一種新型金屬管材端部加工設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭一航， 陳開(kāi)源， 羅庚興， 楊元?jiǎng)P

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 廣東佛山 528137）

0 引言

本文以金屬管材中的不銹鋼管 （方形管和圓管）為例，針對(duì)某企業(yè)不銹鋼管端部加工狀況，改變傳統(tǒng)的人工或半自動(dòng)生產(chǎn)模式， 進(jìn)行全自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)。 作為不銹鋼管包裝生產(chǎn)線的第一道生產(chǎn)工序-端口加工，仍然采用人工/半自動(dòng)化加工模式，不能滿(mǎn)足包裝生產(chǎn)線高包裝效率的需求[1-3]。 本文研究的新型端部快速加工設(shè)備，預(yù)計(jì)能實(shí)現(xiàn)以60～100 條/min 的速度進(jìn)行端部加工的技術(shù)指標(biāo)。 融合自動(dòng)化控制技術(shù)，整條生產(chǎn)線只需安排1 人便可完成全部操作，大大降低用工成本，滿(mǎn)足不銹鋼管包裝生產(chǎn)線高包裝效率的產(chǎn)品供應(yīng)要求， 具有一定的前瞻性和實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 金屬管材端部加工設(shè)備基本構(gòu)成

本文研發(fā)的一種金屬管材（以方形管和圓管為例）端部加工設(shè)備， 主要包括自動(dòng)上料平臺(tái)、 端口打磨機(jī)構(gòu)平臺(tái)、滑落平臺(tái)、整形機(jī)構(gòu)平臺(tái)、頂起機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品輸出平臺(tái)六部分，如圖1 所示為該設(shè)備總體裝配示意圖。

圖1 金屬管材端部加工設(shè)備裝配圖

主要工作流程：將切割成指定規(guī)格尺寸的不銹鋼管，經(jīng)自動(dòng)上料平臺(tái)排齊并輸送至端口打磨機(jī)構(gòu)平臺(tái)中。 端口打磨機(jī)構(gòu)平臺(tái)壓緊輸送產(chǎn)品；在輸送過(guò)程中，完成管材兩端端口的打磨工作； 打磨后產(chǎn)品依靠自身慣性滑落至具有一定斜度的滑落平臺(tái)中，經(jīng)兩端氣缸拍齊，并在助推機(jī)構(gòu)的作用下， 沿具有一定弧度的導(dǎo)向板依次落入整形機(jī)構(gòu)平臺(tái)中的儲(chǔ)料架槽中；儲(chǔ)料架設(shè)有10 個(gè)槽位，待第1儲(chǔ)料架槽落滿(mǎn)產(chǎn)品，兩端整形裝置開(kāi)始對(duì)端口進(jìn)行整形，整形完成后，設(shè)置的抬起氣缸將槽外首個(gè)接觸產(chǎn)品抬起；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)料架向前移動(dòng)一個(gè)槽位，抬起氣缸收縮，產(chǎn)品依次落入第2 個(gè)槽位，然后按照滑落、整形、抬起和移動(dòng)動(dòng)作，完成循環(huán)裝料和整形動(dòng)作；儲(chǔ)料架槽裝滿(mǎn)成品后，移至輸出工作區(qū)域；首先通過(guò)底端的頂起機(jī)構(gòu)將儲(chǔ)料架槽內(nèi)的產(chǎn)品全部頂出至導(dǎo)向架槽中， 兩端的伺服托起裝置推動(dòng)托起機(jī)構(gòu)上行并將托板推出托起產(chǎn)品，此時(shí)，頂起機(jī)構(gòu)氣缸縮回，儲(chǔ)料架返回整形工作區(qū)繼續(xù)進(jìn)行整形；此時(shí)，產(chǎn)品輸出平臺(tái)兩端的夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，夾緊3～4 層產(chǎn)品，上行脫離導(dǎo)向槽，在輸送帶的帶動(dòng)下輸送至下一傳送帶，最終將產(chǎn)品輸送至包裝流水線。夾緊機(jī)構(gòu)回到初始位置，伺服托起裝置將產(chǎn)品向上托起一定距離，等待再次夾緊輸出，從而保證設(shè)備的整個(gè)加工過(guò)程有序進(jìn)行。

2 關(guān)鍵組成機(jī)構(gòu)運(yùn)行分析

2.1 自動(dòng)上料和端口打磨機(jī)構(gòu)平臺(tái)運(yùn)行分析

自動(dòng)上料平臺(tái)主要由機(jī)架，SC 系列氣缸、同步輪、減速電機(jī)、擋板等零件組成，如圖2 所示。 作用是將已切割好的產(chǎn)品經(jīng)拍齊后輸送至打磨區(qū)域。 整個(gè)過(guò)程傳送帶傳送速度不易過(guò)快，防止產(chǎn)品堆積，為保證有足夠的數(shù)量供應(yīng)，自動(dòng)上料平臺(tái)可加長(zhǎng)。

圖2 自動(dòng)上料平臺(tái)

端口打磨機(jī)構(gòu)平臺(tái)主要由機(jī)架、氣缸、傳送帶、同步輪、減速機(jī)和打磨電機(jī)等零部件組成，如圖3 所示；作用是產(chǎn)品經(jīng)上下傳送帶共同壓緊進(jìn)行運(yùn)輸， 在產(chǎn)品傳送過(guò)程中，通過(guò)兩端設(shè)置的4 個(gè)電機(jī)完成端口的打磨工作。由于管材寬度尺寸較小， 為保證能平穩(wěn)從上料傳送帶輸送至端口打磨機(jī)構(gòu)，過(guò)度處同軸連接。

圖3 端口打磨機(jī)構(gòu)平臺(tái)

2.2 滑落平臺(tái)和整形機(jī)構(gòu)運(yùn)行分析

滑落平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要由助推機(jī)構(gòu)、拍齊機(jī)構(gòu)、防傾斜導(dǎo)向槽等結(jié)構(gòu)零部件組成，如圖4 所示。為防止打磨后的產(chǎn)品經(jīng)滑落平臺(tái)時(shí)雜亂無(wú)序， 需將滑板靠近打磨平臺(tái)下傳送帶的一端加工成錐形； 助推機(jī)構(gòu)可在產(chǎn)品表面施加一推動(dòng)力，使產(chǎn)品滑落至儲(chǔ)料架槽內(nèi)；對(duì)于矩形管材產(chǎn)品，在脫離滑臺(tái)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一傾斜角度，為下一產(chǎn)品提供空間，容易造成產(chǎn)品的相互卡死狀態(tài)， 此時(shí)將導(dǎo)向板彎曲成合適弧度， 與在滑板一端焊接相近弧度的導(dǎo)向板組成導(dǎo)向槽，管材尺寸不同，具有弧度的導(dǎo)向板與滑板距離不同，因此將導(dǎo)向板加工成可調(diào)節(jié)模式，方便進(jìn)行調(diào)試時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)[4-5]。

圖4 滑落平臺(tái)組裝圖

整形機(jī)構(gòu)平臺(tái)主要由整形裝置、輔助壓緊機(jī)構(gòu)和移動(dòng)儲(chǔ)料架三部分組成。其中如圖5 為整形裝置， 圖6 為整形裝置中的抬起機(jī)構(gòu)。

圖5 整形裝置

圖6 抬起機(jī)構(gòu)

產(chǎn)品經(jīng)滑落平臺(tái)依次落入儲(chǔ)料架槽位內(nèi)，兩端的輔助壓緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，在儲(chǔ)料架槽中將產(chǎn)品的一側(cè)壓緊，防止產(chǎn)品在整形時(shí)移動(dòng)；整形沖頭數(shù)量與單儲(chǔ)料架槽產(chǎn)品數(shù)量等同， 為方便整形沖頭進(jìn)入管材端口，整形頭端設(shè)計(jì)成錐形；為防止沖頭縮回時(shí)帶動(dòng)產(chǎn)品移動(dòng)，設(shè)計(jì)一導(dǎo)向板，并加工一矩形條形孔，孔寬設(shè)計(jì)成略大于沖頭厚度和小于產(chǎn)品寬度。同時(shí)，導(dǎo)向板可為抬起機(jī)構(gòu)提供安裝固定位置。 鑒于產(chǎn)品的兩端加工相同的構(gòu)特點(diǎn)，本文研究的整形機(jī)構(gòu)運(yùn)行平臺(tái)設(shè)置在設(shè)備兩側(cè)。

2.3 產(chǎn)品輸出機(jī)構(gòu)平臺(tái)運(yùn)行分析

產(chǎn)品輸出平臺(tái)主要由伺服托起裝置、 導(dǎo)向架和夾緊輸送裝置三部分組成，如圖7 所示。其中圖7（a）為夾緊輸送裝置，圖7（b）為伺服托起裝置。 伺服托起裝置由伺服電機(jī)、齒輪齒條、氣缸和托板等零部件組成，完成托板的上下定距移動(dòng)和水平推出縮回動(dòng)作。 鑒于導(dǎo)向架工作時(shí)導(dǎo)向管不能出現(xiàn)彎曲的要求，結(jié)構(gòu)上采用分段組裝，組裝方式上采用短管點(diǎn)焊固定和長(zhǎng)管螺紋固定相結(jié)合的形式。 夾緊輸送裝置主要由同步輪、同步帶、異步電機(jī)和夾板等零部件組成，完成產(chǎn)品的夾緊輸出。

①氣缸壓緊板1 ②TN 系列夾緊氣缸 ③導(dǎo)柱 ④固定架 ⑤SC 系列氣缸 ⑥夾緊板 ⑦托板 ⑧托板支撐架 ⑨夾緊氣缸板2 ⑩托起氣缸 ?伺服電機(jī)減速器 ?齒輪齒條副 ?滑軌副

圖7 產(chǎn)品輸出平臺(tái)組成部分及結(jié)構(gòu)裝配圖

3 主要技術(shù)參數(shù)分析

3.1 滑落平臺(tái)的參數(shù)設(shè)計(jì)

端口打磨后的產(chǎn)品能否順利在滑落平臺(tái)表面下滑且不造成堆積現(xiàn)象，是決定本設(shè)備能否調(diào)試成功的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)之一。 根據(jù)該機(jī)構(gòu)運(yùn)行分析， 結(jié)合加工產(chǎn)品的規(guī)格尺寸設(shè)計(jì)滑臺(tái)放置的傾斜角度θ， 設(shè)計(jì)的原則是保證單個(gè)產(chǎn)品能克服摩擦力進(jìn)行下滑， 而物體在斜面上下滑的條件是最大靜摩擦力小于物體的重力沿斜面方向的分力，即滿(mǎn)足：

式中：m—單個(gè)金屬管材質(zhì)量； g—重力加速度。

滑臺(tái)放置傾斜角度影響方管的滑落速度 （對(duì)圓形管材影響較?。?，導(dǎo)向槽中開(kāi)口寬度L 的大小決定產(chǎn)品在滑落時(shí)是否出現(xiàn)堆積或產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，如圖8 所示。以端部截面尺寸為18×8mm 為例，取

圖8 滑落平臺(tái)導(dǎo)向槽部分示意圖

L=8+（1～2）mm（2）

3.2 導(dǎo)向架固定方式和尺寸的確定

導(dǎo)向架在本文研發(fā)設(shè)備中的作用是對(duì)已加工產(chǎn)品定距抬起過(guò)程的導(dǎo)向作用， 考慮產(chǎn)品輸出平臺(tái)對(duì)導(dǎo)向架垂直度要求的嚴(yán)格性， 導(dǎo)向架采用點(diǎn)焊和螺釘固定的方式進(jìn)行組裝，如圖9 所示。同樣以端部截面尺寸為18×8mm，長(zhǎng)度為650mm 的方管為例，導(dǎo)向架槽之間的寬度為：

圖9 導(dǎo)向架平面示意圖

為保證導(dǎo)向架的剛度需求，架槽之間的寬度取：

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，每次需夾緊輸送3～4 層產(chǎn)品，則導(dǎo)向架設(shè)計(jì)時(shí)一方面需使L1小于產(chǎn)品長(zhǎng)度，一般?。?/p>

另一方面高度h 等于（3～4）個(gè)產(chǎn)品高度加上一定余量，即高度為：

4 設(shè)備的制造和調(diào)試

為驗(yàn)證設(shè)備的可行性， 經(jīng)加工制造的端口加工設(shè)備實(shí)物圖，如圖10 所示。若完成設(shè)備的調(diào)試工作，需設(shè)計(jì)出一套完善的控制系統(tǒng)： 控制單元模塊選用西門(mén)子CPU314C-2PN/DP 作為控制器， 人機(jī)界面選用西門(mén)子TP177B 系列觸摸屏，用于動(dòng)態(tài)地顯示PLC、PC 機(jī)上數(shù)據(jù)信息，并滿(mǎn)足能夠?qū)崿F(xiàn)與大多數(shù)的PLC 的通信，PLC 與遠(yuǎn)程IO、 觸摸屏等采用的是工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議或PROFIBUS DP 通信，最終通過(guò)控制伺服驅(qū)動(dòng)器、氣缸電磁閥和異步電機(jī)等執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的執(zhí)行[6-8]。 程序功能上設(shè)計(jì)內(nèi)容包括系統(tǒng)啟動(dòng)、故障報(bào)警、動(dòng)作復(fù)位、緊急停止、各裝置或機(jī)構(gòu)單元手自動(dòng)控制等。經(jīng)調(diào)試后的設(shè)備能夠按照要求完成上料、端口打磨、整形和輸出動(dòng)作。生產(chǎn)實(shí)踐表明： 設(shè)計(jì)與制造的金屬管材端部加工設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能要求，整體運(yùn)行穩(wěn)定性好，提高了產(chǎn)品的供應(yīng)效率，減少了企業(yè)的用工成本，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了企業(yè)自動(dòng)化程度，解決了企業(yè)包裝生產(chǎn)線嚴(yán)重供料不足和供料慢的難題，在同類(lèi)行業(yè)中，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和較好的推廣價(jià)值。

圖10 金屬管材端部加工設(shè)備實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文在企業(yè)現(xiàn)有傳統(tǒng)加工工藝分析基礎(chǔ)上， 以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工為目標(biāo)， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一能夠針對(duì)多種不同規(guī)格的金屬管材端口進(jìn)行快速整形和打磨的設(shè)備。 通過(guò)本課題的研究可以得出以下結(jié)論：

設(shè)備的所有運(yùn)行動(dòng)作都是通過(guò)PLC 控制程序來(lái)控制實(shí)現(xiàn)，位置的精確定位采用了伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)踐測(cè)試表明設(shè)計(jì)的整套端口加工設(shè)備只需要在自動(dòng)上料部分安排1 名工人即可， 同時(shí)通過(guò)HMI 可對(duì)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行監(jiān)控和操作，達(dá)到60～100 條/min 的加工指標(biāo)。

根據(jù)不同產(chǎn)品尺寸規(guī)格、重量及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，創(chuàng)新設(shè)計(jì)各裝置組成機(jī)構(gòu)，經(jīng)分析驗(yàn)證各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性。

設(shè)備整體采用模塊化設(shè)計(jì)，可靈活進(jìn)行組合裝調(diào)，從而降低了工人的設(shè)備維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度。