電飯煲鋁蓋沖壓自動輸送線設(shè)計*

劉煥牢，周磊磊，王宇林，劉 璨

（廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

電飯鍋作為方便、時尚的居家廚具，一直得到消費者的青睞[1]。隨著現(xiàn)在勞動力成本的增加及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，勞動密集產(chǎn)業(yè)已不適應現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展要求，許多電飯煲加工企業(yè)已出現(xiàn)用工荒現(xiàn)象，利潤空間越來越低。企業(yè)舉步維艱，嚴重制約了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量[2]。許多企業(yè)渴望生產(chǎn)線的自動化改造升級，但又擔憂昂貴的設(shè)備改造費用；因而，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單，投資壓力小，適合于大中小型企業(yè)的自動化生產(chǎn)線，對傳統(tǒng)加工方法改造升級迫在眉睫，是亟需解決的問題[3]。

1 現(xiàn)狀分析

圖1 傳統(tǒng)鋁蓋沖壓生產(chǎn)線

傳統(tǒng)鋁蓋生產(chǎn)線沖壓工藝主要包括落料、沖孔、拉深、切邊等一系列沖壓工序，每個工序需要一臺沖壓機床，每兩臺機床之間通過傳送通道互相連接[4]。圖1所示為傳統(tǒng)生產(chǎn)線及機床排列狀況。每條鋁蓋沖壓線需要6臺沖壓設(shè)備，每臺設(shè)備需要一名操作員工，由于機床噪音和生產(chǎn)線節(jié)拍等的需要，機床之間間距較大，整條生產(chǎn)線最少需要6名工人才能完成。每名操作工人需要完成的工序為：輸送道取件——（機床升起）放件——（機床下降/沖壓）等待——（機床上升）機床取件——放入下一通道，每道工序需要8 s，工人勞動強度大，存在安全隱患，環(huán)境惡劣[5]。

2 總體設(shè)計思路

以上分析可知，整條生產(chǎn)線操作比較簡單，需要協(xié)調(diào)機床和輸送線的工作，可以通過控制系統(tǒng)完成；輸送線設(shè)計需要完成工件的提取——舉升——平移——落位循環(huán)動作。為了使設(shè)計的產(chǎn)品不僅滿足以上生產(chǎn)線的需要，而且能進一步適應類似多機沖壓生產(chǎn)線需要，如圖2所示，設(shè)計要求應當具有以下特點：

（1）適用適合計算機、電子、汽車等各種中小型鈑金沖壓件的自動搬運；

（2）柔性高，可根據(jù)工藝設(shè)置沖壓機的數(shù)量、排列間距和移動速度，可連接2～12臺沖床形成一條自動化沖壓線，沖床之間也可根據(jù)需要設(shè)置翻轉(zhuǎn)機以實現(xiàn)工件翻面的功能；

（3）結(jié)構(gòu)簡單，和生產(chǎn)線配合緊湊，使用和維護方便；

（4）采用吸附方式提取工件，可根據(jù)工件的性質(zhì)，采用真空吸盤、電磁吸鐵或氣動夾爪；

（5）自動化水平高，節(jié)省人力，保證勞動安全，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效降低廢品率；

（6）機械手的升降運動和水平運動的驅(qū)動均采用交流伺服電機及其伺服驅(qū)動器，通過可編程序控制器PLC采集生產(chǎn)線上各個沖床的死點信號，驅(qū)動串聯(lián)沖床同時動作，上下料快速穩(wěn)定，安全可靠，定位精度高。

圖2 多機連線沖壓輸送線

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 升降運動部分設(shè)計

升降運動部分三維圖如圖3所示。采用交流伺服電動機，經(jīng)過同步帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸通過蝸輪蝸桿減速器，從而實現(xiàn)兩交錯軸間的機械傳動。蝸輪蝸桿減速器的輸出軸帶動曲柄滑塊機構(gòu)機構(gòu)，使滑塊（鋁型材連接在滑塊上）沿直線滾動導軌作升降運動，如圖4所示。

圖3 升降運動部分三維圖

圖4 曲柄滑塊升降機構(gòu)

3.2 曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計

設(shè)計采用對心曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)真空吸盤的升降運動，該機構(gòu)運動簡圖及瞬心如圖5所示。由于機械手完成一次下降和上升后，需要等到鋁型材完成水平搬運后才繼續(xù)進行升降運動，且升降行程較小，故每次升降運動時，曲柄旋轉(zhuǎn)不到半圈。圖5（a）為曲柄逆時針旋轉(zhuǎn)時的起始點（真空吸盤開始下降），圖5（b）為曲柄旋轉(zhuǎn)的終點（下降結(jié)束，開始上升），隨后又回到圖5（a）的初始狀態(tài)，結(jié)束升降運動。

圖5 對心曲柄滑塊機構(gòu)

確定曲柄長度后，使用圖解法可以獲得連桿的長度，完成滿足特定升降高度的曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計。

3.3 水平運動部分設(shè)計

水平運動部分設(shè)計如圖6所示。水平運動部分采用交流伺服電動機，經(jīng)過長同步帶傳動，同步帶帶動鋁型材，從而實現(xiàn)鋁型材的水平運動，可以帶動多個移動吸附頭，實現(xiàn)多機床同步取件和同步平移。

圖6 水平運動部分三維圖

3.4 吸附方式設(shè)計

吸附方式可根據(jù)工件的性質(zhì)，采用真空吸盤、電磁吸鐵或氣動夾爪，該設(shè)計主要用于搬運較薄的圓盤型沖壓件，表面光滑密封，故選擇真空吸盤吸附工件。

真空系統(tǒng)由真空發(fā)生器（產(chǎn)生真空壓力）、吸盤（執(zhí)行元件）、真空閥（控制元件）以及真空輔助元件（過濾器、消聲器和管件接頭等）組成。

自動搬運機械的氣壓系統(tǒng)工作原理如圖7所示?？諌簷C或氣站送來的壓縮空氣經(jīng)過快速接頭接入氣動三聯(lián)件（空氣過濾器F、減壓閥R和油霧器L），分別實現(xiàn)過濾、減壓和潤滑。常閉電磁閥控制氣體的通斷，當電磁閥通電時，壓縮空氣經(jīng)真空發(fā)生器通過消聲器向外排出，同時吸盤一端產(chǎn)生負壓，使空氣從吸盤吸入，從而產(chǎn)生真空。PLC接收壓力傳感器檢測到的真空吸盤的壓力，以確定是否成功吸附工件。

圖7 氣壓系統(tǒng)工作原理圖

4 總體設(shè)計及效果

在上述分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上，綜合考慮沖壓機床的高度、相互位置和加工節(jié)拍，整體框架采用鋁合金型材，整體三維設(shè)計如圖8所示。經(jīng)過零件加工和裝配，實際使用現(xiàn)場圖片如圖9所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的輸送線使沖壓機床距離更近，不僅節(jié)約了機床占地面積，整條生產(chǎn)線一般只需要1人即可，大大節(jié)約了人用試湊法給出P、I和D參數(shù)；而模糊控制則不需要進行精確建模。由于在實際生產(chǎn)實踐中難以確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因此模糊控制方法就具有較大應用價值。

圖3 Simulink仿真圖

圖4 系統(tǒng)響應圖

3.2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

使用MCGS觸摸屏、RS485共享器、熱電偶溫度采集模塊、可控硅模塊、遠程IO塊、電源模塊等組成控制系統(tǒng)，搭建了漆包機烘爐模擬實驗裝置，在MCGS組態(tài)環(huán)境下編寫熱平衡模糊控制程序并下載到嵌入式觸摸屏。實驗結(jié)果如表4所示。在達到設(shè)定溫度時，熱電偶檢測到的溫度會在一定幅度內(nèi)上下波動，波動范圍在±2℃左右，控制精度達到3%以內(nèi)。

表4 溫度測量表

圖5 移動平均及去除偶然誤差的前后對比曲線

在實驗條件下，由于系統(tǒng)回路接觸不良，使熱電偶的檢測溫度易產(chǎn)生跳動。所以在軟件中需要對熱電偶檢測到的溫度值進行移動平均和去除偶然誤差處理平滑曲線。移動平均及去除偶然誤差的前后對比曲線如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)漆包機烘爐的熱能平衡模型，提出了相應的熱平衡模糊控制方法。仿真和模擬實驗結(jié)果表明，熱平衡模糊控制方法對烘爐加熱和熱平衡過程中各個溫控點的調(diào)溫效果好，穩(wěn)態(tài)精度能滿足實際生產(chǎn)要求。