琴弓的自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)*

彭 芳，王佳慶，劉 俊

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215123）

琴弓的自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)*

彭 芳，王佳慶，劉 俊

（蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇蘇州 215123）

琴弓是弦樂(lè)器的一部分，用來(lái)令琴弦振動(dòng)發(fā)出聲音。目前琴弓主要以半手工半機(jī)械的生產(chǎn)方式來(lái)生產(chǎn)。若以自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)代替手工制作將會(huì)大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，并且有效地減少倉(cāng)庫(kù)材料的積壓，降低生產(chǎn)損耗。對(duì)琴弓的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了完整的設(shè)計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)控制方案進(jìn)行了研究，利用順序編程實(shí)現(xiàn)琴弓自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的控制要求。最后完成了整個(gè)輸送及生產(chǎn)部分的任務(wù)。

琴弓；自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)；PLC

0 引言

琴弓是弦樂(lè)器（如小提琴）的主要組成部分。好的小提琴一定要配一根好的琴弓，這樣小提琴才能發(fā)揮其良好的的音效能，使發(fā)出的聲音更加優(yōu)美。就算是同一演奏者和同一把小提琴，由于琴弓的不一樣，其發(fā)出的音效效果也不相同，足以見(jiàn)得琴弓占據(jù)的地位。

琴弓主要由馬尾、馬尾庫(kù)、弓尾、弓頭、弓桿、調(diào)節(jié)螺絲組成。馬尾是琴弓的重要組成部分，琴弓通過(guò)馬尾摩擦琴弦而發(fā)音。馬尾庫(kù)連接著弓尾，馬尾的一端嵌在弓毛庫(kù)的榫眼中。在馬尾庫(kù)靠近馬尾的一面，擰入調(diào)節(jié)螺絲的螺母。弓尾又叫弓根，是弓桿的尾端，它連接著馬尾庫(kù)和調(diào)節(jié)螺絲。弓頭是弓桿的尖端、琴弓的頭部，弓毛的一端就用小木塞嵌在弓頭的榫眼中。在弓頭木的表面，膠有弓頭片，它具有防止弓頭木開(kāi)裂和裝飾的作用。弓桿是一根長(zhǎng)而圓(或八方形)的木桿，為琴弓的主要部件。調(diào)節(jié)螺絲起調(diào)節(jié)馬尾松緊的作用，又叫弓尾螺絲。琴弓的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 琴弓結(jié)構(gòu)示意圖

一支琴弓的制作需要多道嚴(yán)格的工序，要控制好制弓木材性能、馬尾的質(zhì)地這兩道關(guān)，還要注意弓身的線(xiàn)條、弓頭的造型、平衡點(diǎn)的位置[1]。目前琴弓的生產(chǎn)多以半手工半機(jī)械為生產(chǎn)方式，生產(chǎn)一根琴弓時(shí)間較長(zhǎng)，以自動(dòng)化來(lái)代替前期制作會(huì)大大降低生產(chǎn)成本，節(jié)省人力。而本課題主要研究的就是琴弓自動(dòng)化生產(chǎn)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)可以降低成本，簡(jiǎn)化加工的工序，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、下位機(jī)以及上位機(jī)三大設(shè)備組成。下位機(jī)由controlLogix控制系統(tǒng)組成。羅克韋爾公司的PLC一ControILogix5561為中心，它是高度模塊化結(jié)構(gòu)的，可以靈活擴(kuò)展和組合的控制器，其處理器和各個(gè)模塊之間是通過(guò)背板總線(xiàn)完成組態(tài)的，各模塊可以方便插在背板上面操作簡(jiǎn)便、可維護(hù)性強(qiáng)。上位機(jī)為PC機(jī)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備[2]。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)系統(tǒng)。琴弓的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)工作示意圖如圖2所示。將銑好的弓子坯料放在卡槽上通過(guò)傳送帶輸送到弓身加工模塊，對(duì)弓身進(jìn)行繞絲貼羊皮。然后將其輸送到弓頭加工模塊，用膠水將弓頭片貼在弓尖上，繼續(xù)運(yùn)送到打磨機(jī)位置進(jìn)行弓頭打磨，然后運(yùn)送到打孔機(jī)位置在弓頭上打出圓孔，并且在弓尾打出安裝調(diào)節(jié)螺絲的螺絲孔和安裝馬尾庫(kù)用的長(zhǎng)方孔。然后通過(guò)傳送帶將其運(yùn)送到裝配模塊，將馬尾的一端沾上乳膠并塞入弓頭上打好的圓孔，并且塞入木塞壓緊至孔內(nèi)，馬尾的另一端已經(jīng)裝在馬尾庫(kù)里，將馬尾庫(kù)安裝在弓尾的長(zhǎng)方孔上并安裝調(diào)節(jié)螺絲。安裝好后通過(guò)搬運(yùn)模塊將琴弓搬運(yùn)到傳送帶上等待的卡槽盒中（裝貨區(qū)），卡槽盒裝滿(mǎn)后擋板下降卡槽盒傳送到卸貨區(qū)，等待工人精加工。

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)工作示意圖

2 自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)各模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 弓身加工模塊

剪切好的羊皮卷（寬度為25毫米）在卷軸上，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷軸旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制由變頻器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)羊皮從卷軸上打開(kāi)時(shí)，羊皮上側(cè)會(huì)自動(dòng)涂抹上膠水，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)纏繞到琴桿上，纏繞完成后，會(huì)有燒熱的工具熨燙羊皮接縫處，使其平整。羊皮的張力由張力調(diào)節(jié)桿來(lái)感應(yīng)張力變化情況，給出調(diào)節(jié)信號(hào)到變頻器。

2.2 弓頭加工模塊及打磨機(jī)

經(jīng)傳送帶把上一模塊加工后的琴弓傳送到這里，首先在弓頭上沾膠，然后吸盤(pán)吸取弓頭片將其黏結(jié)在弓頭上。弓頭打磨，用打磨機(jī)磨出弓頭的大致形狀。

2.3 打孔機(jī)

該打孔機(jī)有三個(gè)工位，第一個(gè)工位是用鉆頭在弓頭上打出圓孔；其后第二個(gè)工位用機(jī)器打出弓子尾部安裝調(diào)節(jié)螺絲的孔；第三個(gè)工位銑出安裝馬尾庫(kù)的長(zhǎng)方形孔。

2.4 裝配模塊

裝配模塊是由機(jī)械裝置和控制裝置構(gòu)成，其中機(jī)械部分主要是使用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成動(dòng)作，通常包括四個(gè)部分∶料倉(cāng)換位部件、上下?lián)u臂部件、真空吸盤(pán)搬運(yùn)機(jī)械手、工件推出部件。控制部件包括：開(kāi)關(guān)電源、可編程序控制器、操作面板等組成。

工件裝配裝置主要任務(wù)是將馬尾的一端沾上乳膠并塞入弓頭上打好的圓孔，并且塞入木塞壓緊至孔內(nèi)，馬尾的另一端已經(jīng)裝在馬尾庫(kù)里，將馬尾庫(kù)安裝在弓尾的長(zhǎng)方孔上并安裝調(diào)節(jié)螺絲。打好孔的弓桿由前一工作站送來(lái)，馬尾、木塞、馬尾庫(kù)及螺絲為本站提供。首先裝配模塊接收到從前一站傳送過(guò)來(lái)的弓桿，把當(dāng)前弓桿固定到裝配工位上，使弓頭的圓孔處于待裝配A位置，弓尾的長(zhǎng)方形孔及螺絲孔位于待裝配的B位置。料倉(cāng)中存儲(chǔ)馬尾，馬尾推出氣缸伸出將料倉(cāng)中的馬尾推出，對(duì)準(zhǔn)弓身弓頭的圓孔，塞入該圓孔中；木塞推出氣缸伸出，旋轉(zhuǎn)手臂的真空吸盤(pán)吸住木塞；旋轉(zhuǎn)手臂向裝配工位回轉(zhuǎn)，木塞塞入裝配工位上弓身的圓孔中；完成裝配后，真空旋轉(zhuǎn)手臂在搖臂氣缸的作用下復(fù)位；馬尾庫(kù)及螺絲也通過(guò)類(lèi)似方法裝配到弓桿上，從而完成一次工件裝配工作。

2.5 搬運(yùn)模塊

該搬運(yùn)模塊應(yīng)用氣壓傳動(dòng)，具有不污染環(huán)境、動(dòng)作靈活迅速、操作維修簡(jiǎn)便、使用方便、適于在惡劣環(huán)境下工作以及工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，該模塊是由基座及手臂等部分組成，各部分又通過(guò)相應(yīng)的氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作。磁場(chǎng)式傳感器用于檢測(cè)傳送裝置的各個(gè)氣缸的兩個(gè)極端位置，真空吸盤(pán)的放氣與吸氣由壓差開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)。整個(gè)控制系統(tǒng)由氣動(dòng)執(zhí)行元件、電磁換向閥、傳感器和PLC等部分組成[3-4]。

搬運(yùn)模塊的氣動(dòng)控制系統(tǒng)是由氣動(dòng)三聯(lián)體、各氣缸和真空發(fā)生器的控制閥以及氣源組成順序動(dòng)作回路。其氣動(dòng)控制原理如圖3所示。氣源出來(lái)的氣體經(jīng)過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)體減壓、潤(rùn)滑、過(guò)濾處理后，通過(guò)相應(yīng)的電磁換向閥來(lái)驅(qū)動(dòng)各氣動(dòng)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)預(yù)定動(dòng)作。其中直線(xiàn)氣缸、升降氣缸、擺動(dòng)氣缸是通過(guò)各自的三位五通或兩位五通雙控電磁閥來(lái)控制，使各氣缸能夠停止在預(yù)先設(shè)定的位置上。

圖3 搬運(yùn)模塊氣動(dòng)回路圖

搬運(yùn)模塊PLC的程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖如圖4所示。PC通過(guò)通訊口將程序傳送給PLC，PLC檢測(cè)和接受各種按鈕開(kāi)關(guān)與傳感器信號(hào)，運(yùn)行程序，通過(guò)輸出點(diǎn)輸出的DC0V電源控制電磁換向閥的失電與得電，實(shí)現(xiàn)換向，從而接通氣路通道對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行元件進(jìn)行控制。

2.6 傳送系統(tǒng)模塊

在該自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中，每個(gè)加工模塊之間多處使用傳送帶進(jìn)行傳輸，在此設(shè)計(jì)中的傳送帶需要滿(mǎn)足以下功能。傳送帶整體是一個(gè)回路，即：從頭傳送出的卡槽最后會(huì)回到起始位置。

傳送模塊由分開(kāi)的幾條傳送帶組成；下一個(gè)模塊沒(méi)運(yùn)作完成時(shí)，前面一段傳送帶擋板升起阻止后方的卡槽；卡槽在傳送帶上運(yùn)作時(shí)有限位保護(hù)；整個(gè)傳送系統(tǒng)有一部分出現(xiàn)故障時(shí)，全部的傳送帶全部停止運(yùn)行；整個(gè)傳送系統(tǒng)必須設(shè)置急停按鈕，以防發(fā)生意外。

在選擇傳送帶的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，假設(shè)過(guò)大地選擇電動(dòng)機(jī)功率，“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。電機(jī)的輸出機(jī)械功率得不到充分的使用，而且效率及功率因數(shù)都不會(huì)高，這種情況將對(duì)電網(wǎng)及用戶(hù)都不好。同時(shí)也會(huì)造成電能的浪費(fèi)。正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率，需要經(jīng)過(guò)比較和計(jì)算。在這里選擇三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為51K40GN-Y，規(guī)格為AC220/ 380V，200W，0.45A，1450r/ min，50/60Hz。

圖4 搬運(yùn)模塊PLC的程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖

在該自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中，有很多地方用到傳感器來(lái)完成檢測(cè)操作，主要是反射式光電傳感器和磁感應(yīng)傳感器。反射式光電傳感器檢測(cè)傳送帶上的卡槽和卡盒，檢測(cè)卡槽上的琴弓。磁感應(yīng)傳感器檢測(cè)氣缸的伸出和回縮是否到位。

2.7 其他輔助模塊

在整個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)中，進(jìn)行打磨和開(kāi)孔的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生木屑，堆積多了會(huì)影響生產(chǎn)線(xiàn)工作，所以在打磨弓尖模塊、弓尖開(kāi)孔模塊、調(diào)教螺絲開(kāi)孔模塊、馬尾庫(kù)開(kāi)槽模塊處安裝吸塵器，以降低木屑對(duì)生產(chǎn)的影響。

整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的噪音和震動(dòng)，所以在每個(gè)單元的支架下安裝海綿，以降低生產(chǎn)線(xiàn)運(yùn)作時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和噪音。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了琴弓自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，并且有效地減少倉(cāng)庫(kù)材料的積壓，降低生產(chǎn)損耗。實(shí)踐證明琴弓自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

［1］吳昌紅.渭塘琴弓拉響在世界舞臺(tái)［N］.新華日?qǐng)?bào)，2007.8。

［2］高凌云.基于PLC的氣動(dòng)自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)的研究［M］.成都：西南石油大學(xué)，2011.

［3］于洋，陳乃建，徐霞.基于PLC的氣動(dòng)炸藥搬運(yùn)機(jī)械手研制［J］.北京：人民郵電出版社，2010.

［4］彭芳，施長(zhǎng)浩，鐘煒.基于PLC的氣動(dòng)吸盤(pán)式物料傳送裝置［J］.機(jī)電工程，2009（10）：109-110.

Automatic Production System of the Bow

PENG Fang，WANG Jia-qing，LIU Jun
（Department of Electrmechical，Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology，Suzhou215123，China）

The bow is a part of the stringed instrument，which is used to make the string vibrate to produce the sound.At present，the bow is made mainly in the way of half manual and half mechanical production.If using the automatic production system to replace handmade，it will reduce the cost remarkably and improve production efficiency.At the same time it will reduce the backlog of warehouse material and the production waste.In this paper，it introduces the bow’s automatic manufacturing system，and researches on the hardware structure and control scheme of the system，meets the requirements for the blow automatic manufacturing system through sequential programming technology，fulfils all the tasks of transportation and production.

bow；automatic manufacturing system；PLC

TP29

：A

：1009－9492(2014)11－0089－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.025

彭 芳，女，1981年生，四川廣安人，碩士研究生，工程師/講師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化。

王佳慶，男，1976年生，江蘇蘇州人，碩士研究生，高級(jí)工程師/副教授。

(編輯：向 飛)

*江蘇省高級(jí)訪(fǎng)問(wèn)工程師項(xiàng)目（編號(hào)：2013FG053）

2014－09－29