浅谈成型机的方向性规划及实现

李志军

(萨驰智能装备股份有限公司，江苏 昆山 215300)

我国的子午线轮胎成型设备经过20多年的高速发展，目前已经走到了世界前列，在整个世界行业内占有举足轻重的地位。如何引领行业的发展方向，已经成为当前橡机行业的重要任务。

1 成型机发展规划的八大维度

作为一个高端、完备的成型机，我们从八大维度对其进行理论规划：①设备安全性；②绿色设计；③设备效率；④轮胎质量；⑤智能化、自动化；⑥设备管控；⑦复合型、多用途；⑧全局性。由于各个维度并非相互独立，所以在实施例中不可避免地会出现交叉。是成型机规划对应的验证机型如图1所示。

1.1 设备安全性

设备安全性是设计的第一要素。成型机属于比较复杂的设备，团队的协同作业是关键，所以如何整体布局安全区域，使机械设计、电气、工艺、操作、维护等达成一致，采取统一的安全措施是设备研发成功的首要任务。之所以要首先提出这个问题，是因为各个专业角度不同、认知相差较大，实际上很难达成统一。因此需要有个预先的规划，统一的方向，如图2所示。

当然仅仅依靠团队的安全规划和设计是不够的，引入专业的第三方评审，比如CE，也是成型机设计过程所必须的。实践经验提醒我们，安全评估在设计完成之后反推进行的方式不可取。

1.2 绿色设计

绿色设计符合当今社会发展的大潮流，成型机目前已引入全生命周期的绿色评价体系，并制定了《绿色设计产品评价技术规范 子午线轮胎一次法成型机》的相关标准，目的在于引领整个橡胶机械行业的发展方向。依据生命周期评价方法，考虑轮胎成型机的整个生命周期，从原材料零部件、生产、运输、使用、废弃后回收处理等阶段，深入分析各个阶段的资源消耗、生态环境、人体健康因素，选取不同阶段可评价的指标构成评价指标体系。通过体系的评价指导成型机的设计，通过成型机的实现验证体系的价值，这也是本次成型机引入绿色设计概念的本意。评价的指标包含：资源属性、能源属性、环境属性、产品属性等，尤其是产品属性，评价体系给予了成型机设计方向性的理论指导。根据体系产品属性要求：无效生产时间占比、关键零部件使用次数、简化常规维护流程和降低专业化程度等一系列要求都被引入成型机，并在验证机型中一一体现。例如：无效生产时间的占比直接推动了单循环和稼动率的进程，下面有单独的章节会讲到。

旋转密封结构的绿色设计，在一个位置磨损后，不必维修或者更换主轴，密封轴向移动后即可恢复使用，寿命延长一倍，如图3所示。

1.2.1 滚压站

（1）双气缸方式，缩短了抓取释放时间，消除了锁紧故障。

（2）传统方式：单循环开/锁四次；当前方式：更换规格时开/锁一次；如图4。

1.2.2 工装管理

采用二维码扫码方式进行工装类的查找工作，SCADA软件上直接显示工装信息、使用方法等，维护人员方便更换，减少失误。也可以与手机等工具关联，如图5。

1.2.3 设备维护管理

主机部分自动润滑，其余部分定期提醒，确保设备始终保持良好状态运行，如图6。

1.3 设备效率

设备效率是轮胎厂关注的主要指标之一，没有产量和规模，轮胎厂无法保证利润。而决定轮胎生产效率的有两大因素：单循环与稼动率。

1.3.1 单循环

单条轮胎的循环时间是多数人普遍关注的，这个时间更为直观的改变了轮胎的班产和日产。设备厂商服务于轮胎厂，所以工艺时间比如贴合、接头、充气、反包、滚压等时间的长短是关乎质量的，原则上不可以调整。但是每条轮胎在实际生产过程中，有大量的动作、过程与成型无关，这些都需要消除或者缩短，在验证机型中主要采用了如下设计方案：

（1）消除主机运行过程中的延时设定，采用检测方式触发下一个动作。

（2）主机采用直线电机配合光栅尺，速度快、定位精准（速度1 500 mm/s，重复定位精度＜0.01 mm）。

（3）PA接头装置提前到位，双气缸控制。

（4）滚压站夹持瓦块采用锁紧气缸+小气缸方式：在换规格的时候用大气缸调整然后锁紧，正常生产的时候用小气缸（Φ50×50）完成扩张收缩。

（5）机械手前部卸胎方式，与自动上圈装置分开，互不干预。

（6）帘布接头预分布：在供料架上提前将接头进行均布或避开，在贴合过程中消除了旋转停止重定位的时间。

（7）成型鼓采用编码器回零：避免了定位不准的问题，消除了开关回零的往复时间。经过实施以上措施，将单循环时间从43 s减少到38 s，如图7。

1.3.2 稼动率

如上所述，在整个生产过程中，多数人会关注轮胎的单循环时间，而往往忽视设备无效的工作时间，或者简单的把该问题归咎于管理责任。其实不然，有很多的无效时间是在设计初期就可以规避的，比如本文重点推行的双工位供料。在实际验证中，已经实现了胎侧、胎面、带束层、冠带条的双工位供料甚至双工位自动切换，在换料过程中保证了主机的不间歇工作。经统计，仅此一项设备稼动率较原设备提升15%以上，如图8、9所示。

其他还有很多的措施可以提高稼动率，比如：置于成型机内部完备的工具箱，用于调试和维护；放置于最近位置处理料头所用的电热刀；置于部套之中的校准调试工装；一人可以轻松换鼓的气动平衡吊等等。这些看似不起眼的动作，如果不改进，实际上在大量损耗着我们的实际产能，如图10。

1.4 轮胎质量

质量和效率是设备厂和轮胎厂普遍关心的两大指标，而在成型质量部分分别举例导开和主机，是因为本文想在这里明确一下，就是成型的质量是从后往前逐步保证的，并非由主机单独完成。首先高质量、高稳定的导开才是成型质量、效率达标的第一步，有了这个基础，才能逐步向输送、纠偏、定长、裁断、缠绕、成型进行推进。

1.4.1 导开部分

在轮胎厂，半成品的台车流转被当作运输工具，往往被忽视。其实，台车和导开是连接上道工序和成型工序之间的重要环节，而半成品都是到成型机处进行归集，在此处出现的问题，比如物料拉伸、变形等，往往会判断模糊，分不清是在成型处造成的还是半成品工序已经存在的。现存的所有的成型机都是采用一个电机驱动垫布卷，而工字轮采用刹车盘方式(手动刹车、气动刹车及磁力刹车)，这些刹车方式无一例外的使得垫布在拉动工字轮的过程中造成物料的收缩，而这种收缩在物料与垫布剥离之后，应力开始释放，物料本身的厚薄、宽窄尺寸就造成了很大的不确定性。这种不确定性严重影响到后续的定长、纠偏、自动贴合等，造成生产现场的设备“不稳定”现象。验证机型所有的导开采用“零张力”导开方式，物料的导开采用两个电机，一个电机驱动物料卷，另一个电机采用力矩控制方式，电机的力矩足够小仅仅将垫布卷起，所以是“零张力”。而在这种“零张力”导开之下，半成品物料最大程度的保持了原来的尺寸，为轮胎质量和自动化打好了坚实的基础。而这种双电机的设计也使得匀速导开变得简单容易实现，因为工字轮本身由电机驱动，电机可以直接跟输送定长的电机做速度匹配。这种匀速导开会使物料储布保持一定的高度没有变化，物料不产生忽上忽下的抖动，也一定程度上减少了物料的拉伸。当然双电机导开的附加功能是实现了倒卷功能。双电机导开如图11。

1.4.2 台车纠偏功能

传统纠偏方式都是在物料储布之后，进行物料纠偏，这样在输送过程中，输送带上的料和台车里的料其实一直存在左右的偏移，看起来物料到输送带之后两侧是纠正过的，但实际上头部已发生了倾斜，物料裁断之后会行呈现平行四边形而不是长方形，到贴合时就容易出现接头大小不一，这种现象在帘布上表现尤为明显。验证机型在台车上到导开之后，先进行预纠偏，将物料摆到供料架的中间，储布部分就消除了倾斜，再进行精确纠偏、定长裁断，就形成了输送带上的正方形，顺利实现贴合的自动接头，如图12。

直线电机的应用：主机采用直线电机+光栅尺定位，精度高稳定性好（速度1 500 mm/s，重复定位精度＜0.01 mm）；传统方式采用同步带、齿轮齿条，虽然同样采用伺服电机方式，但是经过减速机齿轮齿条及同步带一系列的中间传动之后，不可避免地产生地传动误差，而且误差是累积的。直线电机配合光栅尺的方式，完全消除了中间传动环节，是真正意义上的闭环控制，如图13。

1.4.3 主轴一体的成型鼓机箱

把密封从机箱端部移至内部，减少主轴的悬垂长度；旋转支撑部分采用机床常用的锥度轴承；机箱主轴与成型鼓主轴一体设计，打破成型鼓作为工装的惯性思维；成型鼓半鼓各寸级重量尽量保证一致。经过这几项措施，不仅主轴的精度得到了提高、稳定性得到了保证，而且减少了大量因更换工装调整精度而带来的时间损耗，如图14。

1.5 智能化、自动化

目前工业4.0推进的大背景下，智能化的通用设备发展也是突飞猛进。在非标设备精研的同时，也应该大量引入通用智能设备助力我们的发展。在智能化、自动化部分，我们重点引入了六轴机器人与3D的工业视觉检测。

1.5.1 自动上圈系统

（1）采用隔离塑料托盘的方式，最大程度保证了钢圈自身形状的保持，尤其是三角胶的倾斜角度。

（2）采用机械手进行钢圈、托盘、小车的抓取，包括自动上圈，降低劳动强度的同时，大大减少了人工干预的不确定性。

（3）钢圈位置实时检测，保证了抓取的准确性，避免了码垛方式高规范要求。

（4）通过胎胚周转小车实现与工厂物流线AGV小车等的衔接工作，如图15。

1.5.2 自动卸胎系统

（1）前部机械手单独卸胎，避免后卸胎时序冲突。

（2）可进行精密的轮胎重量检测。

（3）可根据实际情况进行成型机与工厂物流线的胎胚周转衔接，实现自动操作，如图16。

1.5.3 接头检测系统

（1）能够实时扫描胶料贴合效果，排除不合格轮胎接头造成的轮胎质量事故。

（2）因能够实时监控，实现了自动贴合胶料的目的，减少了用工量。如图17。

1.6 复合型、多用途

本机型在一次法领域不断深化的过程中，还涵盖了“正反包工艺”的成型方式，这也是本机型区别于其他机型的最重要的特点。一次法成型机通常只适应一次法成型工艺13″~24″，包含常见的侧包冠和冠包侧。本机型采用模块化的设计理念，通过更换成型鼓、添加胎侧供料系统、正包压辊、下压辊等部套，成功实现了“一次法工艺”和“正反包工艺”之间的自由切换，适应15″~24″。在实际生产中，PCR都是轮胎企业主要的产品，一些MT、AT轮胎作为重要的补充，这些SUV的高端胎需求并非一直稳定，那么单独定制制作SUV轮胎的设备是很有可能闲置的。本机型的生产工艺切换方式正是为了解决这一矛盾而设计的，同时成本增加也很低，升级简单，如图18~21。

1.7 设备管控平台

当下是高速发展的信息时代，大数据、互联网已开始广泛应用，而设备管控尤其是设备底层数据的获取就显得尤为重要。萨驰与西门子联合研发SCADA设备管理平台，对设备进行实时监控、管理。其中包含了：①生产线SCADA监控；②过程数据采集及接口；③生产信息跟踪、查询；④设备管理；⑤质量监控；⑥人员管理；⑦生产实绩、报表；⑧能源；⑨数据备份；⑩配方管理等，如图22、23及表1。

表1 生产管家系统内容

1.8 全局性

尽管以上几个维度都是从成型机的整体进行规划，但并非脱离成型机而从全局来审视这一工序。由于历史发展原因，从整体来看，当前的各个上下游工序，包括物流系统，其实是割裂的。

举例说明：从裁断到成型，材料都是用台车传送的，目前物流技术成熟后，用AGV代替了人工的搬运，但它的功能也仅仅是搬运。具体流程如下：人工将空台车从指定位置装载至裁断的卷曲工位进行卷曲→人工卸载台车到指定位置→AGV从指定位置将台车运送至成型车间指定位置→人工将台车从指定位置装载至成型机→人工将空台车从成型机卸载至指定位置→AGV从指定位置将空台车运送至裁断车间指定位置→下一循环。从上述流程可以看出AGV在中间只是起到了运输作用，并未将两个工序贯通。操作工和AGV之间在交替工作，费时费力。

从整体运行上考虑，我们把成型和裁断看做物流系统的两个工作单元，将AGV、导开（成型）/卷曲（裁断）、台车三者合而为一。这样AGV就不仅仅是运输工具，而是具备了导开/卷曲功能的自动台车。具备复合功能的AGV到达成型/裁断的工位时就不再需要繁琐的人工装载、卸载，同时设备数量种类大幅减少、占地面积减少。当然其他的半成品工序也是同样的考虑。如图23所示。

2 结语

综上所述，我们在总结成型机二十年发展的基础上，对设备进行重新审视和规划，从八个维度对成型机技术进行了探讨，并制作了验证机型SR-10对理论体系做了实际验证。事实证明所研发的机型不仅在一次法领域走到了世界前列，而且涵盖了正反包工艺的轻卡轮胎，其适应性、绿色、数字化等已经在引领成型机行业的发展。