板材烘房設(shè)計(jì)

郭如峰，梅雪川，林粵科，葉敏

（1.國(guó)機(jī)智能科技有限公司，廣州510700；2.國(guó)機(jī)智能（蘇州）有限公司，蘇州215134）

0 引言

烘房主要對(duì)工件進(jìn)行特定條件下的恒溫固化或水分烘干，廣泛應(yīng)用于涂料和外表面的固化，食品及各類產(chǎn)品的水分烘干[1]。目前的烘房常采用人工作業(yè)方式進(jìn)行上下料，工作效率低下；由于人工上下料，使得無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)控制烘干周期[2]；且一般的烘房容量都較小或者結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致空間利用率低[3]。近年來(lái)，隨著智能控制技術(shù)和傳熱學(xué)的深入研究，關(guān)于烘房溫度的智能控制技術(shù)已經(jīng)在理論上相當(dāng)成熟，但對(duì)烘房結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)較少[4]。當(dāng)復(fù)合板材采用室溫晾干的方式使粘接劑固化時(shí)，常需要10 個(gè)小時(shí)甚至以上才能達(dá)到所需的粘接強(qiáng)度[5]。

針對(duì)兩種不同板材的粘接復(fù)合加工后需要對(duì)復(fù)合板材進(jìn)行恒溫固化，本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化立體循環(huán)式板材烘房，該烘房系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)加工效率高，結(jié)構(gòu)通用性強(qiáng)，溫度控制穩(wěn)定，可應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)；并通過(guò)板材粘接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能可靠性。

1 烘房總體設(shè)計(jì)

根據(jù)兩種不同板材的復(fù)合加工生產(chǎn)線的恒溫固化需求，進(jìn)行烘房系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于烘房處于復(fù)合加工生產(chǎn)線中部，在恒溫固化工序前，復(fù)合板材需要進(jìn)行兩種不同板材復(fù)合、復(fù)合板通過(guò)式保壓；在恒溫固化工序后，復(fù)合板材需要進(jìn)行堆垛下料；所以要求烘房能夠直接與前后的生產(chǎn)線進(jìn)行連接，再綜合考慮占地面積與存儲(chǔ)量，將烘房設(shè)計(jì)為立體循環(huán)式烘房，且烘房上、下料口在同一條線上[6]。

該自動(dòng)化立體循環(huán)式板材烘房主要由烘房房體、主體模塊、下平移模塊、上平移模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊和控制系統(tǒng)組成，其三維模型圖如圖1 所示。主體模塊、下平移模塊和上平移模塊皆安裝于烘房房體內(nèi)部；控制系統(tǒng)位于烘房房體外部，安裝有人機(jī)交互界面。當(dāng)烘房系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，入口輸送帶將板材輸入至烘房?jī)?nèi)部，經(jīng)過(guò)烘房?jī)?nèi)部的裝置運(yùn)作，板材經(jīng)過(guò)一次循環(huán)后從出口輸送帶輸出，完成板材的恒溫固化[7]。

圖1 烘房系統(tǒng)三維模型

1.1 烘房房體

烘房房體由聚氨酯材料組成，該材料密封性能和保溫性能良好[8]。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，尺寸為長(zhǎng)5.5m，寬5m，高4m；供熱方式是采用熱蒸汽為熱源，波浪形暖氣片將蒸汽熱能擴(kuò)散到烘房房體內(nèi)部，再運(yùn)用鼓風(fēng)機(jī)使蒸汽加速均勻擴(kuò)散。蒸汽的入口區(qū)域高度為4m，出口區(qū)域高度為0.05m，蒸汽管道管口DN50。

1.2 主體模塊

主體模塊主要由入口輸送帶、邊升裝置、中升裝置、若干托架和出口輸送帶等組成，如圖2 所示。入口輸送帶將復(fù)合好后的板材輸送到入口最下端的托架上；托架用來(lái)盛放需要恒溫固化的板材，本文所設(shè)計(jì)的烘房中左側(cè)托架共22 層，右側(cè)托架共20 層（左側(cè)托架層數(shù)-2）；已經(jīng)恒溫固化好的板材通過(guò)出口輸送帶輸送。左部的邊升裝置與前后兩個(gè)中升裝置組成左側(cè)上升單元，負(fù)責(zé)左部托架的規(guī)律性上移動(dòng)作；同樣的，右部的邊升裝置與前后兩個(gè)中升裝置組成右側(cè)下降單元，負(fù)責(zé)右部托架的步進(jìn)式下移動(dòng)作；上述裝置的動(dòng)力源為帶剎車三相異步電機(jī)。

圖2 主體模塊

1.3 下平移模塊

下平移模塊主要由基座、可升降輸送帶裝置，導(dǎo)軌裝置，動(dòng)力裝置等組成，如圖3 所示。可升降輸送帶裝置通過(guò)氣缸控制輸送帶模組的升降，其中輸送帶模組無(wú)干涉的嵌入在托架網(wǎng)格的間隙內(nèi)，由三組伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；導(dǎo)軌裝置由滑軌和托架承載臺(tái)組成，動(dòng)力裝置通過(guò)帶剎車三相異步電動(dòng)機(jī)鏈輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，使托架在導(dǎo)軌裝置上向左或向右平移。

圖3 下平移模塊

圖4 下平移動(dòng)作順序框圖

1.4 上平移模塊

上平移模塊與下平移模塊的原理和結(jié)構(gòu)相似，主要由基架，托抬裝置，導(dǎo)軌裝置和動(dòng)力裝置等組成，如圖5 所示。托抬裝置主要由四組氣缸實(shí)現(xiàn)對(duì)托架的托抬和松降；動(dòng)力裝置的動(dòng)力輸出過(guò)程為：伺服電機(jī)通過(guò)行星減速機(jī)進(jìn)行減速和增大轉(zhuǎn)矩，再由齒輪齒條組合的傳動(dòng)，使托架在導(dǎo)軌裝置上向左或向右平移。

圖5 上平移模塊

圖6 上平移動(dòng)作順序框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

烘房系統(tǒng)的各個(gè)動(dòng)作通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)LC 系統(tǒng)能夠與MES 系統(tǒng)進(jìn)行通訊，接收生產(chǎn)信息，再反饋實(shí)時(shí)設(shè)備狀態(tài)；通過(guò)對(duì)各個(gè)電機(jī)和氣缸的控制，實(shí)現(xiàn)主體模塊、上平移模塊和下平移模塊內(nèi)的運(yùn)作；在烘房?jī)?nèi)分布安裝有十組溫度傳感器采集溫度信息，并將采樣信號(hào)反饋給PLC 系統(tǒng)進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，通過(guò)控制熱蒸汽閥門的開(kāi)口大小使烘房?jī)?nèi)保持恒溫；并且通過(guò)觸摸屏與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，烘房的控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確位置控制的有：主體模塊中左側(cè)上升單元和右側(cè)下降單元中的帶剎車三相異步電動(dòng)機(jī)，下平移模塊中帶剎車三相異步電動(dòng)機(jī)和上平移模塊中的伺服電機(jī)。需要實(shí)現(xiàn)氣缸的準(zhǔn)時(shí)控制的機(jī)構(gòu)有：下平移模塊中可升降輸送帶裝置的升降氣缸，上平移模塊中托抬裝置的氣缸。

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，可以很好的滿足工藝控制要求[9]。PLC 由變頻器調(diào)頻的方式控制帶剎車三相異步電動(dòng)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(dòng)作。PLC 通過(guò)以太網(wǎng)線與觸摸屏通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本系統(tǒng)的硬件配置如圖7 所示。

溫度傳感器采集關(guān)于溫度的模擬信號(hào)，PLC 進(jìn)行A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)PLC 內(nèi)部的PID 運(yùn)算指令對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID 運(yùn)算；再通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換將PID 運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量，驅(qū)動(dòng)溫度調(diào)節(jié)裝置完成溫度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制，并可以在觸摸屏上查看實(shí)時(shí)溫度值[10]。

圖7 控制系統(tǒng)硬件配置

2.3 工件運(yùn)轉(zhuǎn)流程

工件在烘房系統(tǒng)中的運(yùn)轉(zhuǎn)流程主要分為六個(gè)步驟：①工件在左下側(cè)工位進(jìn)行上料，②上料完成后工件上移到達(dá)左上側(cè)工位，③工件從左上側(cè)工位后移到達(dá)右上側(cè)工位，④工件從右上側(cè)工位下移到達(dá)右下側(cè)工位，⑤工件從右下側(cè)工位左移到達(dá)左下側(cè)工位，⑥工件在左下側(cè)工位進(jìn)行下料；其示意圖如圖8 所示。

圖8 工件運(yùn)轉(zhuǎn)流程

3 粘接強(qiáng)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

本試驗(yàn)利用本文設(shè)計(jì)的立體循環(huán)式烘房進(jìn)行板材粘接復(fù)合后的恒溫固化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)粘接強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試來(lái)驗(yàn)證烘房的性能。根據(jù)兩種不同板材復(fù)合后的恒溫固化要求，采用粘接劑為聚氨酯膠水，先使用恒溫烘箱對(duì)復(fù)合板材進(jìn)行了恒溫固化條件確定試驗(yàn)，得出的結(jié)果是當(dāng)恒溫固化溫度為50±1℃，恒溫固化時(shí)間為20±1min 時(shí)可獲得最大粘接強(qiáng)度[11]?，F(xiàn)在使用立體循環(huán)式烘房系統(tǒng)進(jìn)行粘接強(qiáng)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，根據(jù)上述恒溫固化條件下恒溫固化復(fù)合板材的粘接強(qiáng)度，判斷該立體循環(huán)式烘房的功能優(yōu)劣。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

粘接劑采用聚氨酯膠水，聚氨酯膠水在烘箱中初固（50℃、20min）的粘接強(qiáng)度為1.6 MPa，且實(shí)驗(yàn)所選用的復(fù)合板材工件的斷裂強(qiáng)度為12.6MPa，遠(yuǎn)大于粘接劑的粘接強(qiáng)度[12]。實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)裝置如表1 所示。

表1 粘接強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)條件

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）制實(shí)驗(yàn)樣件：將板材均切割成100mm×50mm，選用共制10 組樣件；在板材1 上繪制膠線，按尺寸換算到樣件為2 道膠條，膠條長(zhǎng)度80mm。如圖9（a）所示。

圖9

（2）用1ml 小針筒抽取膠水，在板材1 上按膠線施膠，控制每組樣件的涂膠量均為1ml。如圖9（b）所示。

（3）對(duì)板材1 和板材2 施加20kg 的砝碼進(jìn)行壓合形成復(fù)合板材；由于拉力機(jī)固定工件的需要，基板與瓷磚錯(cuò)位粘接復(fù)合，如圖10 所示。

圖10 樣件壓合后形成的復(fù)合板材

（4）先將烘房加熱至50℃再進(jìn)行上料，上料時(shí)順序?yàn)榍昂髢纱紊狭祥g隔一層托架。

（5）從烘房中取出樣件，靜置冷卻。上拉力機(jī)測(cè)試，測(cè)試板材1 和板材2 在粘接面上發(fā)生剪切滑移錯(cuò)位時(shí)拉力的大小，如圖11 所示。

圖11 拉力機(jī)測(cè)試剪切力大小

（6）測(cè)得10 組拉力數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 各樣件拉力測(cè)量值（N）

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

已知各組樣件的復(fù)合面積為80mm×50mm，根據(jù)下列公式計(jì)算粘接強(qiáng)度：其中F 為拉力值，S 為復(fù)合面積（粘接面積）。計(jì)算得各樣件粘接強(qiáng)度如表3 所示。

表3 各樣件粘接強(qiáng)度（MPa）

繪制粘接強(qiáng)度的散點(diǎn)圖如圖12 所示，可以觀察到，數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布于初固粘接強(qiáng)度1.6MPa 上方，且數(shù)據(jù)點(diǎn)波動(dòng)幅度不大。

圖12 粘接強(qiáng)度散點(diǎn)圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差如下，可知樣件的粘接強(qiáng)度平均值高于初固強(qiáng)度1.6MPa，滿足板材復(fù)合要求；且方差較小，所測(cè)得的樣件粘接強(qiáng)度準(zhǔn)確度較高[11]。

試驗(yàn)表明：立體循環(huán)式烘房在恒溫固化溫度為50±1℃，恒溫固化時(shí)間為20±1min 時(shí)，所有復(fù)合板材樣件進(jìn)行恒溫固化后的粘接強(qiáng)度均高于聚氨酯膠水在相同條件下的初固粘接強(qiáng)度1.6 MPa，樣件粘接強(qiáng)度平均值為1.7392 MPa，滿足該板材粘接復(fù)合的強(qiáng)度要求；可知在相同的恒溫固化條件下，立體循環(huán)式烘房在恒溫固化大批量產(chǎn)品時(shí)，能夠達(dá)到小型烘箱固化的效果，功能性良好。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)化立體循環(huán)式烘房系統(tǒng)，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和描述。

（2）運(yùn)用自動(dòng)化立體循環(huán)式烘房進(jìn)行板材粘接復(fù)合后的恒溫固化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果為：該烘房系統(tǒng)在設(shè)定恒溫固化溫度50±1℃，恒溫固化時(shí)間為20±1min 時(shí)能夠達(dá)到板材復(fù)合要求的膠水初固粘接強(qiáng)度。烘房對(duì)產(chǎn)品的恒溫固化效果能夠滿足生產(chǎn)要求。

（3）該烘房系統(tǒng)通用性強(qiáng)，可用于多種規(guī)格板材的恒溫固化；較之于室溫晾干固化方式，加熱恒溫固化可大大縮短工序時(shí)間；雙列循環(huán)恒溫固化及同步上下料提高工作效率，立體雙列式結(jié)構(gòu)節(jié)省大量空間；能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化工作，可應(yīng)用于工廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。