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1、1 1 绪论绪论近年来，随着我国汽车工业的发展，与之处于同一产业链的轮胎工业也得到了相应的提高，但综观我国汽车轮胎配套的子午化率与国外发达国家还是有一定的差距，存在这种差距的原因有很多，其中最关键的原因之一就是生产设备的跟不上。在现代科学技术的许多领域中，自动控制技术起这愈来愈重要的作用，自动化水平也越来越高。轮胎硫化过程是轮胎制造过程中的一道重要工序，其硫化效果是影响轮胎质量的关键因数之一。随着我国制轮胎行业规模的不断发展，轮胎呈现出种类数目不断增多与剂型不断丰富的局面。尤其是轮胎硫化质量的不断提高，对轮胎硫化技术提出了更高的要求，特别是对轮胎硫化机提出了更新更高的要求。在当前各种多功能全自
2、动硫化机逐渐进入各轮胎制造企业的情况下，人们有必要对国产轮胎硫化机的应用现状及发展作进一步探讨。1.1 我国轮胎硫化机的发展历程我国早期的轮胎硫化硫化工序主要是采用手工硫化，后来随着科学技术的发展，人们逐渐采用机械化硫化。我国最早使用的硫化机主要是从国外进口的，20 世纪70 年代中期，制轮胎厂就曾经进口过意大利硫化的全自动硫化机，但由于当时我国硫化材料的质量及硫化制作工艺等都达不到机器硫化的要求，使得全自动硫化机一直无法正常使用。所以，全自动硫化机在我国的应用一直无法得到广泛的推进，以致我国轮胎硫化在很长的一段时间内不得不放弃自动硫化机而采用手工操作，使硫化硫化效率极端低下。20 世纪80
3、年代后，相关技术水平获得了飞速发展，轮胎硫化材料的质量及硫化制作工艺等方面的技术有了明显的进步，全自动硫化机开始得到了应用与推广。也正是此时，轮胎硫化机改变了国外产品一统天下的局面，国产轮胎硫化机开始面市并获得了广泛的应用。汽车轮胎的硫化从50年代起推广应用了胶囊定型硫化机。硫化室内径在65“以下的轮胎,即全部乘用车轮胎和轻型、中型卡车轮胎的硫化基本上都采用双模定型硫化机。65“以上的则采用单模定型硫化机或硫化罐。 双模定型硫化机首先普遍应用的是机械式硫化机,采用曲柄齿轮连杆(或称四连杆)结构,机构原理简单。在合模瞬间就加上合模力,以较小的电机功率可获得较大的合模力。合模以后电机不再工作,而合
4、模力可始终保持到重新开模。目前世界上所采用的机械式硫化机虽硫化厂家不同、规格型号各异,而且经过多年不断改进,但基本结构都一样,也都没有变化。 在机械式硫化推广应用的同时,也出现了液压式硫化机。但由于开始时液压式硫化机对机械式硫化机的优越性不很明显,而且当时液压技术还不很成熟,轮胎厂对液压式硫化机的维修保养还不很适应,因此在一段时间内液压式硫化机没有象机械式硫化机那样得到普遍推广。但随着汽车工业和轮胎工业的不断发展,对轮胎的均匀性提出了越来越高的要求,也对硫化机的工作精度提出了越来越高的要求,液压式硫化机的优越性就充分地显示出来了。同时液压技术也日趋成熟,维修保养也不再成为大问题。所以现在世界上
5、主要轮胎公司已逐步采用液压式硫化机来代替传统的机械式硫化机。他们在建设新厂或对老厂进行技术改造时,已基本上采用液压式硫化机。液压式硫化机替代机械式硫化机已成为无可置疑的发展趋势。 机械式硫化机有其结构特点,但这种结构也同时带来了一些固有的弱点。 机械式硫化机的合模力是依靠各受力构件的弹性变形而获得的。在合模并加上合模力时,上横梁两端向下挠曲,底座两端向上挠曲,连杆被拉长且其两端向外挠曲,曲柄齿轮及连杆下端向外偏移,见图1。因此,即使是全新的硫化机,制造质量良好,没有磨损,在合模时这些挠曲变形都一定发生。硫化工位的轴线将偏离理论的垂直位置而被扭弯,而且这轴线从理论垂直位置到被扭弯位置每开合模一次
6、就重复发生一次。也就是说,这轴线在开合模瞬间是带有角转运动的。 由于受力构件的挠曲变形,模具受到的合模力沿圆周方向不是均匀分布的,终是外侧的受力大于中间。有的硫化机制造厂针对这一问题采取了一些补救措施,例如在未合模时使曲柄齿轮下端预先内倾(曲柄齿轮轴向外下倾一微小角度),以及在上横梁上采用楔形填片等,这对某一特定规格的轮胎并在硫化机没有磨损时起到一定的补偿作用,但在变换轮胎规格时或硫化机零件有磨损时,这种补偿作用就大大降低。 此外,机械式硫化机的合模力是在曲柄销到达下死点瞬间由各受力构件的弹性变形量所决定的。而温度变化将使受力构件尺寸发生变化,合模力也将随之而变化。因此机械式硫化机的合模力对温
7、度是比较敏感的。在投入使用前或停机一段时间重新开动时一定要预热。硫化过程中环境温度或工作温度的波动都将造成合模力的波动。1.2国产轮胎硫化机的发展现状我国轮胎生产量 2006 年已达 4.33 亿条,其中汽车轮胎 2.8 亿条,已超过美、欧、日,稳居世界首位。全国有大小 500 多家轮胎企业,生产汽车轮胎的工厂约 200 家,产量占到 80%。尤其载重轮胎在汽车轮胎中的比例非常大,比发达国家多一倍以上,因而,轮胎硫化机的需求数量也相应要大 12 倍。另一方面,我国轮胎工业的技术装备水平较低,仍有 1/3 左右使用着硫化罐,急需更新换代为硫化机。目前硫化机的控制系统的核心主要是PLC，通过程控硫
8、化机的动作和温度压力的控制，然而通常使用的PLC并不是属于安全产品，为了在可编程控制器或其它影响可编程控制器操作的外部因素引起异常时确保系统安全，外部电路中要设置安全措施，否则可能导致严重事故。（1） 在外部控制电路中必须设有紧急停止电路、联锁电路、限位电路以及类似的安全措施。（2） 在自诊断功能检测任何错误时或在执行严重故障报警（FALS）指令时，PLC输出会将所有的输出置OFF状态。为了保证系统的安全，必须设有外部安全措施。（3） 由于输出继电器的卡死、烧坏或是输出晶体管的损坏，可编程控制器可能保持在ON或OFF状态。作为这个问题的防范措施，必须提供外部安全措施以保证系统安全。（4） 在2
9、4V直流输出（可编程控制器的工作电源）超载或是短路时，电压可能下降并使输出变为OFF。为了保证系统的安全，必须设有外部安全措施，作为这个问题的防范措施。针对硫化机合模时被挤压的危险，通常都会采用抬安全杠方法，或是站在控制柜前的人按紧急停止按钮。现在国内的硫化机都是采用PLC作为紧急停止的核心，当人为的抬安全杠或是按下紧急停止按钮时，向PLC内输入信号，在由PLC控制输出。但是PLC本身不是安全产品，PLC出错停止运行时或是出现上面所说的输出继电器卡死、烧坏或是输出晶体管的损坏时则有可能产生严重的后果。另外，安全杆上通常是采用两个普通的微动限位开关，开关极易损坏，只要疏忽检查，安全杠失灵成为一个
10、安全隐患，这比PLC出错或是输出继电器烧坏更严重。1.3 轮胎硫化机的发展趋势1.3.1 更符合人机工程学人机工程学属于一种综合性的边缘学科，现已广泛地应用于产品设计中，使产品设计更注重人的因素，它的最终目的是达到“人产品环境”的和谐统一。那么轮胎硫化设备作为一种为了降低人的劳动强度的产品来说更应该考虑人的因素，且应该将这种观念贯穿于机械设计的每一个细节，如操作台面的高低、操作程序的合理化、操作界面的视觉效果（视疲劳的产生程度） 、操作的安全性、维修的方便性、调整的方便性等。制轮胎厂家由于各种因素对轮胎更新换代比较频繁，那么一种型号的硫化设备就不能只用于一种产品的硫化。由于不同轮胎的态、特性，
11、即使硫化工艺相同，也会涉及到模具不同、加料方式不同等问题。现今市场上的轮胎硫化设备兼容性较小，适用也不广泛，一般为一对一的硫化，既使可以包不同的轮胎，更换模具也不是很方便。如果把硫化工序相同或类似的硫化机械做成一种或几种标准设备，需要更换的部位做成能独立运行的基本单元体，通过接口相连实现和主机的连机，使其和主机成为一个共同体（类似积木的形式，可以根据要求进行组合） ，在实际应用中根据自己的需要对基本单元体进行自行组合就行了。如果能实现这种设计，既方便操作者更换模具，又可以极大的减少浪费，同时增大了机器的灵活性和适用性。1.3.2 实现硫化自动化硫化自动化已成为一种必然的趋势，而且我们也正朝着这
12、个方向努力。但现在的硫化自动化只能说是相对的，要实现真正的自动化我们的路还很长，会碰到诸如检测、自动调整等一系列问题。对形态各异、物理特性各不相同的轮胎在检测过程中所碰到的问题会更多，而检测之后数据的传输和处理，对控制系统的要求也不会就停留在当前的程度上。这需要电子行业和硫化行业的共同努力，需要医轮胎硫化机械能够将新的电子技术及时的应用到实践中来，需要两个行业的共同探索。有些制轮胎机械企业已经开始用伺服电机控制代替传统的传动系统，这种替代就是对传统框框的一种改革和突破。用伺服系统控制的传动系统即可以通过程序的编写来控制整个动作的同步问题，又可以消除传统传动系统容易形成积累误差的缺点，在调试的过
13、程还可以对每个动作单独控制，也节省了调试所形成的浪费。在自动化的设计中我们强调“模块化”设计，将相关动作分解开来，由系统独立控制，并可方便地实现整体控制，实际上是增加了机械运行和调节的灵活性，提高了自动化。在对医疗硫化机械进行自动化上，我们对自动化定义越来越广，越来越细，研究的也越来越深，从一种机械自动化上升到整个硫化车间的自动化，从硫化的一部分工序到整个硫化过程，整条硫化线及整个车间的设计将成为一种必然的趋势。整体自动化硫化车间的设计，实际上是对轮胎硫化提供一套完整的硫化解决方案，是对自动化一种全新的飞跃，随着这种趋势的发展，工业也会加入其中，发挥它强大的功能。1.3.3 注重环保从绿色设计
14、的角度看待硫化机械，我们需要改进的地方还很多。泡罩硫化采用的无边冲裁，就是成功的典型一例，它既是轮胎厂家的节约之举，也是社会资源的节约，同时还减少了环境污染。刚刚修订过的固体环境污染防治法草案,草案的实施对过度硫化问题提出了具体的限制，虽然仍不完善，但这说明国家已经将硫化所引起的环境问题提到日程上来了。据统计，硫化垃圾已经占到生活垃圾的30%，而这些垃圾绝大部分都是过度硫化。顺着这个思路思考一下医轮胎硫化机械的整体状况，就会发现我们距离“绿色硫化”有多远。我们应当遵守这样一条原则：减少一切可以避免的，一切废品都是浪费，都可能对环境造成污染。在这条原则的下，我们可以从结构、工艺组合及原材料等方面
15、来考虑我们的硫化机械。1.3.4 程序的设计思路PLC的编程语言有梯形图语言；助记符语言；流程图（SFC）语言。本系统设计的思路是先弄清楚硫化机的工作过程，然后按硫化机工作要求画出整个系统的大概流程示意图，最后再使用梯形图语言编程序。系统流程见图1-1，详细程序梯形图见附录2。YN主电机开模开模极限机械手转入放置轮胎机械手转出主电机合模合模极限硫化结束主电机开模卸胎杆卸胎输送轮胎轮胎计数结束延时硫化要延时硫化?硫化图 1.1 硫化机工作流程图2 2 PLC 原理介绍及设计思路介绍原理介绍及设计思路介绍2.1 PLC 发展历程 可编程序控制器的英文为 Programmable Controlle
16、r，在二十世纪七十至八十年代一直简称为 PC。由于到 90 年代，个人计算机发展起来，也简称为 PC；加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国 AB 公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller） ，为了方便，仍简称 PLC 为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为 PCS 可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。 1968 年美国 GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一土改可编程序控制器，满足了 GM 公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代 PLC 产品了。 在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作；另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制；以及大
