活動板房數(shù)控組裝機(jī)的設(shè)計與創(chuàng)新*

藺紹江 袁 滿 石其年 占浦清

(1黃石理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖北黃石435003;2上海寶信軟件股份有限公司，上海201103;3湖北鑫晨非標(biāo)設(shè)備有限公司，湖北黃石435004)

0 引言

2008年5月12日，四川汶川地區(qū)發(fā)生8.0級地震，由于大部分房屋的結(jié)構(gòu)體系為磚混結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)，材料自重大、彈塑性能差，受到地震的破壞非常大，大量房屋頃刻間完全垮塌，給自救與搜救工作帶來極大的困難。在災(zāi)后重建工作中，大量的鋁合金結(jié)構(gòu)臨時安置房的使用，使具有優(yōu)秀抗震性能的輕質(zhì)鋁合金結(jié)構(gòu)體系活動板房越來越受到關(guān)注[1]。

活動板房是以工廠生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型鋁合金預(yù)制型材構(gòu)件作為承重骨架，以具有質(zhì)量輕、保溫、隔熱、耐蝕等性能的墻體材料作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的新型居住類建筑。它既可歸為裝配式輕質(zhì)房屋體系又可歸屬于活動房屋范疇，相對于固定建筑鋁合金房屋是更加靈活和方便的可拆裝、可移動房屋。它具有質(zhì)量輕、抗震性能好、工業(yè)化程度高和施工速度快等優(yōu)點，同時能耗低、無污染、可循環(huán)利用。

在我國鋁合金活動板房結(jié)構(gòu)件的組裝主要是由人工手動控制壓裝設(shè)備來完成的，這種組裝設(shè)備控制比較簡單，勞動強(qiáng)度大，組裝效率低，并且由于人工無法判斷壓裝力的大小和插裝水平精度，容易導(dǎo)致壓裝力偏大或偏小，插裝水平度偏高或偏低，常出現(xiàn)組件不能裝到位或壓裝過頭等無法保證壓裝精度的現(xiàn)象，產(chǎn)品報廢現(xiàn)象時有發(fā)生，影響生產(chǎn)效率。因此設(shè)計高精度、自動化程度高、操作靈活方便且安全可靠的裝配機(jī)械，成為提高活動板房產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度、提高效率、增加效益等所必須解決的技術(shù)問題。

“數(shù)控活動板房構(gòu)件自動組裝機(jī)”綜合應(yīng)用計算機(jī)控制技術(shù)、精密傳感器技術(shù)、電液比例控制技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)，實現(xiàn)活動板房高精度自動化組裝，提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性及穩(wěn)定性，替代目前我國活動板房手工組裝落后組裝生產(chǎn)技術(shù)[2]。同時，數(shù)控活動板房構(gòu)件自動組裝機(jī)設(shè)備的成功研發(fā)，將全面提升我國活動板房屋組裝整體技術(shù)水平，為大力發(fā)展我國輕型節(jié)能綠色住宅起到積極地推動作用，對我國實現(xiàn)全面可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要意義。

1 工作原理

活動板房的構(gòu)件組裝大多在工廠預(yù)制，主要預(yù)制構(gòu)件包括房屋中間立柱、邊立柱，屋架人字梁及用于連接的內(nèi)鑲件等。通過預(yù)制件后期組裝完成活動板房的安裝。由于活動板房的主梁、立柱等預(yù)制結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點是外梁為矩型方管，在方管內(nèi)有2～3件與其配合的內(nèi)鑲插件，在將內(nèi)鑲插件(截面約55 mm×25 mm)與3.3 m長主梁、立柱插裝連接時壓入行程與截面周長的比值很大(約11.2)的問題，若壓力控制不均或位置控制不當(dāng)，很難達(dá)到設(shè)計要求，甚至?xí)?dǎo)致工件材料的變形。因此需引入超長行程壓入的壓力控制和位置控制，圖1為數(shù)控活動板房構(gòu)件自動組裝機(jī)的實物圖。采用工業(yè)控制計算機(jī)與可編程邏輯控制器(PLC)組成上下位機(jī)組成控制核心，對鋁合金活動房構(gòu)件組裝全過程進(jìn)行數(shù)字化精確控制。系統(tǒng)液壓泵采用恒壓變量柱塞泵;溢流閥采用先導(dǎo)式電液比例溢流閥;在液壓缸與工件之間增加了力傳感器，作為電液控制系統(tǒng)的反饋元件。設(shè)備采用安全光柵，安放在工作臺向操作者一側(cè)。設(shè)備運行期間，操作者身體的任一部分進(jìn)入設(shè)備工作區(qū)時，設(shè)備會自動停機(jī)，設(shè)備處于鎖定狀態(tài)，不能啟動設(shè)備，從而有效保證操作者的人身安全。

圖1 數(shù)控活動板房構(gòu)件自動組裝機(jī)

圖2為數(shù)控活動板房構(gòu)件自動組裝機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖，本設(shè)計主要由主管定位夾緊機(jī)構(gòu)、插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、插件壓裝機(jī)構(gòu)等組成，其工作流程為:人工放置主管(梁)，自動定位夾緊，人工放置插件至定位導(dǎo)向裝置中，啟動機(jī)器，插件壓裝機(jī)構(gòu)中的長推桿左移將插件向主管(梁)中壓入，當(dāng)插件向主管(梁)中壓入一段距離后，插件定位導(dǎo)向裝置中的L形板自動讓開長推桿連接座，插件壓裝機(jī)構(gòu)中的長推桿繼續(xù)左移將插件壓入到主管(梁)中的設(shè)計位置。

圖2 數(shù)控活動板房構(gòu)件自動組裝機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 主要零部件設(shè)計

2.1 液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計

活動房構(gòu)件組裝時要求進(jìn)壓裝時的運動速度平穩(wěn)，返回時的運動速度要快(快退)，并且在行程終點區(qū)域具有節(jié)流緩沖，以減少對設(shè)備和工件的沖擊。為此，專門設(shè)計一套電液比例控制液壓傳動系統(tǒng)，系統(tǒng)液壓泵采用恒壓變量柱塞泵;溢流閥采用先導(dǎo)式電液比例溢流閥;在液壓缸與工件之間增加了力傳感器，作為電液控制系統(tǒng)的反饋元件。與傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)和普通開關(guān)型液壓閥相比，電液比例控制閥能大大提高液壓系統(tǒng)的控制精度，并且可以彌補(bǔ)普通液壓控制閥只能進(jìn)行開關(guān)控制，不能進(jìn)行連續(xù)控制的缺陷。同時，本液壓系統(tǒng)設(shè)有專門壓力傳感器和位移傳感器，通過對電磁閥電磁鐵通斷電的控制及壓力傳感器、位移傳感器和壓力繼電器工作信號的反饋來準(zhǔn)確實現(xiàn)壓裝的各個工序。

2.2 電氣自動控制系統(tǒng)設(shè)計

為了徹底擺脫過去憑工人經(jīng)驗判斷壓裝力進(jìn)行組裝的方式，設(shè)備采用工業(yè)控制計算機(jī)與可編程邏輯控制器(PLC)組成上下位機(jī)組成控制核心，對活動房構(gòu)件組裝全過程進(jìn)行數(shù)字化精確控制?？刂葡到y(tǒng)包括計算機(jī)控制的液壓傳動數(shù)控伺服系統(tǒng)、大行程組裝臺壓頭行程伺服系統(tǒng)、大行程組裝臺位置伺服系統(tǒng)、夾具動作系統(tǒng)、故障檢測報警系統(tǒng)等，使整套設(shè)備能精確自動完成活動房構(gòu)件組裝任務(wù)。

采用數(shù)控編程技術(shù)，方便管理及維護(hù)，配以具有友好的人機(jī)界面的觸摸屏使操作更加方便[3]。由于計算機(jī)具有較高的運算能力，可以快速準(zhǔn)確計算出壓裝頭每次工進(jìn)快退的運動軌跡和壓裝力大小，保證工件和壓裝頭之間精確的相對位置以及合適的壓裝力，從而實現(xiàn)加工的精度質(zhì)量要求，有效保護(hù)工件材料不被壓變形，效率可比創(chuàng)新前提高3～5倍。創(chuàng)新前設(shè)備主要是由人工手動控制，這種組裝設(shè)備控制比較簡單，勞動強(qiáng)度大，組裝效率低，并且由于人工無法判斷壓裝力的大小和插裝精度，容易導(dǎo)致壓裝力偏大或偏小，常出現(xiàn)組件不能裝到位或壓裝過頭等現(xiàn)象，產(chǎn)品報廢現(xiàn)象時有發(fā)生。

2.3 大行程精密組裝平臺設(shè)計

整個組裝工作臺由固定工作臺和移動工作臺組成。固定工作臺主要承受載荷，實現(xiàn)力的封閉。移動工作臺安裝有位移檢測裝置、專用夾具、檢測系統(tǒng)、支撐等。移動工作臺采用精密直線導(dǎo)軌，位移檢測裝置采用差動電感式位移傳感器和光柵尺測量機(jī)構(gòu)來完成平臺位移自動測量。使移動位置精度達(dá)至±0.05 mm。組裝工作平臺還設(shè)有光柵安全控制器，保證了組裝設(shè)備的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

3 設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

3.1 插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圖3為插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圖，主要由L形定位導(dǎo)向板、驅(qū)動油缸、左右導(dǎo)桿裝置和磁塊組成。在插件放入L形板之前，電氣系統(tǒng)會自動檢測其位置并進(jìn)入，而當(dāng)插件向主管(梁)中壓入一段距離后，插件定位導(dǎo)向裝置中的L形板能自動檢測并讓開長推桿連接座，因此本結(jié)構(gòu)定位誤差小，效率高，且操作安全;而現(xiàn)有的技術(shù)中(如圖4)，在插件放入之前，需要先手工放插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)側(cè)板，當(dāng)插件被壓入一段距離后，為了避開長推桿連接座，又需手工將插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)側(cè)板拿開，定位誤差大，效率低，操作不安全。

圖3 插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

圖4 現(xiàn)有技術(shù)插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

3.2 插件壓裝機(jī)構(gòu)

圖5為插件壓裝機(jī)構(gòu)圖，由長推桿、驅(qū)動油缸、導(dǎo)軌座和滑板組件、推桿座等組成，其驅(qū)動力、壓裝力和工件在同一縱向平面，偏心力距小;另外采取2組高精密直線導(dǎo)軌作導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向精度可達(dá)0.02/1 000 mm，剛性好，從而確保壓裝精度的實現(xiàn)。而現(xiàn)有的技術(shù)中(如圖6)，驅(qū)動力、壓裝力均在工件縱向平面的旁邊，偏心力距較大，另外單組直線導(dǎo)軌作導(dǎo)向裝置，剛性差，壓裝力很難控制。

圖5 插件壓裝機(jī)構(gòu)

圖6 現(xiàn)有技術(shù)插件壓裝機(jī)構(gòu)

4 結(jié)束語

1)在設(shè)計過程中采用電液比例控制液壓傳動系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)和普通開關(guān)型液壓閥相比，電液比例控制閥能大大提高液壓系統(tǒng)的控制精度，彌補(bǔ)了普通液壓控制閥只能進(jìn)行開關(guān)控制，不能進(jìn)行連續(xù)控制的缺陷。

2)采用數(shù)控編程技術(shù)，方便管理及維護(hù)，配以具有友好的人機(jī)界面的觸摸屏使操作更加方便。組裝工作平臺設(shè)有光柵安全控制器，保證了組裝設(shè)備的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

3)對插件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、插件壓裝機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，保證了設(shè)備的高精度與高效率。

[1]牛建廣，高春艷.輕鋼活動板層結(jié)構(gòu)體系研究[J].山西建筑，2009(7):79-81

[2]吳南星，胡如夫，孫慶鴻.數(shù)控車床絲杠進(jìn)給系統(tǒng)剛度對空位精度的影響[J].中國工程科學(xué)，2004(9):46-49

[3]蘇學(xué)滿，吳焱明.鎖芯組裝機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].液壓與氣動，2007(11):31-33