李偉光，蒙啟泳，練小華

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

0 引言

不銹鋼餐廚具由于具有良好的剛性、耐蝕性、耐銹性和美觀性等特點，在食品工業(yè)、餐飲服務(wù)業(yè)和家庭生活中得到了廣泛應(yīng)用，其具有廣闊的市場前景[1]。

不銹鋼餐廚具的生產(chǎn)工序一般包括：開料—沖壓—拉伸—飛邊—清洗—復(fù)合壓力焊—拋光—砂光—壓底—點焊—抹粉—包裝等。復(fù)合壓力焊工序是不銹鋼鍋制造的重要工序之一，其生產(chǎn)目的是：在不銹鋼鍋的鍋身底部外加上一層鋁片，外面再用一層包底片把鋁片覆蓋；其生產(chǎn)流程是：先將鋁片與包底片點焊在一起，后整體和鍋身底部點焊成一整體，然后經(jīng)中頻加熱機對鍋底加熱到一定的溫度，之后經(jīng)沖壓機在一定的壓力下進行沖壓，最后經(jīng)冷卻輸送帶冷卻后完成整個工序；其生產(chǎn)作用是：使不銹鋼復(fù)合鍋的導(dǎo)熱性能均勻，提升烹飪效果，提高不銹鋼鍋的使用壽命。

在不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊的生產(chǎn)工序中，國內(nèi)大多數(shù)不銹鋼餐廚具制造企業(yè)基本上是采用人工或半自動化的方式進行，從改善工人工作環(huán)境、降低工人勞動強度、提高生產(chǎn)效率、自動化水平和產(chǎn)品質(zhì)量等方面考慮，急需對不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊工序進行自動化改造。

1 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線總體方案

1.1 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊生產(chǎn)流程

不銹鋼復(fù)合壓力焊的生產(chǎn)流程如圖1所示，首先將鋁片與包底片點焊在一起，后整體和不銹鋼鍋鍋身底部點焊成一個整體，然后經(jīng)中頻加熱機對鍋底加熱到500℃左右的溫度，之后再經(jīng)沖壓機在一定的壓力下進行沖壓，最后經(jīng)冷卻輸送帶冷卻后完成整個工序。

圖1 不銹鋼復(fù)合壓力焊的生產(chǎn)流程

目前，不銹鋼鍋工件在轉(zhuǎn)運的過程中需借助人工實現(xiàn)，這存在著一定的安全隱患，首先，中頻加熱過程是在幾百度的高溫條件下進行的，不銹鋼鍋工件本身的溫度較高，而從中頻加熱機到?jīng)_壓機的轉(zhuǎn)運過程是靠工人手工完成的，容易造成燙傷；其次，壓力焊工序本身產(chǎn)生較大的振動和噪音，影響工人的身體健康；再次，工人在沖壓機裝卸工件時必須把身體(頭和手)伸入沖壓機內(nèi)部，具有相當(dāng)大的危險性。此外，一條復(fù)合壓力焊生產(chǎn)線中中頻加熱工序需要兩名工人，沖壓工序需要兩名工人。

為了解決傳統(tǒng)不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊生產(chǎn)工作的環(huán)境惡劣、工人勞動強度大、生產(chǎn)效率低下和自動化水平低等問題，迫切需要對不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊工序進行自動化改造升級。

1.2 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線總體方案介紹

本方案在綜合現(xiàn)場設(shè)備的尺寸、布局以及復(fù)合壓力焊的工藝流程，構(gòu)建了由已有的中頻加熱機、沖壓機、冷卻輸送帶，新增加的送料輸送帶、送料機械手、上下料機械手、出料輸送帶組成的不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線，如圖2所示，把中頻加熱機和沖壓機進行局部視圖后的俯視圖如圖3所示。

圖2 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線

工作時，當(dāng)傳感器檢測到中頻加熱機完成對不銹鋼鍋工件加熱時，送料輸送帶把不銹鋼鍋工件輸送到送料機械手，不銹鋼鍋工件經(jīng)等待區(qū)進入到送料機械手的末端位置，然后推料機械手把不銹鋼鍋工件推送到?jīng)_壓機的模具上方，同時把已沖壓的不銹鋼鍋工件推送到出料輸送帶，之后推料機械手在氣缸的作用下翻轉(zhuǎn)，并退回到初始位置等待下一個循環(huán)，上下料機械手對不銹鋼鍋工件夾緊，然后通過上下料機械手上的伸縮氣缸的伸出實現(xiàn)對不銹鋼鍋工件的入模，入模成功后，沖壓機對不銹鋼鍋工件進行沖壓，沖壓結(jié)束后，通過伸縮氣缸的縮回實現(xiàn)對不銹鋼鍋工件的出模，然后推料機械手把已沖壓的不銹鋼鍋工件推送到出料輸送帶上，不銹鋼鍋工件經(jīng)出料輸送帶傳送到冷卻輸送帶進行冷卻，完成一個復(fù)合壓力焊工序循環(huán)。

圖3 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線俯視圖

2 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 送料輸送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計

送料輸送帶的工作要求是把已加熱的不銹鋼鍋工件快速輸送到送料機械手，如圖4所示，其包括一號輸送帶單元和來回推料單元，一號輸送帶單元采用不銹鋼網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，在送料輸送帶電機的運轉(zhuǎn)下可以把已加熱的不銹鋼鍋工件快速的向送料機械手方向輸送，來回推料單元包括送料輸送帶氣缸、導(dǎo)桿、圓導(dǎo)軌、推桿和彈簧等，兩個相同的氣缸安裝在一號輸送帶單元上，工作時，兩個送料輸送帶氣缸在電磁閥的控制下按照一定的時序來回運動，在導(dǎo)桿的導(dǎo)向作用下，實現(xiàn)推桿的來回運動，當(dāng)不銹鋼鍋工件運動到推桿的區(qū)域，推桿的回縮運動可以使不銹鋼鍋工件快速轉(zhuǎn)移到送料輸送帶的中間位置，然后經(jīng)過送料輸送帶上的過渡輥過渡到送料機械手。

圖4 送料輸送帶結(jié)構(gòu)

2.2 送料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

送料機械手的工作要求是把在送料機械手末端的不銹鋼鍋工件快速推送到?jīng)_壓機內(nèi)部的模具上方，如圖5所示，其包括二號輸送帶單元、等待區(qū)、推料機械手和翻轉(zhuǎn)機械手，二號輸送帶單元采用不銹鋼網(wǎng)帶結(jié)構(gòu)，在送料機械手輸送帶電機的運轉(zhuǎn)下可以把已加熱的不銹鋼鍋工件快速的向送料機械手末端方向輸送，等待區(qū)由攔截定位桿、光傳感器、一號攔截氣缸和二號攔截氣缸組成，光傳感器用于判斷其前方是否有不銹鋼鍋工件經(jīng)過，一號攔截氣缸和二號攔截氣缸的伸出與縮回可以使不銹鋼鍋工件在相應(yīng)的等待區(qū)等待，推料機械手由送料氣缸、長導(dǎo)桿、轉(zhuǎn)動平臺和推料機械手組成，送料氣缸的伸出可以把已加熱的不銹鋼鍋工件通過推料機械手快速準(zhǔn)確的推送到?jīng)_壓機內(nèi)部的模具上方，翻轉(zhuǎn)機械手由翻轉(zhuǎn)氣缸連接推料機械手而成，工作時，當(dāng)推料機械手從沖壓機內(nèi)部退回，翻轉(zhuǎn)氣缸伸出，使推料機械手轉(zhuǎn)動一定的角度后避開在模具上方待沖壓的不銹鋼鍋工件退回到初始位置。

圖5 送料機械手結(jié)構(gòu)

圖6 上下料機械手

2.3 上下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

上下料機械手的工作要求是實現(xiàn)在沖壓機模具上方的不銹鋼鍋工件的入模與出模，如圖6所示，其包括基座、豎直升降運動裝置和水平工作臺，前后兩個基座通過螺栓連接在原有的沖壓機上，左右兩個豎直升降運動裝置與基座連接，水平工作臺通過線性導(dǎo)軌與豎直升降運動裝置相連，豎直升降運動裝置包括鎖緊塊、圓導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌、緩沖橡膠墊和伸縮氣缸，伸縮氣缸的縮回與伸出實現(xiàn)支撐臺的上升和下降，水平工作臺包括光傳感器、夾緊氣缸和工作臺，光傳感器用于判斷其前方是否有不銹鋼鍋工件經(jīng)過，夾緊氣缸的伸出與縮回實現(xiàn)不銹鋼鍋的夾緊與松開，工作時，兩個夾緊氣缸同時伸出把沖壓機模具上方的不銹鋼鍋工件夾緊，然后兩個伸縮氣缸同時伸出使水平工作臺平穩(wěn)下降，從而使不銹鋼鍋工件入模，當(dāng)傳感器檢測到不銹鋼鍋入模成功后，沖壓機沖壓，沖壓結(jié)束后，伸縮氣缸縮回使水平工作臺平穩(wěn)上升，實現(xiàn)已沖壓不銹鋼鍋的出模，之后送料機械手把已沖壓的不銹鋼鍋推送到出料輸送帶。

由于生產(chǎn)不同形狀的不銹鋼鍋需要更換沖壓機里的模具，通過松開鎖緊塊，然后把水平工作臺沿著直線導(dǎo)軌移開，即可以進行模具更換工作，模具更換完畢后，把水平工作臺移到原來的位置，再拎緊鎖緊塊，即完成換模工作。

3 不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了滿足不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線的控制要求，控制系統(tǒng)采用基于PLC和觸摸屏的控制方案[2]，其中PLC選用三菱公司型號為FX2N-64MT的產(chǎn)品，觸摸屏選用WeinView公司型號為MT-506M的產(chǎn)品，觸摸屏通過RS232C串口和CPU進行通訊[3]，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

按照上述設(shè)計過程，將控制系統(tǒng)運行方式分為手動運行和自動運行兩大部分。其中，手動運行方式可以實現(xiàn)各個模塊的單獨手動控制操作；自動運行方式采用順序控制方法，能對各邏輯關(guān)系、順序等進行精確控制，使各模塊有條不紊互相協(xié)調(diào)運行[4]，控制系統(tǒng)的程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

4 結(jié)束語

根據(jù)任務(wù)確定了不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線的機械本體和控制系統(tǒng)方案，將不銹鋼鍋復(fù)合壓力焊自動化生產(chǎn)線分為送料輸送帶、送料機械手、上下料機械手和出料輸送帶，并選用PLC和觸摸屏對自動化生產(chǎn)線進行控制。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運行，本自動化生產(chǎn)線運行良好，達到了設(shè)計要求。企業(yè)使用后反映，該設(shè)備運行穩(wěn)定性好，可靠性高，投入生產(chǎn)線后，不但改善了工人工作環(huán)境和降低了工人勞動強度，而且還提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 楊世杰, 閻秋生. 復(fù)合底不銹鋼鍋高溫坯料自動上下料方案優(yōu)化設(shè)計[J]. 機電工程技術(shù), 2011, 40(05): 71-72.

[2] 張海英, 劉勝明. 基于PLC的氣動吸盤式工業(yè)機械手設(shè)計[J]. 機械工程師, 2010(11): 32-33.

[3] 周麗芳, 羅志勇, 等. 三菱系列PLC快速入門與實踐[M].北京: 人民郵電出版社.

[4] 朱超, 楊建國, 等. 基于PLC 的負極片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 制造技術(shù)與機床, 2012(2): 74-76.