王培林，李吉祥，閆超杰

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與制造學(xué)院，福建 龍巖 364021）

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)械化、自動化程度越來越高，自動化控制在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸普及，越來越多的自動化生產(chǎn)線隨之出現(xiàn)[1]。2015年，福建省人民政府印發(fā)《關(guān)于加快發(fā)展智能制造九條措施的通知》，支持在機(jī)械裝備、建筑建材等重復(fù)性操作多、勞動強(qiáng)度大的行業(yè)領(lǐng)域組織實(shí)施“機(jī)器換工”。近年來，福建省多次提出“機(jī)器換工”，鼓勵企業(yè)應(yīng)用科學(xué)技術(shù)發(fā)展的成果，進(jìn)行技術(shù)改造升級，推行工業(yè)機(jī)械化、智能化、自動化，逐步取代一部分的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式,解決生產(chǎn)過程中存在的企業(yè)招工難、留人難，勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、安全隱患多等問題[2-3]。

通過查閱相關(guān)資料和圖書，發(fā)現(xiàn)我國翻轉(zhuǎn)機(jī)技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展取得一定的成績，主要有L型、C型、U型翻轉(zhuǎn)機(jī)和座式翻轉(zhuǎn)機(jī)等比較有代表性的翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)類型。通過對國內(nèi)外翻轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行對比，文中對防火板自動化生產(chǎn)線中的翻轉(zhuǎn)問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種“Θ”型翻轉(zhuǎn)機(jī)，包含翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)，以解決防火板的自動翻轉(zhuǎn)問題，讓生產(chǎn)更加連貫、更加方便、更加安全，更加穩(wěn)定，進(jìn)而解決勞動力、勞動強(qiáng)度、安全隱患等問題。

2 新型防火板生產(chǎn)過程

某一型號的新型防火板如圖1所示，其尺寸為長×寬×高（2 440 mm×1 220 mm×40 mm），重量為135 kg左右，要求雙面拋光。

圖1 防火板

該型號的新型防火板生產(chǎn)過程：下料（水泥、木屑、膠水、氧化鎂、復(fù)合材料）、攪拌、上料（舉升機(jī)）、送料、模型成型（壓力機(jī)）、加熱、擠壓、保壓【300 t×4】、推出（推出裝置）、風(fēng)干（風(fēng)干機(jī)）、縱切（縱切裝置）、橫切（橫切裝置）、正面磨沙（磨沙機(jī)）【厚度、光整度、平整度】、翻轉(zhuǎn)（翻轉(zhuǎn)機(jī)）、反面磨沙（磨沙機(jī)）、封邊（機(jī)）、檢驗(yàn)（裝置）、裝箱（打包）。在自動化生產(chǎn)線中，對防火板進(jìn)行正反面磨砂，要設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)機(jī)解決翻轉(zhuǎn)問題。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)技術(shù)要求

3.1.1 技術(shù)參數(shù)

翻轉(zhuǎn)重量≤300 kg，翻轉(zhuǎn)長度≤2 500 mm，翻轉(zhuǎn)寬度≤1 300 mm，翻轉(zhuǎn)高度≤100 mm；翻轉(zhuǎn)速度約40 s（單向）；翻轉(zhuǎn)角度為180°；翻轉(zhuǎn)傳動方式為機(jī)械式傳動；翻轉(zhuǎn)功率為2.2 kW；設(shè)備尺寸為2 800 mm×1 800 mm×2 000 mm。

3.1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

可實(shí)現(xiàn)180°翻轉(zhuǎn)，可將正面翻成反面，或?qū)⒎疵娣烧妫h(huán)工作。承重托輥機(jī)構(gòu)與夾緊機(jī)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際使用調(diào)整間距，加緊牢固，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。

3.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動作過程

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)計(jì)算，輥?zhàn)樱ㄍ泄鳎?、電機(jī)、鏈條等標(biāo)準(zhǔn)件選型、配置，通過CAD軟件對翻轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，翻轉(zhuǎn)主架俯視圖如圖3所示，支撐座機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示，機(jī)架俯視圖如圖5所示。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制造翻轉(zhuǎn)機(jī)，得到生產(chǎn)線上翻轉(zhuǎn)機(jī)實(shí)物，如圖6所示。

圖2 “Θ”型翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 翻轉(zhuǎn)主架俯視圖

圖6 “Θ”型翻轉(zhuǎn)機(jī)實(shí)物圖

生產(chǎn)線上，前導(dǎo)工序拋光機(jī)對防火板第一面拋光完成后，防火板進(jìn)入翻轉(zhuǎn)程序，啟動托輥動力電機(jī)53，防火板從板材進(jìn)口54進(jìn)入，托棍轉(zhuǎn)動將防火板輸送到翻轉(zhuǎn)架51的托輥52中，輸送到位后托棍動力電機(jī)53停止運(yùn)行，打開夾緊機(jī)構(gòu)的開關(guān)，氣缸61進(jìn)氣帶動推桿62、壓板63下移，壓緊防火板，啟動翻轉(zhuǎn)動力電機(jī)21，通過鏈傳動帶動翻轉(zhuǎn)輪4旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動翻轉(zhuǎn)架51轉(zhuǎn)動，翻轉(zhuǎn)180°時限位裝置7起到限位作用，翻轉(zhuǎn)架51停止翻轉(zhuǎn)，氣缸61放氣帶動推桿62、壓板63上移，隨即再次啟動托棍電機(jī)53，托棍電機(jī)53帶動托輥52轉(zhuǎn)動將防火板從另一側(cè)板材口送出，輸送防火板到后導(dǎo)工序拋光機(jī)第二面拋光[4-6]。

圖4支撐座機(jī)構(gòu)示意圖

圖2 、圖3、圖4、圖5標(biāo)記說明：機(jī)架1、支撐座支撐臺1-1、可調(diào)杯腳1-2，翻轉(zhuǎn)動力機(jī)構(gòu)2、翻轉(zhuǎn)動力電機(jī)21、減速機(jī)22、雙排鏈輪23、雙鏈條24，支撐座3、支撐軸31、擋圈32、支撐輪端蓋33、支撐輪34、軸承35、支撐架36，翻轉(zhuǎn)輪4，翻轉(zhuǎn)主架5、翻轉(zhuǎn)架51、托輥52、托輥動力電機(jī)53、板材進(jìn)口54，夾緊機(jī)構(gòu)6、氣缸61、推桿62、壓板63，限位裝置7。

圖5 機(jī)架俯視圖

4 翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，本節(jié)簡要介紹以三菱可編程控FX3U-64MR型基本單元為核心，設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)機(jī)PLC控制系統(tǒng)的方法。

4.1 PLC選型

在翻轉(zhuǎn)機(jī)控制系統(tǒng)選型時，PLC有控制性好、編程方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以采用日本三菱公司生產(chǎn)的FX3U-64MR/ES-A型基本單元。通過使用種類豐富的功能擴(kuò)展板及特殊適配器，可滿足要求，且性價(jià)比比較高。該P(yáng)LC主要技術(shù)性能指標(biāo)為整體式結(jié)構(gòu)，繼電器型輸出，其輸入點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，存儲器容量64 kB，輸入電壓為AC 220 V，內(nèi)置DC 24 V的電源其電流可達(dá)600 mA，可以為輸入傳感器提供電源[7]。

4.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照翻轉(zhuǎn)機(jī)的工藝要求，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，并把成本控制在較低水平上，選擇確定PLC的型號，科學(xué)有效地選擇控制方案，分配好輸入、輸出點(diǎn)。系統(tǒng)的位置檢測用限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)，在行程終點(diǎn)設(shè)置限位開關(guān)，當(dāng)限位開關(guān)接通和斷開被檢測到就把信號傳遞下一個控制接口，從而控制翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)的動作，PLC控制中心把檢測信號迅速接收反饋。根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)的需要，共設(shè)置輸入點(diǎn)32個、輸出點(diǎn)數(shù)14個。根據(jù)設(shè)備后續(xù)擴(kuò)展功能需要，F(xiàn)X3U支持IO口及多種智能模塊的擴(kuò)展，可以方便進(jìn)行設(shè)備的升級換代。

該控制系統(tǒng)的PLC輸入、輸出I/O分配表如下頁表1所示，I/O接線簡圖如下頁圖7所示，設(shè)備操作面板如下頁圖8所示?？紤]到設(shè)備和生產(chǎn)過程的特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)主要完成最為常用的自動回原點(diǎn)、手動、自動三種工作方式；而單步、單周期兩種工作方式很少使用，僅預(yù)留物理接口。

圖7 PLC I/O接線簡圖

圖8 設(shè)備操作面板示意圖

表1 PLC I/O分配表

輸入端接按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、熱繼電器觸點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)控制指令發(fā)出、位置檢測和過熱保護(hù)等功能。輸出端接驅(qū)動信號燈實(shí)現(xiàn)信號報(bào)警燈指示，控制變頻器實(shí)現(xiàn)對翻轉(zhuǎn)電機(jī)、托輥電機(jī)速度控制以適應(yīng)不同工藝要求，實(shí)時調(diào)整生產(chǎn)的節(jié)拍速度，及控制電磁閥實(shí)現(xiàn)氣缸的驅(qū)動等[8]。

4.3 編制控制程序

控制程序分為緊急停止、信號指示部分；手動部分，回原點(diǎn)部分，自動部分。

急停和信號指示部分程序?yàn)橄到y(tǒng)提供緊急保護(hù)和信號指示。緊急停止實(shí)現(xiàn)緊急情況控制系統(tǒng)的禁止輸出和狀態(tài)轉(zhuǎn)移，并且對相關(guān)的輸出、狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位。其緊急停止代碼如圖9所示。

圖9 緊急停止代碼

手動部分、回原點(diǎn)部分、自動部分控制的工業(yè)控制中常見的順控控制流程。在各大品牌PLC順控指令中，三菱的步進(jìn)指令最為簡潔便利。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三菱PLC的IST方便指令可以很好地處理這種動作過程復(fù)雜的順控控制。不需要使用的工作方式需要通過M8000的常閉觸點(diǎn)進(jìn)行屏蔽，該控制系統(tǒng)對單步和單周期進(jìn)行了屏蔽。IST結(jié)構(gòu)如圖10所示；初始化代碼如圖11所示。

圖10 IST結(jié)構(gòu)

圖11 工作方式初始化

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)的動作過程，繪制出自動流程圖，同時繪制出回原點(diǎn)流程和手動流程，如圖12所示。

圖12 自動、回原點(diǎn)和手動流程圖

5 翻轉(zhuǎn)機(jī)氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)在翻轉(zhuǎn)防火板過程中氣壓系統(tǒng)壓板夾緊防火板順序動作過程的要求，設(shè)計(jì)由氣缸驅(qū)動氣動控制回路，氣動原理圖如圖13所示。

圖13 氣動原理圖

當(dāng)雙電控二位五通閥的電磁閥1V1、1V2、3V1、4V1得電而電磁閥1V2、1V2、3V2、4V2失電時，閥芯處于接通狀態(tài)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸左氣腔，推動氣缸活塞向右運(yùn)動；由夾緊元件壓板對防火板進(jìn)行夾緊。當(dāng)翻轉(zhuǎn)到位，電磁閥1V1、1V2、3V1、4V1失電，電磁閥1V2、2V2、3V2、4V2得電，壓縮空氣進(jìn)入氣缸右氣腔，左氣腔排氣，氣缸活塞退回，壓板松開防火板，完成一個循環(huán)動作[9]。

6 結(jié)論

1）對翻轉(zhuǎn)機(jī)的動力、傳動、翻轉(zhuǎn)、輸送進(jìn)行分析，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求，巧妙應(yīng)用“Θ”型翻轉(zhuǎn)輪，設(shè)計(jì)出一種“Θ”型翻轉(zhuǎn)機(jī)。這個翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，能實(shí)現(xiàn)180°翻轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)線中起到承上啟下的重要作用。解決手工翻轉(zhuǎn)防火板，浪費(fèi)人力、物力等問題，與原手工翻轉(zhuǎn)模式相比，節(jié)省了人力、物力，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)自動翻轉(zhuǎn)防火板，性價(jià)比較高，適合企業(yè)的需求。

2）應(yīng)用CAD軟件對翻轉(zhuǎn)機(jī)中的主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用PLC控制和氣動控制對防火板的翻轉(zhuǎn)、夾緊問題，能夠?qū)崿F(xiàn)防火板的翻轉(zhuǎn)、定位、夾緊，實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機(jī)順序動作的自動化。

3）落實(shí)福建省實(shí)施新一輪企業(yè)技術(shù)改造專項(xiàng)行動計(jì)劃，符合福建省提出的“機(jī)器換工”要求，為企業(yè)應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新裝備進(jìn)行技術(shù)改造提供參考。