謝友寶，熊小明，袁 剛，張 睿

（南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

布料機(jī)是預(yù)制廚衛(wèi)排氣道自動生產(chǎn)線的重要設(shè)備之一。傳統(tǒng)的布料運(yùn)用人工操作和半自動機(jī)械操作。這些方式生產(chǎn)效率低，容易造成澆注材料的浪費(fèi)。目前排氣道的布料方式有兩種，一種為模具靜止，布料小車在軌道行走；另一種為布料機(jī)靜止，模具移動。本文所介紹的新型全自動均勻布料機(jī)應(yīng)用于后者，此設(shè)備是基于對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)[1]而設(shè)計，運(yùn)用PLC控制器、雷達(dá)料位計和直線位置儀等檢測設(shè)備組件控制系統(tǒng)。此設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高、操作方便，可靠性高、成本低的特點，可以適應(yīng)不同尺寸規(guī)格預(yù)制廚衛(wèi)排氣道的特點。

1 總體設(shè)計及工作過程

1.1 總體設(shè)計

該自動均勻布料機(jī)要求自重限制在1000kg以內(nèi)；外形尺寸為4m×0.8m×3.2m，澆注口移動最大距離為3.2m,理論流量為4m3/h。需具有能夠?qū)崟r測量澆注料的高度、根據(jù)實時測量數(shù)據(jù)自動控制下料量和自動刮平功能。

考慮到該自動均勻布料機(jī)需進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動，擬利用對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)能夠在搖桿擺動一個周期內(nèi)完成兩倍行程的往復(fù)移動。澆注材料為發(fā)泡水泥，質(zhì)量輕，澆注料無顆粒大的骨料，自身流動性能較好，將導(dǎo)料管直接作為搖桿和連桿，在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動要求的前提下，能夠簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)和減輕設(shè)備重量。新型自動化均勻布料機(jī)上主要動力來源于電機(jī)2，通過動力傳動系統(tǒng)3將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為移動澆注平臺的直線運(yùn)動。隨著移動澆注平臺運(yùn)動，連桿導(dǎo)料管和搖桿導(dǎo)料管也隨之?dāng)[動。作者應(yīng)用Unigraphics NX7.0軟件進(jìn)行三維建模，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 均勻自動布料機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作過程

首先當(dāng)移動模具小車到達(dá)機(jī)架下方，模具小車碰接觸開關(guān)，自動均勻布料機(jī)初始位置設(shè)定在右側(cè)限位開關(guān)處。電機(jī)啟動并逆時針轉(zhuǎn)，通過動力傳動模塊拉動移動澆注平臺向左移動。同時進(jìn)行的還有電控閥打開和步進(jìn)電機(jī)正旋轉(zhuǎn)，刮板運(yùn)動從上側(cè)接近開關(guān)至下側(cè)接近開關(guān)，移動澆注平臺運(yùn)動分為兩步：1）初次澆注運(yùn)動，即低速勻速運(yùn)動，其主要作用是將大部分的澆注料注入模具內(nèi)。澆注平臺移動速度根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定初次澆注量確定；2）二次澆注運(yùn)動，即變速運(yùn)動，其主要作用是對模具內(nèi)澆注料表面進(jìn)行刮平，并對一些少料位置進(jìn)行補(bǔ)料。雷達(dá)料位計通過發(fā)射雷達(dá)波測量澆注料高度，流量計通過測量實時流量，電機(jī)慢速均勻旋轉(zhuǎn)。當(dāng)移動澆注平臺接觸左側(cè)限位開關(guān)，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)。移動澆注平臺向右移動，刮板跟隨移動澆注平臺移動將多余的澆注料自左向右刮平。前后雷達(dá)料位計檢測澆注料的高度差，電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)澆注料實際高度與設(shè)定澆注高度差值和實時流量確定澆注平臺移動速度。流量計到達(dá)完成待澆注量時，電控閥通電，停止落料。當(dāng)移動澆注平臺碰到右側(cè)接近開關(guān)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成澆注工序。與此同時，刮平系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，將刮板提升至初始位置。然后已經(jīng)澆注好的模具小車駛離澆注工位，另一部小車進(jìn)入機(jī)架下方，如此循環(huán)下去。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 擺動導(dǎo)料管和連桿導(dǎo)料管長度的確定

圖2為此設(shè)備的機(jī)構(gòu)簡圖。C0為滑塊初始位置，C1和C2為滑塊兩極限位置。設(shè)擺動導(dǎo)料管長度A0B0= l1，連桿導(dǎo)料管為B0C0= l2，鉸鏈中心A0對于導(dǎo)路的偏置距離A0C0=e，L為移動澆注平臺行程的一半。根據(jù)對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的特性[2,3]，即：

圖2 新型全自動均勻布料機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖

機(jī)構(gòu)運(yùn)動為了使?jié)沧⒘下淞享槙?，要求l1與l2的夾角不得小于90°。取根據(jù)（澆注模具小車高度為0.8m,取機(jī)架高度為1m）。得到：

求得：l1=l2≥ 1.13m， 取 l1=l2=1.2符合要求s≤ 2。

2.2 動力傳動系統(tǒng)設(shè)計

由于澆注時移動速度較慢，主電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速太大不符合使用要求，故選用帶有減速器的電機(jī)，并在減速器的輸出端增加帶傳動，進(jìn)一步增大傳動比。再通過輸送鏈的鏈傳動將動力等速傳遞給移動澆注平臺。從而獲得移動澆注平臺獲得較低的直線移動速度。

2.3 刮平系統(tǒng)設(shè)計

由于澆注后，澆注料在成型模具上表面會呈現(xiàn)波浪形，直接影響預(yù)制排氣道的表面質(zhì)量，故在澆注完成后，需要對澆注材料進(jìn)行刮平。此機(jī)構(gòu)通過步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿螺母旋動，絲桿螺母帶動一端連接在刮板上的絲桿上下移動。實現(xiàn)刮板在兩根導(dǎo)柱的引導(dǎo)下上下移動。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件組成

控制系統(tǒng)模式硬件包括上位機(jī)、PLC控制器、變頻器、檢測儀器。上位機(jī)為PC機(jī)，PLC選用西門子S7-200,該P(yáng)LC[3,4]由電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、總線通訊模塊、模擬量輸入輸出模塊等組成。檢測儀器包括智能流量計、雷達(dá)料位計、直線位置檢測儀、接近開關(guān)和限位開關(guān)等；執(zhí)行元件有電機(jī)、電控閥。流量計、直線位置儀、雷達(dá)料位計組與PLC通訊采用4～20mA信號，變頻器通過現(xiàn)場總線與PLC連接。

3.2 系統(tǒng)控制原理

自動均勻布料機(jī)括電機(jī)控制模塊、流量控制模塊、刮平運(yùn)動控制模塊和料位在線檢測模塊四部分。

1）電機(jī)控制模塊是通過料位在線檢測模塊檢測數(shù)據(jù)，通過程序計算移動澆注平臺實時的移動速度，并通過改變變頻器頻率調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為避免移動澆注移動速度過快，對電機(jī)速度進(jìn)行設(shè)定變化范圍。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

移動平臺速度計算公式：

2）流量控制模塊由智能流量計與電控閥組成，智能流量計安裝與儲料斗下方，用于檢測實時流量，并把數(shù)據(jù)傳送至PLC控制器，PLC通過累計計算程序計算從右側(cè)至左側(cè)所用澆注材料體積V1和往返一次所用澆注材料的體積V2；電控閥安裝于流量計下端，用于控制下料口開合狀態(tài)。動作完成后反饋一個開合狀態(tài)信號給PLC。

3）刮平運(yùn)動控制模塊主要是通過PLC給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送信號控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度來控制絲桿旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而驅(qū)動刮板上下運(yùn)動。

4）料位在線檢測模塊由雷達(dá)料位計、直線位置檢測儀構(gòu)成，兩個雷達(dá)料位計分別安裝在澆注口左右兩側(cè)，用于動態(tài)檢測移動澆注平臺澆注口前后瞬時料位，取平均值即得到I實際高度。并跟蹤記錄測量數(shù)據(jù)，直線位置檢測儀安裝在機(jī)架的一側(cè)，用于檢測移動澆注平臺的位置。并保存檢測數(shù)據(jù)。

圖4 控制原理示意圖

4 結(jié)束語

作為預(yù)制廚衛(wèi)排氣道自動化生產(chǎn)線上的一臺機(jī)電一體化新型布料設(shè)備。它具有很好的市場前景和應(yīng)用意義，應(yīng)用此設(shè)備將擯棄以往人工布料和半自動化布料的工藝，不僅彌補(bǔ)之前所采用布料方式的不足，而且降低了制造成本，能夠快速的將澆注料均勻的布滿模具，實現(xiàn)澆注自動化。

[1] 鄭晨升. 滑塊機(jī)構(gòu)的分類方法及其運(yùn)動特性分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2002, 21(4): 560-570.

[2] 洪小南, 沈世德, 潘小寧. 近似等速搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與研究, 1994, 03: 9-10.

[3] 常用機(jī)構(gòu)的原理及應(yīng)用編寫組. 常用機(jī)構(gòu)的原理及應(yīng)用[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1978.

[4] 深入淺出西門子WinCC V6[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[5] 龔仲華. S7-200/300/400PLC應(yīng)用技術(shù)-提高篇[M]. 人民郵電出版社, 2004.