特種陶瓷渣漿泵自動翻轉裝配平臺的設計

申兆亮,朱景紅,蔣新啟

（250100 山東省 濟南市 山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟轉型升級，越來越多的企業(yè)開始重視自動化在車間生產(chǎn)中的應用。南方某特種陶瓷泵廠為了解決泵體（質量約1.5 t，外形為直徑1.5 m 類圓形）在裝配中仍以行車吊裝翻轉[1]存在的效率及安全系數(shù)雙低的問題，提出了一種自動化翻轉裝配平臺的解決方案，極大提高了生產(chǎn)效率，并填補了國內空白。

1 研究現(xiàn)狀

以美國、德國、日本為首的翻轉機生產(chǎn)研發(fā)水平已經(jīng)相當成熟。美國 Bushman 設備公司是當前全球最大、種類最齊全的翻轉機制造商，其產(chǎn)品涉及 L 型液壓翻轉機、CL 型翻轉機、O 型翻轉機、頭尾架式翻轉機等常見類型的產(chǎn)品，工作能力從 0.1～120.0 t 不等，以 90°翻轉機居多，180°翻轉的機型較為稀少[2]。

國內針對大型翻轉機的研究主要集中在單功能翻轉機。所謂單功能翻轉機是僅能實現(xiàn)工件的90 °或者 180 °翻轉的設備。郭景坤[3]等設計了一種 L 型下拉式翻轉機；燕山大學趙永生[2]教授團隊在翻轉機變位調姿理論研究方面成績顯著。當前國內翻轉機的研發(fā)領域通常根據(jù)工況需求“單次設計”，沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)生產(chǎn)標準，適用范圍較為單一，檢修較為困難，用于泵行業(yè)的翻轉機更是寥寥無幾，為此，本文重新設計了適用于蝸牛殼泵組裝的自動化翻轉機。

2 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)共分為機械及控制兩部分，其中機械部分主要由運送小車及單懸臂裝配平臺組成?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC[4]及具有觸摸功能的上位機組成。系統(tǒng)的操作可實現(xiàn)無線遙控、柜體按鈕操作及自動操作3 種操作的任意一種，可根據(jù)現(xiàn)場人員的不同需求靈活適配。

3 機械系統(tǒng)簡介

3.1 運送小車

運送小車負責將需要裝配的泵殼運送至單懸臂下及裝配完成后將整套泵殼運送至初始位置，具體見圖1 所示。

3.2 單懸臂裝配平臺

單懸臂裝配平臺是整套系統(tǒng)的核心結構，通過支撐體可以使單懸臂具備上下移動、正反翻轉、前后伸縮以及旋轉盤無限制地正反旋轉等8 個自由度的運動，滿足蝸牛殼泵裝配過程中靈活需求。升降立柱 升降裝置 回轉驅動器 支撐臂 風炮支架

4 控制系統(tǒng)

4.1 裝配工藝控制需求

本裝配平臺共完成裝泵殼及卸泵殼2 個工序。其中，裝泵殼主要是依靠單懸臂將小車運送過來的下泵殼抓取上升并翻轉180°，然后下降至最低位置，等待陶瓷蝸殼及上泵殼的裝配，其流程見圖3。

圖3 裝泵殼流程圖Fig.3 Flow chart of pump casing installation

裝泵殼簡述就是抓取下泵殼等待裝配的工序。其狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 抓取下泵殼待裝配狀態(tài)圖Fig.4 State diagram of grabbing lower pump shell to be assembled

卸泵殼是將裝配完成的泵體總成上升至最高位置，并反旋轉180°然后下降至小車的表面并將泵殼釋放，再由小車將裝配好的泵殼運送至初始位置（狀態(tài)如圖5 所示），其流程見圖6。

圖5 裝配完畢的陶瓷泵體Fig.5 Assembled ceramic pump body

圖6 卸泵殼流程圖Fig.6 Flow chart of discharge pump shell

4.2 單臂翻轉裝配平臺智能控制系統(tǒng)原理

智能控制系統(tǒng)離不開遍布于機體上的傳感器[5]，只有將各機構運動的狀態(tài)通過傳感器實時反饋給上位機，整個系統(tǒng)才能有條不紊地工作，其控制系統(tǒng)原理如圖7 所示。

PLC 是整個控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，采用了西門子Smart200PLC，所有傳感器采集的信號均為數(shù)字量信號，使控制系統(tǒng)更為簡單，壽命更長。對于控制精度比較高的物理量，如單臂旋轉盤初始角度定位控制，則結合變頻器，采用2 組傳感器接力控制方式，避免了因泵體轉動慣量較大，造成剎車抖動及停車不到位情況的出現(xiàn)。整個控制過程完全依照圖3 或圖6 的裝配流程工作，控制信號觸發(fā)后進入下一步的工序，依次自動完成。

圖7 控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of control system

在整個系統(tǒng)運行過程中，最容易出現(xiàn)的安全事故是單臂將泵殼抓取后，鎖緊滑塊突然縮回，造成泵殼墜落砸傷人員情況，所以，無線遙控及柜體按鈕的泵殼松開按鈕成為整個控制系統(tǒng)的短板，為了避免操作人員勿操作加入了延時功能，只有長按5 s 后，鎖緊滑塊才會縮回將泵殼松開。部分PLC 控制代碼如下：

為了能實時顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)及實現(xiàn)自動化運行，上位機采用了C#[6]語言編寫的人機界面，如圖8 所示。

圖8 人機界面Fig.8 Human-machine interface diagram

人機界面主要分為系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示區(qū)及按鈕操作區(qū)2 部分。系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示區(qū)主要將系統(tǒng)各機構運行的實時狀態(tài)顯示出來，方便操作人員進行手動操作，及設備出現(xiàn)故障時，方便維修人員及時查找到故障點；操作區(qū)主要實現(xiàn)系統(tǒng)自動化運行的操作，在自動化運行過程中，如果操作人員想停止自動化過程，可按無線遙控或者柜體按鈕的任意鍵。部分程序代碼如下：

圖9 是某企業(yè)正在運用的翻轉機樣機。

圖9 樣機照片F(xiàn)ig.9 Photos of prototype

5 總結

特種陶瓷渣漿泵自動翻轉裝配平臺解決了泵廠急需的大型自動化設備，自投入使用以來運行良好，得到廠家的一致好評。下一步將根據(jù)泵型號需求充實不同的翻轉機型號。