雙板復(fù)合機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

郭鵬，梅雪川，陳杰，郭如峰

（1.國機(jī)智能（蘇州）有限公司，蘇州215134；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640；3.國機(jī)智能科技有限公司，廣州510700）

0 引言

雙板復(fù)合技術(shù)廣泛運(yùn)用于金屬材料、高分子材料和無機(jī)材料等領(lǐng)域，尤其是近幾年我國加快住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，建筑與裝修行業(yè)對復(fù)合板材的需求越來越大。由于復(fù)合板材規(guī)格尺寸工整，易于成型；加上板材尺寸規(guī)格多樣性好，可以裝備式安裝，施工效率高；最能做到生產(chǎn)工業(yè)化，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)格模數(shù)化，易于控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)質(zhì)量[1]。因此，我國對板材復(fù)合的技術(shù)需求和生產(chǎn)需求越來越大。但目前國內(nèi)的復(fù)合板材生產(chǎn)行業(yè)廣泛存在的問題是板材復(fù)合性能較低，主要體現(xiàn)在生產(chǎn)自動化程度不高，且板材尺寸與重量較大，人工操作難度較大導(dǎo)致板材復(fù)合強(qiáng)度與精度較低，在保證板材復(fù)合性能時(shí)常導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，反之生產(chǎn)效率提高后復(fù)合板材的性能下降[2]。

針對雙板復(fù)合的加工技術(shù)需求，本文設(shè)計(jì)了一套雙板復(fù)合機(jī)，該復(fù)合機(jī)復(fù)合精度高，可對多種規(guī)格的板材進(jìn)行定位和復(fù)合加工，且可實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，可應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線現(xiàn)場。

1 雙板復(fù)合機(jī)設(shè)計(jì)

本文中所述的雙板復(fù)合的雙板一種為裝配時(shí)在內(nèi)側(cè)做固定連接的板材（以下稱為底板），另一種為表面裝飾用板材（以下稱為面板）。

板材復(fù)合工藝，即需要將多塊面板整齊有序地粘合到事先涂好粘接劑的底板上，復(fù)合時(shí)面板與面板之間需留有規(guī)定間隙，且要保證底板和面板復(fù)合后的重合誤差不超過規(guī)定值；如圖中的示例，所示為底板與4塊面板的復(fù)合工藝尺寸示例圖。

根據(jù)上述的板材復(fù)合工藝，對雙板復(fù)合機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)在于保證板材復(fù)合的精度，同時(shí)使該設(shè)備可以對多種規(guī)格的板材進(jìn)行全自動化復(fù)合加工。故在板材復(fù)合前，需對底板和面板進(jìn)行定位；且將底板作為基準(zhǔn)件，對面板進(jìn)行移載與底板復(fù)合，在移載過程中對面板位置進(jìn)行調(diào)整保證板材的復(fù)合精度。

2 雙板復(fù)合機(jī)主要結(jié)構(gòu)

該雙板復(fù)合機(jī)主要由底板定位裝置、面板定位裝置、龍門機(jī)械臂、面板吸取工裝和控制系統(tǒng)組成，其三維模型如圖2所示。底板與面板在其定位裝置上進(jìn)行定位，龍門架架置在底板定位裝置與面板定位裝置上方，面板吸取工裝安裝在龍門機(jī)械臂末端，根據(jù)系統(tǒng)下達(dá)的指令，龍門工裝對面板進(jìn)行吸取后，將面板精確地與底板定位裝置上的底板進(jìn)行加壓復(fù)合，完成板材的復(fù)合加工。

圖1 復(fù)合工藝尺寸示例圖

圖2 雙板復(fù)合機(jī)三維模型

2.1 底板定位裝置

底板定位裝置主要由輥筒式輸送機(jī)、板材定位模塊等組成，如圖3所示。板材的定位和夾緊均在輸送機(jī)上完成，由于部分板材的質(zhì)量較重，若使用皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸板材，板材與皮帶接觸面積過大從而板材的摩擦力過大，影響板材的定位精度；同時(shí)為了便于在輸送線內(nèi)布置定位機(jī)構(gòu)，故選用輥筒式輸送機(jī)運(yùn)輸板材[4]。配有地腳調(diào)節(jié)器以調(diào)節(jié)輥道的水平高度。板材定位模塊由橫向定位模塊與縱向定位模塊組成，橫向定位模塊由頂升阻擋機(jī)構(gòu)和勾爪機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示；縱向定位模塊由輥道側(cè)邊的限位機(jī)構(gòu)組成，如圖5所示，可保證底板正常通過輥道，同時(shí)保證橫向的定位精度。

該底板定位裝置多規(guī)格的底板進(jìn)行定位夾緊，每種規(guī)格的板材有相應(yīng)的定位夾緊機(jī)構(gòu)，部分機(jī)構(gòu)在不同規(guī)格板材間可以共用，每一規(guī)格板材的定位夾緊機(jī)構(gòu)中的氣缸組成相應(yīng)的氣缸模組；當(dāng)板材上料規(guī)格進(jìn)行切換時(shí)，通過控制系統(tǒng)控制氣缸模組進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格底板的兼容。

圖3 底板定位裝置

圖4 板材橫向定位方式

圖5 面板材縱向定位方式

2.2 面板定位裝置

該面板定位裝置由基座、動力輥道模塊、橫向定位模塊和縱向定位模塊等組成，如圖6所示。

圖6 面板定位裝置

通過多組頂升阻擋機(jī)構(gòu)和勾爪機(jī)構(gòu)有更多的排列組合實(shí)現(xiàn)更多規(guī)格的面板進(jìn)行定位夾緊，且面板生產(chǎn)線不需向前繼續(xù)上料，在輥道最前端采用的是固定的定位板進(jìn)行阻擋定位。

2.3 龍門機(jī)械臂

在板材復(fù)合的過程中，需要將面板從面板定位裝置中抓取，移動到底板定位裝置上方與底板施壓復(fù)合，完成上述動作至少需要兩個(gè)自由度，可選擇二自由度龍門機(jī)械臂作為工件移載機(jī)構(gòu)[5]。

龍門式機(jī)械臂采用龍門式搭建，由X軸模塊和Z軸模塊組成，如圖7所示。X軸與Z軸通過導(dǎo)軌連接。X軸采用齒輪齒條組合，通過一個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動；Z軸模塊采用滾珠絲桿直線模組[6]。龍門機(jī)械臂具備X、Z兩個(gè)方向自由度，面板吸取工裝可在行程范圍內(nèi)沿這兩個(gè)方向運(yùn)動。

圖7 二自由度龍門機(jī)械臂

2.4 面板吸取工裝

該面板吸取工裝主要包括工裝機(jī)架、左吸盤模塊、右吸盤模塊、接觸式定位塊、吸盤對氣缸、吸盤組滾珠絲杠副、吸盤模塊滾珠絲杠副、吸盤移動導(dǎo)軌和吸盤模塊移動導(dǎo)軌組成，如圖8、9所示。

圖9 面板吸取工裝前視圖

面板需要通過龍門機(jī)械手進(jìn)行移載后，與底板進(jìn)行復(fù)合，如圖8所示，成品上的面板與面板之間間隙需保持2mm，因此每種面板在移載過程中，需要進(jìn)行間隙調(diào)整，且對于每個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品，面板的調(diào)整間隙都有所不同，導(dǎo)致各個(gè)吸盤之間調(diào)整的間隙都有所不同，需要采用伺服電機(jī)配合滾珠絲桿進(jìn)行不同尺寸的間隙調(diào)整。

面板吸取工裝中，通過連接板將兩排的吸盤兩兩連接，組成8對吸盤對；將左側(cè)的吸盤對1～4組合為左吸盤模塊，右側(cè)的吸盤對5～8組合為右吸盤模組塊。

板材間距調(diào)整可分為三個(gè)層次，第一層為吸盤對的間距調(diào)整，第二層為吸盤組的間距調(diào)整，第三層為吸盤模塊的間距調(diào)整，如圖10所示。

圖10 吸盤間距調(diào)整示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制原理

根據(jù)雙板復(fù)合機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的板材定位、吸取和復(fù)合等動作，且這些動作的動力源均為電機(jī)驅(qū)動和氣缸驅(qū)動，動作重復(fù)性和穩(wěn)定性要求較高，故選用可編程控制器（PLC）進(jìn)行控制[7]。通過對各個(gè)電機(jī)和氣缸的控制，實(shí)現(xiàn)底板定位裝置、面板定位裝置、龍門機(jī)械臂、面板吸取工裝的運(yùn)作。在底板定位裝置和面板定位裝置中安裝有反射傳感器，根據(jù)需要定位的板材規(guī)格和定位組件來布置傳感器，反射傳感器負(fù)責(zé)檢測板材的初步到位情況和定位夾緊狀態(tài)，并將采樣信號反饋給PLC系統(tǒng)，若出現(xiàn)錯(cuò)誤則發(fā)出警告[8]。同時(shí)在面板吸取工裝上安裝有壓力傳感器，其作用是在底板和面板進(jìn)行復(fù)合的過程中，復(fù)合的壓力值達(dá)到所設(shè)定閾值時(shí)，則停止復(fù)合[9]。并且通過觸摸屏界面與PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門子S7-1200系列PLC，其具有四個(gè)100kHz高速脈沖輸出，該P(yáng)LC穩(wěn)定性好、支持多種通訊方式，可以很好地滿足工藝控制要求[10]。PLC控制系統(tǒng)由變頻器調(diào)頻的方式控制三相異步電動機(jī)，由脈沖的方式控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)的精確位置控制；使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)電磁閥的準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)各氣缸的準(zhǔn)時(shí)動作。PLC通過以太網(wǎng)線與觸摸屏通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互[11]。本系統(tǒng)的硬件配置如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)硬件配置

3.4 板材復(fù)合流程

該雙板復(fù)合機(jī)進(jìn)行板材復(fù)合的流程示意圖如圖12所示。

圖12 板材復(fù)合流程圖

4 成品復(fù)合精度試驗(yàn)

4.1 設(shè)備試驗(yàn)

利用本文設(shè)計(jì)的雙板復(fù)合機(jī)制作多件成品，選用激光跟蹤儀進(jìn)行各個(gè)成品面板之間的間隙，從而得出設(shè)備的復(fù)合精度。

使用徠卡AT901-MR型激光跟蹤儀進(jìn)行檢測，測量范圍50m，ADM絕對測距儀測距精度為全量程半徑內(nèi)不超過10um。

表1 機(jī)器人自動粘貼雙面膠試驗(yàn)條件

4.2 參數(shù)檢測

通過激光跟蹤儀，對每塊面板到底板一側(cè)距離進(jìn)行檢測，測試方式如圖13利用固定好的激光跟蹤儀（激光跟蹤儀距離成品一邊距離為L），移動靶鏡位置測量靶鏡到激光跟蹤儀的距離L1-L3，則可計(jì)算出各個(gè)面板到底板一邊的距離L1-L3。

圖13 板材復(fù)合精度測試示意圖

檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)表2所示。

4.3 參數(shù)計(jì)算及結(jié)果分析

重復(fù)定位精度。本設(shè)備采用數(shù)控機(jī)床的重復(fù)定位精度計(jì)算方法[12]：在相同條件下重復(fù)運(yùn)行設(shè)備，測量每次的定位值δ0、δ1、δ2……，然后求出這些定位值中的最大差值，求最大差值的1/2，取±后即為重復(fù)定位精度。

表2 性能參數(shù)檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算重復(fù)定位精度為：

（1）L1定位精度：

（2）L2定位精度：

（3）L3定位精度：

面板的間隙精度選取最大值，因此復(fù)合板定位精度為±0.185mm≈±0.2mm。

5 結(jié)語

本文針對雙板復(fù)合自動化生產(chǎn)的需求，設(shè)計(jì)了一種全自動化雙板復(fù)合機(jī)。該雙板復(fù)合機(jī)主要的主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）可實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，消除了人工操作對板材復(fù)合精度的影響；

（2）對多種規(guī)格的板材進(jìn)行精準(zhǔn)定位，提高了現(xiàn)有板材定位裝置的兼容性；

（3）實(shí)現(xiàn)一次性對多塊板材進(jìn)行復(fù)合加工，復(fù)合板定位精度為±0.2mm，大幅提高了生產(chǎn)效率，可應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線現(xiàn)場。