馮清振，施百泉，王晨曦

(棟梁鋁業(yè)有限公司 a.設(shè)備部； b.銷售部， 浙江 湖州 313000)

近年來(lái)，鋁型材作為軍工、運(yùn)輸、建筑等行業(yè)的重要材料，得到了廣泛的應(yīng)用[1]33-36。目前，我國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大的鋁型材生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)[2]55-58。在鋁型材生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中，為了防止表面劃傷，通常使用無(wú)紡布和牛皮紙等材料進(jìn)行包覆保護(hù)。目前，對(duì)這些包裝材料的拆卷裁剪，主要采用人工拉拽的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。因此，急需開發(fā)一種高效、自動(dòng)的包裝材料剪切機(jī)[3]91-93。這種自動(dòng)剪切機(jī)的工作過(guò)程是典型的順序控制[4]138-142。本研究針對(duì)鋁型材包裝的特殊工作方式，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于PLC控制的自動(dòng)剪切機(jī)，大大提高了生產(chǎn)效率。

一、鋁型材外包裝方式及包裝材料的定尺裁剪原理

1.鋁型材外包裝要求與形式 一般來(lái)講，鋁型材在表面處理完成后就應(yīng)該包裝入庫(kù)。其外包裝一般采用兩層：里面一層是比較柔軟的無(wú)紡布，能有效避免鋁型材表面劃傷；外面一層是強(qiáng)度較高且印有公司標(biāo)志的牛皮紙，能保護(hù)鋁型材在較大外力作用下不被碰傷，方便存儲(chǔ)與運(yùn)輸。鋁型材的包裝形式一般有兩種：一種是纏繞式，比較方便，但不利于客戶現(xiàn)場(chǎng)施工，使用較少。另一種是縱向長(zhǎng)條形，先把包裝材料按鋁型材長(zhǎng)度裁剪好，鋪于平臺(tái)上，然后將鋁型材放置在包裝材料上，進(jìn)行對(duì)折包裝。雖然操作復(fù)雜、效率低，但客戶現(xiàn)場(chǎng)使用方便。目前大量使用這種包裝形式。

2.剪切機(jī)工作原理分析 剪切機(jī)在裁剪時(shí)必須控制包裝材料的長(zhǎng)度和夾送速度這兩個(gè)參數(shù)。裁剪長(zhǎng)度根據(jù)鋁型材長(zhǎng)度確定，夾送速度則主要看生產(chǎn)效率。具體原理為：牽引機(jī)構(gòu)的行走依靠減速機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)的嚙合傳動(dòng)來(lái)完成。在減速機(jī)輸出端安裝有編碼器。編碼器可以測(cè)定牽引機(jī)構(gòu)的行走距離，并顯示在觸摸屏上。行走距離也就是包裝材料被拉出的長(zhǎng)度。具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：將牽引機(jī)構(gòu)的初始位置設(shè)置為0，在夾緊包裝材料后啟動(dòng)牽引機(jī)構(gòu)，與此同時(shí)，編碼器開始計(jì)數(shù)，檢測(cè)行走距離。達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度后，編碼器會(huì)發(fā)出到位信號(hào)，牽引機(jī)構(gòu)隨即停止。此時(shí)，剪切機(jī)構(gòu)響應(yīng)此信號(hào)，完成裁剪動(dòng)作。裁剪后，夾紙機(jī)構(gòu)松開，包裝材料在自重作用下落到存放臺(tái)，牽引機(jī)構(gòu)返回到原點(diǎn)待命。剪切機(jī)的工作效率主要取決于牽引機(jī)構(gòu)的行走速度。如果速度太快，受慣性影響容易造成定位不準(zhǔn)和設(shè)備損壞；如果速度太慢，則效率低下。為此，剪切機(jī)的牽引機(jī)構(gòu)設(shè)定了三個(gè)距離控制點(diǎn)：(1)在起動(dòng)加速階段，設(shè)定距離為500 mm，采用變頻控制。在這一階段，牽引機(jī)構(gòu)的速度從0逐步加速到較快的工作速度。(2)在工作階段，牽引機(jī)構(gòu)快速移動(dòng)，以提高整體工作效率。(3)在減速緩沖階段，在到達(dá)設(shè)定長(zhǎng)度500 mm前，牽引機(jī)構(gòu)開始減速，以減小慣性影響；在到達(dá)設(shè)定長(zhǎng)度后，牽引機(jī)構(gòu)停止工作。剪切動(dòng)作完成后，牽引機(jī)構(gòu)快速返回，由啟動(dòng)加速、快速返回、減速緩沖停止三步完成。這三步也是在設(shè)定的距離控制點(diǎn)順序完成，以保證剪切機(jī)工作的高效和穩(wěn)定。在這一控制過(guò)程中，各段距離位置的檢測(cè)都由編碼器通過(guò)計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

二、自動(dòng)剪切機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁型材包裝材料(無(wú)紡布和牛皮紙)的定尺裁剪過(guò)程如下：將無(wú)紡布卷和牛皮紙卷間隔放置在臺(tái)架上，由人工將無(wú)紡布和牛皮紙送入剪切機(jī)構(gòu)的夾送輥中，設(shè)置好所需長(zhǎng)度，啟動(dòng)剪切機(jī)，這樣就可以自動(dòng)快速地完成牽引、切斷、碼放等動(dòng)作，直到整卷無(wú)紡布和牛皮紙全部定尺剪切完成。本研究開發(fā)設(shè)計(jì)的剪切機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示(參見圖1)，由紙卷臺(tái)架、夾送剪切機(jī)構(gòu)、快速牽引機(jī)構(gòu)、存放臺(tái)架等組成。

圖 1 自動(dòng)剪切機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.紙卷臺(tái)架 紙卷臺(tái)架由方型鋼管制作，上面設(shè)置了4個(gè)有格擋的存放位置。放置紙卷(無(wú)紡布卷)時(shí)，先把園鋼棒插入紙卷(無(wú)紡布卷)中間的圓孔，兩端伸出，然后把紙卷(無(wú)紡布卷)懸空放置在格擋中。拉拽牽引紙張(無(wú)紡布)時(shí)可靈活旋轉(zhuǎn)，紙張(無(wú)紡布)隨即展開。在紙卷臺(tái)架上從前到后間隔放置牛皮紙卷和無(wú)紡布卷。裁剪時(shí)，牛皮紙?jiān)谙聼o(wú)紡布在上依次疊放。包裝鋁型材時(shí)，無(wú)紡布在里層牛皮紙?jiān)谕鈱?，非常方便。臺(tái)架上也可根據(jù)生產(chǎn)需要選擇放置其中一種要裁剪的包裝材料。存放位置也可根據(jù)包裝材料的種類和層數(shù)成倍設(shè)置，一次性完成裁剪，這樣可成倍提高工作效率。

2.夾送剪切機(jī)構(gòu) 夾送剪切機(jī)構(gòu)的作用是將展開的牛皮紙和無(wú)紡布向前送入快速牽引機(jī)構(gòu)的鉗口，方便包裝材料前行展開，達(dá)到定尺長(zhǎng)度后快速剪斷；同時(shí)，在剪斷時(shí)夾緊后續(xù)牛皮紙和無(wú)紡布，剪斷動(dòng)作完成后將牛皮紙和無(wú)紡布繼續(xù)向前輸送，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)工作。由圖1可知，本研究設(shè)計(jì)的夾送剪切機(jī)構(gòu)位于剪切機(jī)的中間部位，由兩部分組成，前面是夾送輥，向后輸送包裝材料，后面是剪刀，用來(lái)快速剪斷。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由機(jī)架、剪刀氣缸、動(dòng)刀片、靜刀片、鉸鏈軸、導(dǎo)桿、夾緊氣缸、剪刀擋板、上下夾送輥、驅(qū)動(dòng)減速機(jī)等組成(參見圖2)。夾送輥由主動(dòng)輥和被動(dòng)輥組成，下面為主動(dòng)輥，用減速機(jī)通過(guò)三角帶、皮帶輪傳遞動(dòng)力，使夾送輥有固定的轉(zhuǎn)速；上面為被動(dòng)輥，在固定于機(jī)架頂部的夾緊氣缸的帶動(dòng)下上下活動(dòng)。導(dǎo)桿的作用是防止被動(dòng)輥上下移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生偏斜，在夾送輥旋轉(zhuǎn)受力時(shí)保持夾緊狀態(tài)，以保證夾送效果。剪切采用交叉剪切方式，原理和日常所用的剪刀一樣：將一個(gè)靜刀片固定在機(jī)架上，動(dòng)刀片與其在一端用銷軸鉸接，使兩把刀片可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)刀片的一端安裝有氣缸，為動(dòng)刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，另一端安裝有滑動(dòng)輪，使其與固定在旁邊的剪刀擋板貼緊，引導(dǎo)動(dòng)刀片與靜刀片相互剪切，達(dá)到剪斷包裝材料的目的。由于無(wú)紡布比較柔軟，兩個(gè)剪刀刃必須貼緊才能剪斷，因此，需用擋板限制，引導(dǎo)動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)位置來(lái)保證剪切效果。

3.快速牽引機(jī)構(gòu) 快速牽引機(jī)的作用是將要剪切的包裝材料快速展開至需要的長(zhǎng)度，然后返回等待再次工作。本研究設(shè)計(jì)的快速牽引機(jī)構(gòu)如圖3所示(參見圖3)，主要由小車臺(tái)架、移動(dòng)小車和夾緊裝置等組成。小車臺(tái)架是整個(gè)快速牽引機(jī)構(gòu)的支撐，上面鋪設(shè)有軌道和齒條，為小車行走提供固定支撐和移動(dòng)受力點(diǎn)。移動(dòng)小車上安裝有減速機(jī)。減速機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條嚙合，使小車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。減速機(jī)帶有抱閘，可實(shí)現(xiàn)小車快速移動(dòng)后的快速停止。夾緊裝置固定在小車平臺(tái)上，可由小車帶動(dòng)移動(dòng)。夾緊裝置上安裝有夾緊氣缸、導(dǎo)向槽和夾板。夾緊氣缸帶動(dòng)夾板在導(dǎo)向槽內(nèi)上下移動(dòng)，向下可夾緊送入的包裝材料，升起則松開，切斷的包裝材料靠自重落在下面的存放臺(tái)架上。快速牽引機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度和距離都可調(diào)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的包裝材料。與人工拉拽的操作方式相比，這種機(jī)構(gòu)不需要人員操作，工作效率大幅提高。

圖2 夾送剪切機(jī)構(gòu)示意圖 圖3 快速牽引機(jī)構(gòu)示意圖

4.包裝材料存放臺(tái) 包裝材料存放臺(tái)由角鋼制作，與包裝材料的長(zhǎng)度一致。存放臺(tái)設(shè)置在快速牽引機(jī)構(gòu)下面，用以承接定尺裁剪后的包裝材料。具體結(jié)構(gòu)見圖1所示。

三、自動(dòng)剪切機(jī)的PLC控制系統(tǒng)

剪切機(jī)的控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、接近開關(guān)和編碼器等組成。其中，PLC控制包裝材料的夾緊、輸送、快速行走、剪切和快速返回等動(dòng)作。參數(shù)設(shè)置在觸摸屏上完成，使設(shè)備操作更方便直觀。接近開關(guān)用來(lái)檢測(cè)包裝材料和小車位置。編碼器用來(lái)控制小車行走距離，保證包裝材料的前進(jìn)位置、剪切長(zhǎng)度和整體運(yùn)行的準(zhǔn)確、安全。

1.PLC控制流程及其主程序 PLC是剪切機(jī)動(dòng)作流程的控制核心，完成從設(shè)備啟動(dòng)、材料輸送、牽引、長(zhǎng)度檢測(cè)、剪切到返回等各個(gè)動(dòng)作的準(zhǔn)確運(yùn)行。其動(dòng)作流程如圖4所示(參見圖4)。根據(jù)這一流程編制的控制程序如圖5所示(參見圖5)。

圖5 PLC控制系統(tǒng)主程序示圖

2.觸摸屏設(shè)置 觸摸屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的窗口，便于操作人員設(shè)定參數(shù)，進(jìn)行設(shè)備操作[5]121-123。在觸摸屏控制界面可設(shè)定剪切長(zhǎng)度、數(shù)量和設(shè)備運(yùn)行模式等。剪切長(zhǎng)度可根據(jù)型材實(shí)際包裝長(zhǎng)度的需要設(shè)定，一般在4.5～6米。剪切數(shù)量可根據(jù)需要直接設(shè)定。界面會(huì)同時(shí)顯示計(jì)數(shù)器累計(jì)的實(shí)際剪切數(shù)量，在達(dá)到設(shè)定數(shù)量后會(huì)自動(dòng)停止工作，回到原點(diǎn)待命。本研究設(shè)計(jì)的剪切機(jī)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式。在自動(dòng)模式下，設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，直到裁剪工作結(jié)束。手動(dòng)模式主要是對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或測(cè)試某一動(dòng)作時(shí)使用。一般設(shè)定在自動(dòng)操作模式。

3.剪切機(jī)的具體操作 剪切機(jī)的具體操作比較簡(jiǎn)單。設(shè)備啟動(dòng)后，操作人員將放置在存放臺(tái)上的牛皮紙卷和無(wú)紡布卷頭部拆開，牛皮紙?jiān)谙聼o(wú)紡布在上，疊在一起拉到夾送剪切機(jī)構(gòu)的壓輥位置，按下開始按鈕。夾送氣缸帶動(dòng)夾送輥向下夾緊包裝材料，剪切機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)向前輸送至快速牽引機(jī)構(gòu)的夾緊裝置內(nèi)。在夾送輥、剪刀和夾緊裝置中間均設(shè)置有導(dǎo)向板，因此，較軟的外包裝紙和無(wú)紡布包裝材料會(huì)沿著導(dǎo)向板向前行進(jìn)。夾緊裝置在感應(yīng)到包裝材料后向下夾緊。這時(shí)，前端的夾送輥松開，小車啟動(dòng)，帶著包裝材料一起快速移動(dòng)，到達(dá)設(shè)定位置后停止并松開夾板。此時(shí)，包裝材料前端自然落在存放臺(tái)上，小車開始返回。與此同時(shí)，前端的夾送輥快速夾緊，然后剪刀開始剪切并復(fù)位。包裝材料被剪斷后，末端向下，自然下落在存放臺(tái)上，這樣剪切過(guò)程完成。待小車快速移動(dòng)至起始位置后，夾送輥繼續(xù)向前輸送包裝材料至快速牽引機(jī)構(gòu)的夾緊位置，重復(fù)進(jìn)行牽引、剪切、返回、輸送等過(guò)程。就這樣，包裝材料被不停地按照定尺長(zhǎng)度切斷，直至全部包裝材料剪切完成。如需更改剪切長(zhǎng)度，可在觸摸屏上修改長(zhǎng)度參數(shù)，PLC控制程序依照參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行，裁剪出所需長(zhǎng)度的包裝材料。

四、結(jié) 語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的鋁型材包裝材料自動(dòng)剪切機(jī)已經(jīng)投入生產(chǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，自動(dòng)剪切機(jī)能有效裁剪外包裝牛皮紙和內(nèi)包裝無(wú)紡布等柔性包裝材料，滿足常規(guī)鋁型材的包裝需要。在工作效率方面，人工拉拽裁剪方式一次裁剪只能拉兩層，整個(gè)過(guò)程用時(shí)約1分鐘；自動(dòng)剪切機(jī)可一次裁剪四至六層，用時(shí)20秒，生產(chǎn)效率大幅提高。由于牛皮紙和無(wú)紡布比較厚重，常用的六米長(zhǎng)度拉拽起來(lái)比較費(fèi)力，通常需要三名操作人員，兩人拉一人在末端用刀具切割，勞動(dòng)強(qiáng)度較大；自動(dòng)剪切機(jī)則由一人操作，成卷的包裝材料只需將頭部展開送入夾送輥即可，工作強(qiáng)度降低，人員數(shù)量減少。

經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證，本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)剪切機(jī)可有效裁剪鋁型材包裝材料，工作效率高，使用方便，省時(shí)省力，是一種非常高效的柔性包裝材料定尺裁剪設(shè)備。