴旋转同步机构、水平向两轴行走同步机构。

（1）垂直向五轴液压同步。工件的抓取共采用五个机械手，五个机械手在上下方向的运行是分别驱动的，均采用高频响比例伺服控制相应的液压缸，实现5个液压轴同步运动。上下的五轴同步控制程序，采用成熟的伺服闭环控制系统，减少了误差，提高了同步精度和响应速度。

伺服闭环控制系统工作时，位移传感器实时记录机械手的位移量，该位移量是模拟量，必须通过A/D转换器转换为数字量以便输入计算机；计算机每隔一定时间T对输入信号和反馈信号采样一次（时间间隔T为采样周期），经比较后得出误差信号，再按控制算法进行运算，将算出的控制信号进D/A转换器转换为模拟量送到液压伺服系统，即通过控制比例伺服阀开口量的大小来实现对机械手速度的控制，从而达到最终控制机械手的位置。其构成如图3所示。

图3 计算机控制的液压伺服系统

（2）水平向五轴旋转液压同步。五个机械手上分别设计了可旋转的运动夹头，五个夹头的旋转是分别驱动的，均采用高频响比例伺服控制相应的液压马达，实现5个运动夹头旋转同步。五轴的旋转同步控制程序，采用成熟的伺服闭环控制系统，减少了误差，提高了同步精度和响应速度。

（3）水平向两轴行走同步机构。工业机器人长约25米，行走采用前后两轴独立驱动方式，两个伺服电机分别驱动两端，采用闭环控制方式，行走两轴同步精度高，响应时间快，并可以数字化控制其行走速度及定位位置等，并能实现全过程控制。图4为多轴同步工业机器人。

图4 多轴同步工业机器人

3 结束语

由全自动生产线生产的AT钢轨跟端锻造零件，成形过程连续化，工件锻造后充分利用物料下传的过程自然冷却，在冷却到一定的工艺温度时，能及时利用余温连续进行正火热处理，较传统的生产方式节能。同时，这种自动生产模式大大降低了人工物料的转运时间，生产效率可以提高80%以上，产成品合格率提高，质量稳定，零件材料损耗降低，人工成本降低。所提供的5000吨全自动AT轨跟端成形生产线，到目前为止是国产自动化程度较高、数控技术运用较全面的专用热成形锻造生产线。