節(jié)能門窗高效制作機(jī)的開發(fā)*

□ 謝占功 □ 華 楠，2 □ 羅良維，2 □ 閆鷹鴿 □ 陳賢帥

1.廣州中國(guó)科學(xué)院 先進(jìn)技術(shù)研究所 廣州 511458 2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 廣州 510006

近幾十年來，建筑節(jié)能化已成為世界性潮流。綠色建筑使用綠色建材和綠色能源，在制造和使用過程中環(huán)保、節(jié)能，有利于人類的健康[1]。

門窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開口部位，是阻隔外界氣候侵?jǐn)_的基本屏障，已成為建筑節(jié)能的重要組成部分[2]。而節(jié)能玻璃作為節(jié)能門窗組成中的重要一環(huán)，其自身的性能、特點(diǎn)及與窗框之間的密封性極大地影響了門窗整體的作用。

從熱傳遞效率方面看，由兩層平板玻璃合成的節(jié)能玻璃，其能源利用效率是普通玻璃的2.2倍，然而，在實(shí)際的門窗生產(chǎn)加工過程中出現(xiàn)了一些困難。一方面，由于節(jié)能玻璃的質(zhì)量是普通玻璃的兩倍甚至三倍以上，因此導(dǎo)致了節(jié)能門窗加工制作過程中需要用到更多的人力，提高了人工成本，影響了制作效率，增大了安全隱患；另一方面，若要達(dá)到節(jié)能門窗高效節(jié)能的目的，對(duì)于節(jié)能玻璃與門窗框架之間結(jié)合的精度要求就非常高。

針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)了低成本、自動(dòng)化、可編程及具備感知能力的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備——節(jié)能門窗高效制作機(jī)，目前，該制作機(jī)已投入生產(chǎn)，并取得了相關(guān)發(fā)明專利[3]。

1 節(jié)能門窗高效制作機(jī)的工作原理

節(jié)能門窗高效制作機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理如下。

該設(shè)備外接三相電源，通過無油活塞式空壓機(jī)提供整個(gè)機(jī)器的動(dòng)力，PLC控制機(jī)器的運(yùn)行過程。將裝有待組裝玻璃的堆棧架和待安裝玻璃的框架放置在龍門機(jī)架的下方，其中框架傾斜放置。按下開始開關(guān)，啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。吸盤組件移動(dòng)到下起始點(diǎn)，并沿導(dǎo)軌方向左移。在此過程中，吸盤組件下方的吸盤開始供氣，具備吸合能力。當(dāng)吸盤接觸到節(jié)能玻璃時(shí)，觸發(fā)轉(zhuǎn)換器開關(guān)，吸盤組件停止在導(dǎo)軌方向上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)吸盤吸合玻璃后，吸盤組件向上移動(dòng)，將吸盤吸合的玻璃向上升起。與此同時(shí)，吸盤組件在導(dǎo)軌上向右運(yùn)動(dòng)到框架前，將節(jié)能玻璃對(duì)準(zhǔn)框架，懸掛臂下行，吸盤釋放節(jié)能玻璃并將節(jié)能玻璃的下緣落在框架的下邊框內(nèi)。節(jié)能玻璃的上端靠在懸掛臂下端推料氣缸的推桿上，推桿在推料氣缸的驅(qū)動(dòng)下伸出，并將節(jié)能玻璃完全放入框架內(nèi)，結(jié)束工作循環(huán)而進(jìn)入下道工序。

▲圖1 節(jié)能門窗高效制作機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的節(jié)能門窗高效制作機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要包括：機(jī)架、無桿氣缸、懸掛臂以及吸盤組件共4部分。

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)

節(jié)能門窗高效制作機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖2所示，其具備以下幾方面的特點(diǎn)。

▲圖2 機(jī)架結(jié)構(gòu)

（1） 整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。整個(gè)機(jī)架由4個(gè)鋼結(jié)構(gòu)梁組成，鋼結(jié)構(gòu)數(shù)量少于傳統(tǒng)的玻璃門窗機(jī)器。

（2） 機(jī)器的導(dǎo)軌間距小。兩個(gè)導(dǎo)軌之間的距離決定著運(yùn)輸滑動(dòng)組件的尺寸，由于運(yùn)輸滑動(dòng)組件必須橫跨在兩個(gè)導(dǎo)軌之上，因此導(dǎo)軌間距越大，基于導(dǎo)軌而設(shè)計(jì)的運(yùn)輸滑動(dòng)組件（如吸盤組件、懸掛臂）的尺寸就越大。除此之外，即使應(yīng)用相同尺寸的鋼結(jié)構(gòu)梁來作為運(yùn)輸滑動(dòng)組件的基座，也會(huì)因?yàn)閷?dǎo)軌間距的跨度而影響到整個(gè)機(jī)器的性能。

（3）相對(duì)于傳統(tǒng)氣缸驅(qū)動(dòng)，無桿氣缸具有低能耗、高效率的優(yōu)勢(shì)。在導(dǎo)軌上應(yīng)用無桿氣缸驅(qū)動(dòng)吸盤組件運(yùn)動(dòng)，具有節(jié)約能源、提高運(yùn)動(dòng)精度以及工作效率的優(yōu)勢(shì)。

（4）機(jī)器工作平穩(wěn)無沖擊。機(jī)架的設(shè)計(jì)要求保證機(jī)器能穩(wěn)定地工作，即在機(jī)器運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生明顯地晃動(dòng)而影響節(jié)能玻璃的定位精度。

2.2 無桿氣缸

選擇無桿氣缸作為運(yùn)動(dòng)裝置的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及抓取節(jié)能玻璃的主要承載機(jī)構(gòu)，其具備以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）節(jié)省空間。有桿氣缸的安裝空間約為2.2L，而無桿氣缸約為1.2L，L為行程。

（2）定位精度高。活塞兩側(cè)受壓面積相等，推力相同，有利于提高定位精度。

（3）可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)跨度的傳動(dòng)。本機(jī)器所應(yīng)用的無桿氣缸系列可提供長(zhǎng)達(dá)5 m的遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。

（4）承載能力和抗扭能力強(qiáng)。

（5） 壽命長(zhǎng)。

在本設(shè)計(jì)中，要求安裝在機(jī)架上的長(zhǎng)無桿氣缸的行程為1 800 mm，安裝在吸盤組件上的短無桿氣缸的行程為150 mm，節(jié)能玻璃質(zhì)量m1為60 kg，吸盤組件自重m2為15 kg，供氣壓強(qiáng)p為0.7 MPa，重力加速度g為9.8 m/s2。由于短無桿氣缸主要承載節(jié)能玻璃，因此需要首先對(duì)短無桿氣缸進(jìn)行選型。

無桿氣缸工作時(shí)的最大負(fù)載：

式中：Fmax為無桿氣缸工作時(shí)承受的最大負(fù)載；p為供氣壓強(qiáng)；s為活塞面積；d為無桿氣缸的內(nèi)徑。

又 Fmax=（m1+m2）g，代入式（1）得：

設(shè)無桿氣缸各型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)直徑值為d0，則d0≥d。

計(jì)算短無桿氣缸內(nèi)徑：

查閱有關(guān)資料，短無桿氣缸內(nèi)徑可選d0=32 mm。對(duì)長(zhǎng)無桿氣缸的選型應(yīng)該按照最大裝載質(zhì)量及行程來確定，其中，最大裝載質(zhì)量應(yīng)≥37.5 kg。因此，可選內(nèi)徑為25 mm、行程為1 800 mm、最大裝載質(zhì)量為40～56 kg的長(zhǎng)無桿氣缸。

2.3 吸盤組件

圖3所示為吸盤組件結(jié)構(gòu)視圖。包括：T型槽桿、氣缸桿、無桿氣缸、橫梁、管橫欄、頭部桿、調(diào)節(jié)把手、分線夾、保護(hù)桿、懸臂、轉(zhuǎn)換器、吸盤桿以及吸盤等。

其中，T型槽桿通過分線夾與其它組件連接，起到將吸盤組件的上、下部分的結(jié)合以及保持運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的作用；無桿氣缸實(shí)現(xiàn)升降方向上的一個(gè)自由度的快速運(yùn)動(dòng)；調(diào)節(jié)把手可以根據(jù)節(jié)能玻璃的尺寸選擇不同的吸盤高度，以使吸盤在接觸節(jié)能玻璃表面時(shí)能夠有效吸?。粦冶塾蓱冶蹢U與合頁組成，安裝在十字桿上，它能吸取不同傾斜角度的節(jié)能玻璃，其在合頁的緩沖作用之下可自適應(yīng)調(diào)整，以及在轉(zhuǎn)換器失效的情況下起到保護(hù)作用；轉(zhuǎn)換器起到開關(guān)作用，即在吸盤吸住節(jié)能玻璃時(shí)，停止吸盤組件沿導(dǎo)軌方向的運(yùn)動(dòng)。

▲圖3 吸盤組件

2.4 懸掛臂

設(shè)計(jì)的懸掛臂如圖4所示，它采用了剪叉式伸縮機(jī)構(gòu)和氣缸，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能玻璃入框架時(shí)自動(dòng)定位的功能。主要包括：剪叉式伸縮機(jī)構(gòu)、氣缸、底框、推料氣缸、滾輪。其中，剪叉式伸縮機(jī)構(gòu)由多個(gè)基本單元組成，每個(gè)基本單元是由兩個(gè)連桿經(jīng)銷軸連接成的X型結(jié)構(gòu)。多級(jí)剪桿單元首尾相互連接構(gòu)成剪叉式伸縮機(jī)構(gòu)。此外，該剪叉式伸縮機(jī)構(gòu)能夠收縮到極限位置，即相鄰桿件在水平方向上平行；滾輪組件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了懸掛臂在圖1所示的導(dǎo)軌上保持與吸盤組件相同的運(yùn)動(dòng)；推料氣缸安裝在底框上，它能夠通過推桿將節(jié)能玻璃定位在玻璃框架上，節(jié)省了人力。

3 傳感器及定位裝置

在吸盤組件的懸臂上設(shè)計(jì)有一個(gè)力傳感器，該力傳感器能夠在吸盤吸取到節(jié)能玻璃后向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，并告知控制系統(tǒng)開始下一進(jìn)程。為了避免傳感器發(fā)生故障時(shí)可能產(chǎn)生的損傷，吸盤應(yīng)保持對(duì)節(jié)能玻璃的軟接觸。同樣，出于安全考慮，如果傳感器未能及時(shí)發(fā)出信號(hào)或者控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，則吸盤應(yīng)該具有釋放節(jié)能玻璃并返回原始位置的功能。

基于上述考慮，吸盤組件設(shè)計(jì)成兩個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，能夠通過轉(zhuǎn)動(dòng)方式釋放節(jié)能玻璃。通過在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用可調(diào)節(jié)彈簧，可以限制吸盤對(duì)節(jié)能玻璃的推力。

圖5所示為三點(diǎn)夾持定位裝置，其限制了節(jié)能玻璃兩個(gè)自由度方向的運(yùn)動(dòng)。在門框臺(tái)架斜表面上，有兩個(gè)固定點(diǎn)從底端支撐節(jié)能玻璃，一個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)從側(cè)面支撐節(jié)能玻璃。在實(shí)際操作中，調(diào)節(jié)點(diǎn)安裝在框架的內(nèi)側(cè)邊緣，根據(jù)節(jié)能玻璃不同的尺寸進(jìn)行調(diào)整，以保證節(jié)能玻璃能夠準(zhǔn)確進(jìn)入到框架中。

▲圖5 定位裝置原理圖

4 控制系統(tǒng)的應(yīng)用

該機(jī)器的中央控制器主要由可編程邏輯控制器（PLC）組成，能夠控制傳感器、開關(guān)以及氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，并能獲取、處理傳感器及開關(guān)傳遞的信息，控制系統(tǒng)硬件如圖6所示。

在控制系統(tǒng)方面，該機(jī)器的最大特點(diǎn)在于其較高的安全性?？刂葡到y(tǒng)能夠隨時(shí)獲知運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行的動(dòng)作以及所處的位置，檢測(cè)機(jī)器的安全防護(hù)裝置及初始狀態(tài)。只有在這兩個(gè)方面都沒有發(fā)現(xiàn)問題的情況下，才會(huì)允許設(shè)備運(yùn)行；否則，該控制系統(tǒng)將會(huì)開啟警報(bào)燈，并在工控機(jī)面板上顯示警告信息。

在節(jié)能玻璃插入門框時(shí)，只有當(dāng)門框臺(tái)架斜表面處于垂直狀態(tài)時(shí)，吸盤組件才可以帶動(dòng)節(jié)能玻璃運(yùn)行。否則，機(jī)器將處于自鎖狀態(tài)，并將信號(hào)傳輸給PLC，如圖7所示。

▲圖6 控制系統(tǒng)

▲圖7 節(jié)能玻璃插入門框

5 設(shè)備的制作

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，制作出如圖8所示的節(jié)能門窗高效制作機(jī)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。其中，對(duì)該設(shè)備的調(diào)試具體表現(xiàn)如下。

▲圖8 節(jié)能門窗機(jī)的制作與調(diào)試

（1）調(diào)節(jié)吸盤組件的運(yùn)行速度，使其運(yùn)行速度達(dá)到最快且穩(wěn)定性最佳。

（2）改進(jìn)吸盤組件的結(jié)構(gòu)，使其能夠承受更重的節(jié)能玻璃，即發(fā)揮無桿氣缸有效的承重能力。

（3）調(diào)節(jié)節(jié)能玻璃擺放角度，使吸盤能有效吸取處于不同姿態(tài)下的節(jié)能玻璃。

該設(shè)備投入工廠應(yīng)用后，使用結(jié)果表明，設(shè)備運(yùn)行可靠，大大提高了生產(chǎn)效率。此外，由于本設(shè)備將原有需要6軸運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化機(jī)器簡(jiǎn)化成4軸運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了設(shè)備動(dòng)作，降低了生產(chǎn)成本。

6 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的節(jié)能門窗高效制作機(jī)，在龍門機(jī)架上設(shè)置了水平運(yùn)動(dòng)裝置和豎直運(yùn)動(dòng)裝置，依靠吸盤組件下端的夾持器可將節(jié)能玻璃抓起或放下。同時(shí)，配合懸掛臂在導(dǎo)軌架上的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)將節(jié)能玻璃從材料堆棧架運(yùn)送并放置在既定的框架內(nèi)。本設(shè)備的運(yùn)用替代了人力制作，避免了在此道工序常發(fā)生的工人腰背工傷事故，并大大提高了玻璃插入框架的生產(chǎn)效率。

[1]劉志海，龐世紅．節(jié)能玻璃與環(huán)保玻璃[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

[2]武江．新農(nóng)村建設(shè)（建筑節(jié)能技術(shù)）[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]唐建柳，杜如虛，陳賢帥，等.一種自動(dòng)放置板狀材料入框架的裝置[P].中國(guó)專利：CN103625924A，2014-03-12.