一種用于蜂窩陶快速自動檢測分揀裝置的設(shè)計

白永明，孫作詞，郭明輝，孫圣翔

（無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇宜興，214206）

0 引言

在當前產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級的背景下，中國企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)自動化技術(shù)有序穩(wěn)步向前推進，規(guī)模以上企業(yè)生產(chǎn)中標準零件（產(chǎn)品）的生產(chǎn)、檢測和裝配正快速改造以實現(xiàn)自動化。然而在一些中小企業(yè)中，標準零件（產(chǎn)品）在生產(chǎn)、檢測和裝配過程中仍然由人工進行操作，人工操作的產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中很難保證工作的一致性和穩(wěn)定性，其判斷的準確性、靈活性等方面的隨機性比較大，因此會導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量不穩(wěn)定。此外，隨著社會的不斷進步，人工勞動成本不斷地提高，廉價勞動力的資源不斷地減少，導(dǎo)致企業(yè)的人力成本不斷增加，利潤率下降，嚴重影響企業(yè)的良性循環(huán)，依靠廉價勞動力已不能支撐企業(yè)發(fā)展。對于簡單、重復(fù)的勞動，采用生產(chǎn)自動化，不僅可以大幅提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，而且可以因減少人工而帶來更大的經(jīng)濟利益，提高企業(yè)的競爭力。因此生產(chǎn)自動化是產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級急需解決的事。

1 蜂窩陶概述[1]

蜂窩陶是近幾十年來開發(fā)的一種具有類似蜂窩形狀的特殊結(jié)構(gòu)的新型陶瓷產(chǎn)品，具有比表面積大、質(zhì)輕、熱膨脹系數(shù)低、比熱容大、導(dǎo)熱性能好、抗熱震性好和強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨等特殊優(yōu)良特性，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化工、電力、冶金、石油、電子電器、機械等工業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域中，發(fā)展前景十分廣闊。根據(jù)具體用途，產(chǎn)品可分為蓄熱體、催化劑載體、過濾材料等。其中的催化劑載體（如圖1）就應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，可將汽車尾氣中NOx、HC、CO 等有害物質(zhì)通過轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，亦可過濾機動車尾氣中的碳煙顆粒（PM），是汽車內(nèi)燃機后處理系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

圖1 催化劑載體蜂窩陶產(chǎn)品

蜂窩陶的制備方法主要有擠出成型法、熱壓鑄成型、注漿成形法、壓制法等。其中，擠出成型法可以制造高孔密度、大尺寸、薄壁的蜂窩陶制品，制成品的孔大小形狀均勻、壁厚一致，且可實現(xiàn)大長徑比，生產(chǎn)工藝和操作相對簡單、方便實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，具有較高的生產(chǎn)效率，因此擠壓成型法成為應(yīng)用最為廣泛的蜂窩陶工業(yè)化生產(chǎn)方法。

擠出成型法的制作流程如圖2 所示，主要包括11 個環(huán)節(jié)。

圖2 蜂窩陶擠壓成型生產(chǎn)流程

環(huán)節(jié)（1），配料，此環(huán)節(jié)是將制備蜂窩陶所需要的粉末原料按比例稱重配制。

環(huán)節(jié)（2），混料，此環(huán)節(jié)是將配制好的各種粉末原料充分混合均勻。

環(huán)節(jié)（3），捏合，此環(huán)節(jié)是將水、潤滑劑、塑化劑等液態(tài)物料加入混合均勻的干粉中并捏合成泥團狀。

環(huán)節(jié)（4），粗練泥，此環(huán)節(jié)是將捏合好的散碎的泥團狀物料加入到練泥機中反復(fù)多次練泥，使泥料形成整體狀泥段并更好的混合，并且方便進行下一步陳腐。

環(huán)節(jié)（5），陳腐，此環(huán)節(jié)是將粗煉后的泥段在一定溫度及濕度的環(huán)境中放置一段時間，促進泥段中的粉料和水、粘結(jié)劑、塑化劑、潤滑劑等混合的更均勻一些，以提高泥料的均勻性和成型性。

環(huán)節(jié)（6），過篩，此環(huán)節(jié)是通過擠壓使泥段通過特定目數(shù)的篩網(wǎng)除掉泥段中的大顆粒，可以防止大顆粒在擠壓成型時堵塞模具，影響成型效率及成型合格率。

環(huán)節(jié)（7），精練泥，此環(huán)節(jié)是使用真空煉泥機將陳腐好的泥段進行反復(fù)多次練泥。通過多次練泥使陳腐過的泥段更加均勻，更加致密，增強泥段的可塑性成型性。

環(huán)節(jié)（8），擠壓成型，此環(huán)節(jié)是將精煉好的具有良好可塑性的泥段加入裝載有特定模具的強力擠壓機擠壓成型，制成具有蜂窩狀的陶瓷坯體。

環(huán)節(jié)（9），切割，此環(huán)節(jié)是采用不同材質(zhì)粗細的絲、線等或其它工具將陶瓷制品按設(shè)計的長度要求切割下來。

環(huán)節(jié)（10），干燥，通過一定的干燥方式除去陶瓷坯體中的水分，使其保持特定的形態(tài)并具有一定的強度。常用的干燥方式有微波干燥、減壓干燥、熱風(fēng)烘干、介電干燥、冷凍干燥等，可使用其中一種或多種干燥方式并用。

環(huán)節(jié)（11），燒結(jié)，此環(huán)節(jié)是將干燥后的陶瓷坯體進行熱處理，進一步去除水分，使其燒結(jié)成為蜂窩陶制品。

擠壓成型法要求泥料具有較大的塑性，所以產(chǎn)品制作過程中要添加大量的泥料粘結(jié)劑和塑化劑，這會導(dǎo)致產(chǎn)品的燒成收縮大、致密度小，容易產(chǎn)生變形和開裂等缺陷。

本設(shè)計對應(yīng)的蜂窩陶產(chǎn)品（圖1）即采用上述的擠壓成型法制備，針對生產(chǎn)中會帶來缺陷，必須加以質(zhì)量檢測。催化劑載體蜂窩陶根據(jù)其在燃油機上的安裝部位要求，質(zhì)量檢測的內(nèi)容主要包括產(chǎn)品的表面質(zhì)量和外形尺寸。小型企業(yè)在蜂窩陶的實際生產(chǎn)中仍采用人工檢測的低端方式，設(shè)計一套快速自動檢測分揀裝置，滿足蜂窩陶的質(zhì)量檢測并顯示檢測參數(shù)，再結(jié)合檢測結(jié)果對產(chǎn)品進行自動分揀，以期提高產(chǎn)品的檢測效率和準確度。這可以解決因人為因素影響檢測精度和生產(chǎn)效率的問題，最大程度減少人工使用降低用工成本，切實推動傳統(tǒng)中小企業(yè)的自動化升級改造。

2 檢測分揀裝置的設(shè)計

2.1 裝置的整體布局

產(chǎn)品檢測流程如圖3 所示，首先進行表面質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)，主要查看產(chǎn)品是否有劃痕、缺損、裂紋等缺陷，不合格品不進入下一環(huán)節(jié)。如產(chǎn)品滿足表面質(zhì)量要求，則再進入外形檢測環(huán)節(jié)，主要檢測產(chǎn)品的圓度和圓柱度等，滿足產(chǎn)品要求進入等級區(qū)分環(huán)節(jié)，不合格品則進入廢料區(qū)[2,3]。

圖3 產(chǎn)品檢測流程

自動化設(shè)備的布局根據(jù)產(chǎn)品的樣式、加工生產(chǎn)的流程和生產(chǎn)條件等情況的不同，可以分成很多不同的形式。根據(jù)零件的傳動方向可以分為單工位型、回轉(zhuǎn)型、直進型和環(huán)行型結(jié)構(gòu)。單工位型結(jié)構(gòu)能夠完成的工作較少，所以使用受到限制，在自動化裝置的應(yīng)用領(lǐng)域使用比較少；回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)、直進型結(jié)構(gòu)和環(huán)行型結(jié)構(gòu)能夠完成的工作較多，所以在自動化裝置的應(yīng)用領(lǐng)域使用比較廣泛。本設(shè)計采用直線型結(jié)構(gòu)，避免旋轉(zhuǎn)帶來的離心力，留出空間便于分段分揀。

2.2 表面質(zhì)量檢測模塊設(shè)計

圖4 檢測分揀設(shè)備結(jié)構(gòu)布置

將標準產(chǎn)品的表面質(zhì)量狀況通過掃描成像技術(shù)制成標準圖像，以此作為對比參照。產(chǎn)品進入表面質(zhì)量檢測工位后，若干視覺檢測攝像頭同時掃描成像，與標準參考圖像對比，以此判斷產(chǎn)品表面質(zhì)量，進行是否合格和等次區(qū)分。廣角掃描攝像頭同時成像，同時對比分析，成像一次即可完成表面質(zhì)量檢測。

本設(shè)計中，三個攝像頭以1200間隔布置，如圖5 所示。每個攝像頭以1300廣角拍攝，相鄰攝像頭間設(shè)置100的重疊區(qū)，以消除拍攝接縫處誤差。三個攝像頭的安裝位置進行嚴格標定。

圖5 表面質(zhì)量檢測裝置布局

2.3 外形檢測裝置設(shè)計

若蜂窩陶的表面質(zhì)量檢測合格，則進入下一檢測環(huán)節(jié)，即外形尺寸（圓度、垂直度）檢測。通過距離傳感器測量產(chǎn)品同一高度位置上若干點的距離，以此進行圓的擬合。在產(chǎn)品的高度方向設(shè)置三層（或多層，根據(jù)精度要求需要），每層三個（或多個，也根據(jù)精度要求需要），沿圓形均布。本設(shè)計采用3 個距離傳感器，以1200均布間隔，如圖6 所示。

圖6 外形檢測裝置布局

根據(jù)距離傳感器測得的點進行圓擬合，得到產(chǎn)品圓度，再對擬合的三個圓的圓心位置連線進行擬合判斷垂直度。距離傳感器的安裝位置也進行嚴格標定。

產(chǎn)品外形檢測通過后則進入分揀環(huán)節(jié)，分揀動作主要是靠推桿和夾持裝置完成，推桿將產(chǎn)品推至相應(yīng)位置，夾持裝置再將產(chǎn)品取至包裝盒內(nèi)。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計為整個快速自動分揀裝置提供了一個框架，為了完成自動檢測分揀裝置的整個分揀工作，需要結(jié)合控制系統(tǒng)一起完成?？刂葡到y(tǒng)（圖7）是整個自動分揀裝置能夠正確運行的關(guān)鍵技術(shù)之一，它控制著機械機構(gòu)各個部分的協(xié)調(diào)工作，控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性將決定自動分揀裝置的分揀效率和質(zhì)量[4,5]。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PLC 控制減速電機驅(qū)動直線輸送帶運動用于調(diào)節(jié)產(chǎn)品的輸送速度，光電開關(guān)用于產(chǎn)品到位后的定位，繼電器用于控制推桿的運動，觸摸屏用于操作控制和信息顯示。

3 小結(jié)

基于中國制造2025 戰(zhàn)略背景引領(lǐng)下的企業(yè)轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級，針對蜂窩陶產(chǎn)品采用傳統(tǒng)人工檢測手段效率低下和檢測效果不佳的現(xiàn)實狀況，設(shè)計一種流水型快速自動檢測分揀裝置用于蜂窩陶的檢測分揀，以期解決人工檢測分揀時出現(xiàn)效率低下和不穩(wěn)定缺陷。