基于泡沫卷材多工位全自動(dòng)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘宇倩，覃朝兵

(1.柳州工學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 柳州 545616)

(2.柳州元吉興工業(yè)技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545616)

泡沫卷材廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)產(chǎn)品中。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝中，其加工方式都是采用多個(gè)獨(dú)立的加工單元分別進(jìn)行生產(chǎn)。一般泡沫卷材金屬涂覆工藝大多利用單獨(dú)的浸泡設(shè)備，結(jié)合工人的操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，來完成對泡沫卷材的金屬涂覆加工；泡沫卷材烘干工藝加工大多采用簡易的單機(jī)設(shè)備完成，烘干效果基本依賴操作人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效的保障，生產(chǎn)效率較低；泡沫卷材質(zhì)量取樣檢測同樣是由人工完成，在不采用輔助設(shè)備的情況下，檢驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性較大，而且檢測頻次和產(chǎn)品質(zhì)量也得不到保障。傳統(tǒng)的加工模式對于泡沫卷材涂覆加工而言是一種“孤島式”的加工模式，導(dǎo)致泡沫卷材在金屬材料涂覆、取樣、烘干、再取樣等工序加工銜接不及時(shí)和不流暢，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率不穩(wěn)定。

鑒于此，本文采用全自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù)，提出了一種泡沫卷材多工位生產(chǎn)加工的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合先進(jìn)的電氣控制技術(shù)，采用流程型的生產(chǎn)模式，以實(shí)現(xiàn)泡沫卷材的全自動(dòng)化生產(chǎn)加工，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品的市場競爭力。

1 卷材加工的工藝分析

1.1 卷材的加工要求分析

泡沫卷材金屬涂覆加工工藝包含多道加工工序，目前其加工過程主要分為以下幾個(gè)工序：

1)先將泡沫卷材切割成產(chǎn)品小樣，并對其進(jìn)行涂覆金屬加工，主要目的是讓金屬溶液均勻地附著于泡沫材料的表面，從而滿足產(chǎn)品的特殊性能要求；

2)對經(jīng)過金屬溶液涂覆的產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測，目的是確認(rèn)金屬溶液的附著情況是否滿足產(chǎn)品的功能需求，從而確認(rèn)是否可以批量生產(chǎn)；

3)對滿足要求的產(chǎn)品進(jìn)行烘干，整個(gè)烘干過程主要依賴工人的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)來控制；

4)對烘干后的產(chǎn)品進(jìn)行取樣檢測，確認(rèn)產(chǎn)品的烘干質(zhì)量和性能要求是否達(dá)標(biāo)；

5)對合格的產(chǎn)品進(jìn)行包裝、入庫并保存。

1.2 卷材加工工藝缺陷分析

泡沫卷材的加工所需要的工序較多，受目前加工工藝和設(shè)備的限制，泡沫卷材在涂覆金屬的過程中未能獲得較高的生產(chǎn)效率和較好的加工質(zhì)量，從而在很大程度上降低了產(chǎn)品的品質(zhì)，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

在涂覆金屬過程中，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝需要將泡沫卷材切割成小塊成品進(jìn)行涂覆，這種加工工藝影響了涂覆的均勻性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，特別是在產(chǎn)品工序物流轉(zhuǎn)序過程中，損耗和污染很大，隨著技術(shù)的進(jìn)步，這種離散式加工模式缺陷越來越明顯；而在泡沫卷材涂覆金屬后，烘干效果的控制過多地依賴工人的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，烘干設(shè)備的參數(shù)調(diào)整功能不足，無法科學(xué)地保障產(chǎn)品的烘干質(zhì)量；此外，因?yàn)楫a(chǎn)品是切割后進(jìn)行金屬溶液的涂覆，所以加工完成后，產(chǎn)品的存放也采用單片存放的形式，不利于產(chǎn)品規(guī)格的多樣性需求。由此可知，傳統(tǒng)的泡沫卷材涂覆工藝過多地依賴工人的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)不完善，無法形成高效率、高質(zhì)量、低成本的現(xiàn)代化加工模式。

2 卷材加工的方案設(shè)計(jì)

2.1 全自動(dòng)卷材涂覆設(shè)計(jì)方案介紹

通過分析泡沫卷材金屬涂覆加工工藝可以得知，離散式的產(chǎn)品加工方式對于泡沫金屬涂覆的加工存在諸多缺陷，而現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)可以較好地解決這種傳統(tǒng)的加工工藝由于設(shè)備的局限所帶來的缺陷。通過對加工工藝的全面優(yōu)化，本文提出了一種多工位全自動(dòng)化生產(chǎn)模式，改進(jìn)了當(dāng)前傳統(tǒng)的泡沫涂覆加工工藝流程，這種全新的生產(chǎn)模式具有效率更高、質(zhì)量更可靠、加工成本更低等優(yōu)勢。

根據(jù)泡沫卷材金屬涂覆加工的工藝過程，該全自動(dòng)涂覆設(shè)計(jì)布局圖包含如圖1所示的6個(gè)加工工位。

整條自動(dòng)生產(chǎn)線從右至左分別為：自動(dòng)送料，實(shí)現(xiàn)泡沫卷材涂覆的全自動(dòng)送料功能，確保持續(xù)為后續(xù)工序提供泡沫卷材；自動(dòng)涂覆，對泡沫卷材實(shí)現(xiàn)金屬溶液涂覆，并對涂覆后的卷材進(jìn)行擠壓和吹干，以便泡沫卷材獲得均勻而有效的金屬涂覆層；第一次自動(dòng)取樣，對經(jīng)過涂覆的泡沫卷材進(jìn)行取樣檢測，以確定卷材的涂覆是否合格，并根據(jù)檢查結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整涂覆工位的加工參數(shù)；自動(dòng)烘干，對經(jīng)過涂覆的合格泡沫卷材進(jìn)行烘干加工，烘干過程中要注意平衡卷材烘干的效率和質(zhì)量；第二次自動(dòng)取樣，對烘干后的泡沫卷材進(jìn)行再取樣檢測，該工序是對卷材加工的最終質(zhì)量控制工序，其決定了該自動(dòng)生產(chǎn)線的產(chǎn)品加工質(zhì)量；成品收卷，對烘干后的泡沫卷材進(jìn)行收卷打包，該工序的意義在于利用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人的目的，從而提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本[1]。

圖1 全自動(dòng)卷材涂覆設(shè)計(jì)布局圖

2.2 泡沫卷材涂覆自動(dòng)生產(chǎn)線邏輯控制方案

根據(jù)卷材涂覆自動(dòng)生產(chǎn)線邏輯控制原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)行邏輯，該自動(dòng)化生產(chǎn)線的控制過程既能獨(dú)立運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)邏輯互鎖。生產(chǎn)線邏輯控制如圖2所示。

供料與生產(chǎn)系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行邏輯與動(dòng)作控制[2]，通過涂覆機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)涂覆功能，然后對涂覆產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢查，在確認(rèn)合格后，將涂覆后的泡沫卷材送入烘干機(jī)構(gòu)，經(jīng)過烘干處理后，生產(chǎn)線會(huì)對泡沫卷材進(jìn)行第二次抽樣檢查，確認(rèn)產(chǎn)品烘干合格后進(jìn)行收卷處理。

圖2 卷材涂覆自動(dòng)生產(chǎn)線邏輯控制圖

在全自動(dòng)泡沫涂覆生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)中，難點(diǎn)是收卷直徑會(huì)隨著泡沫的收卷而逐漸增大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)線運(yùn)行速度不匹配的問題。為了保證收卷機(jī)與前面多道工序恒速聯(lián)動(dòng)，采用實(shí)時(shí)扭矩模式進(jìn)行速度匹配。

根據(jù)全自動(dòng)泡沫涂覆生產(chǎn)線的控制原理，其收卷工位的實(shí)時(shí)扭矩可以用公式表達(dá)為：

M=Mo+Mj+Mz

(1)

式中：M為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩；Mo為空載時(shí)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩；Mj為機(jī)構(gòu)阻尼轉(zhuǎn)矩；Mz為卷材遞增的慣量轉(zhuǎn)矩。由式(1)可知，Mo和Mj恒定不變，Mz隨著泡沫卷材的收卷而不斷增加。恒定扭矩Mh可以表達(dá)為：

Mh=Mo+Mj

(2)

所以可以將等式(1)轉(zhuǎn)化為：

M=Mh+Mz

(3)

同時(shí)，引入扭矩遞增系數(shù)k,根據(jù)收卷直徑的變化，Mz的計(jì)算公式為：

Mz=Mh×k(D-D0)/(Dmax-D0)

(4)

式中：D為泡沫直徑；D0為空載直徑；Dmax為收卷后最大直徑。

由此可得實(shí)時(shí)扭矩公式：

M=Mh×[1+k(D-D0)/(Dmax-D0)]

(5)

從式(5)可以確認(rèn)，收卷機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)扭矩M隨著收卷直徑D的變化而實(shí)時(shí)變化，因此根據(jù)其變化關(guān)系對控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的編程控制和參數(shù)設(shè)置。

2.3 泡沫卷材涂覆解決方案的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

本方案涉及到多臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備的全流程聯(lián)動(dòng)，因此要確認(rèn)相關(guān)的技術(shù)參數(shù)和互鎖條件，以便滿足全自動(dòng)化生產(chǎn)線的安全高效運(yùn)行，具體的技術(shù)參數(shù)如下：泡沫卷材涂覆、烘干及收卷速度為1 200 mm/min；泡沫卷材烘干時(shí)間為10 min/次；泡沫卷材浸泡深度為100 mm，榨干擠壓力為100 kg；取樣切割尺寸為200 mm×200 mm；烘干溫度為0～200 ℃可調(diào)；收卷電機(jī)功率為3 kW，減速機(jī)減速比為1∶5，輸出額定扭矩大于40 N·m。

自動(dòng)生產(chǎn)線具有扭矩檢測與平衡控制功能[3]，可保證收卷機(jī)構(gòu)在收卷直徑不斷遞增的過程中勻速而平衡地完成收卷操作。

3 泡沫卷材加工關(guān)鍵工序的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

卷材多工位全自動(dòng)生產(chǎn)線是集成了多個(gè)加工工位和檢測工位的綜合加工設(shè)備，在該生產(chǎn)線的加工和檢測過程中，每個(gè)加工工位既要滿足本工位的加工和檢測要求，還要與其他相關(guān)工位進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，并在控制程序上進(jìn)行功能互鎖和協(xié)同控制[4]，這是該自動(dòng)生產(chǎn)線研制的難點(diǎn)所在。

3.1 自動(dòng)涂覆機(jī)構(gòu)

自動(dòng)涂覆機(jī)構(gòu)主要對泡沫卷材進(jìn)行金屬溶液涂覆、擠壓和吹干等工序。機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自動(dòng)涂覆機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)卷材的金屬溶液浸泡，選用臺(tái)灣亞德客品牌的SE80SUS304X50-20SFATPUPT增壓氣缸。根據(jù)機(jī)構(gòu)的受力要求和設(shè)計(jì)原理[5]，浸泡壓力F為：

F=F1n1n2=301.5×0.7×0.95=200(kg)

式中：F1為氣缸在輸入氣壓為0.6 MPa時(shí)產(chǎn)生的壓力，數(shù)值為301.5 kg；n1為氣缸低速運(yùn)動(dòng)的負(fù)載效率；n2為浸泡機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率。

泡沫卷材經(jīng)過涂覆操作后進(jìn)入輥壓傳輸機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的作用是對卷材實(shí)現(xiàn)傳輸和擠壓，以保證產(chǎn)品合格率。該機(jī)構(gòu)中傳輸電機(jī)選擇的是臺(tái)達(dá)GΔ1306型伺服電機(jī)，其輸出扭矩為5.73 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，機(jī)構(gòu)的最大傳輸速度V為：

V=2πRVr=2×3.14×50×1 000=314(m/min)

式中：R為傳輸主動(dòng)輪的設(shè)計(jì)半徑；Vr為伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

該機(jī)構(gòu)可以提供的泡沫卷材的傳輸速度為0～314 m/min，其實(shí)際的運(yùn)行速度需要根據(jù)涂覆和烘干的實(shí)際時(shí)間來確定，機(jī)構(gòu)可以做到實(shí)時(shí)可調(diào)。

3.2 自動(dòng)烘干機(jī)構(gòu)

自動(dòng)烘干機(jī)構(gòu)是整條卷材自動(dòng)生產(chǎn)線中的第二個(gè)核心加工工位，主要功能是控制泡沫卷材經(jīng)過涂覆加工后的烘干效果。自動(dòng)烘干機(jī)構(gòu)不僅可提高卷材產(chǎn)品的加工質(zhì)量，而且可在很大程度上提升整條自動(dòng)線的生產(chǎn)效率。該自動(dòng)烘干機(jī)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)烘干機(jī)構(gòu)

在烘干機(jī)構(gòu)中，需要調(diào)整卷材傳輸速度和烘干時(shí)間2個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1)卷材傳輸速度。

烘干機(jī)構(gòu)選擇的電機(jī)是G1309，其輸出的額定扭矩為8.59 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，機(jī)構(gòu)的最大傳輸速度V為：

V=2πRVr/i=2×3.14×40×1 000/20=12.5(m/min)

式中：i為減速機(jī)傳動(dòng)比。

該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)泡沫卷材的傳輸速度為0～12.5 m/min，具體的傳輸速度需要匹配前后各工位的加工情況來實(shí)時(shí)調(diào)整。

2)卷材烘干時(shí)間。

為了在有限空間增加卷材在烘干設(shè)備中的時(shí)間，采用了繞柱式傳輸?shù)臋C(jī)構(gòu)，卷材在烘干設(shè)備中的長度可以達(dá)到12 m，則其最短烘干時(shí)間T為：

T=L/V×60=57.6(s)

式中：L為卷材在設(shè)備中的環(huán)繞長度。

由此可知,該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)泡沫卷材在烘干設(shè)備中最短為57.6 s的烘干操作，且實(shí)際傳輸速度可以通過伺服電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)變速，從而達(dá)到最佳的產(chǎn)品烘干效果。

3.3 自動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)

自動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)是泡沫卷材自動(dòng)化生產(chǎn)線的最后一個(gè)加工設(shè)備，其主要作用是對已經(jīng)涂覆和烘干好的卷材進(jìn)行收卷。該機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5 自動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)

自動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所承受的扭矩隨著收卷半徑的增加而不斷增大，所以如果以“恒扭矩”作為控制依據(jù)，在計(jì)算收卷速度時(shí)，需要考慮扭矩變化而帶來的速度影響，根據(jù)這個(gè)影響可以計(jì)算出一個(gè)恒定數(shù)值，即扭矩系數(shù)，扭矩系數(shù)可以通過實(shí)際的測算獲得，從而保證卷材在生產(chǎn)過程中受力均衡，也可以使自動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)更好地匹配整條自動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍。

該機(jī)構(gòu)為了增大扭矩輸出和消除卷材收卷過程中的慣量對伺服電機(jī)的沖擊，在自動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了減速機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)更好的扭矩輸出和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣量平衡。

4 結(jié)束語

通過對卷材自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的分析和研究，可以得出結(jié)論，基于現(xiàn)代化技術(shù)的全自動(dòng)生產(chǎn)模式明顯優(yōu)于傳統(tǒng)加工模式，多工位集成化、流程化的全自動(dòng)生產(chǎn)線已然成為未來制造業(yè)的一種全新加工方式。卷材自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于單工位的穩(wěn)定性和多工位協(xié)調(diào)性的平衡，在加工效率上的相互協(xié)同、加工質(zhì)量上的全面控制、系統(tǒng)上的全生產(chǎn)線匹配等都是設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵問題。該自動(dòng)化生產(chǎn)線的成功研制，不僅可以將傳統(tǒng)加工模式下的5人操作加工縮減為1人操作加工，還可以節(jié)約大量的物料轉(zhuǎn)運(yùn)、物料存儲(chǔ)等輔助工序和時(shí)間，極大地提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)也極大地降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有在行業(yè)內(nèi)普遍推廣的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。