張宏翔 佟河亭 牟葆田

摘要：為提高電熱毯生產(chǎn)的自動化水平和生產(chǎn)效率，本文基于Creo三維建模軟件對電熱毯自動化生產(chǎn)線中的切割分離設(shè)備進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。給出了電熱毯自動化生產(chǎn)線中切割分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，同時為保證各部分機構(gòu)實現(xiàn)相應(yīng)的功能，對定位裝置、夾緊裝置、抬升裝置和分離裝置氣動控制回路進行設(shè)計研究。研究結(jié)果表明，該設(shè)計解決了生產(chǎn)線中對電熱毯的自動化切割和分離工作，而且切割分離設(shè)備與前后自動化單元的銜接，形成了完整的自動化生產(chǎn)線。提高了生產(chǎn)的準(zhǔn)確性，節(jié)約了生產(chǎn)時間，減少了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。該研究為電熱毯自動化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和自動化水平的提高提供了實際的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電熱毯自動化生產(chǎn); 切割; 分離; 氣動回路控制

眾所周知，電熱毯[1-2]是常見的取暖和驅(qū)寒用品，是一種直接取暖的電熱器具[3]，與空調(diào)、電暖器產(chǎn)品相比，電熱毯更為經(jīng)濟、實用和便捷，在我國中小城市和廣大農(nóng)村具有極大的需求量[4]。電熱毯的制作過程是將雙層布料及電熱線[5]縫合在一起，通電時實現(xiàn)正常發(fā)熱工作[6]。目前，我國取得電熱毯產(chǎn)品生產(chǎn)許可證的廠家有200多家，年生產(chǎn)量可達5 000萬床左右，主要品牌包括彩虹、琴島、小綿羊等[7]。生產(chǎn)企業(yè)以小型企業(yè)為主，占企業(yè)數(shù)量的97%，大多數(shù)小型企業(yè)為家庭式作坊生產(chǎn)，人數(shù)多在5～20人之間[8]。傳統(tǒng)的電熱毯制作需要大量的人工操作，效率低，人工成本高，工人在生產(chǎn)時存在較大的安全隱患。從多次進行國家監(jiān)督抽查工作來看，也存在不合格企業(yè)的不合格產(chǎn)品[9]。因此，電熱毯全自動和安全的生產(chǎn)線成為各個廠家的迫切需求。目前，市場上的電熱毯生產(chǎn)裝置通常只有一個加工單元[10]，包含下料、布線、焊接等多道工序，需要人工協(xié)助完成電熱毯的分離，并且只能完成單一規(guī)格的電熱毯，生產(chǎn)效率低下。因此，本文基于Creo2.0三維建模軟件[11]，設(shè)計了電熱毯自動化生產(chǎn)線中的切割分離設(shè)備單元。本電熱毯生產(chǎn)線能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，由多個加工單元組成，每個單元依次完成生產(chǎn)工序，并且自動完成電熱毯的分離工作，同時，也可以根據(jù)需求生產(chǎn)不同規(guī)格的電熱毯，極大提高了生產(chǎn)效率，保證了電熱毯的生產(chǎn)質(zhì)量。該設(shè)計具有一定的實際應(yīng)用價值。

1 電熱毯切割分離設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的電熱毯自動化生產(chǎn)線是由放置底布單元、布線單元、放置頂布單元、超聲波焊接單元、切割分離單元及針盤循環(huán)單元等組成。電熱毯的每道工序都是在針盤[12]上完成，針盤通過動力驅(qū)動裝置經(jīng)過各個單元完成相應(yīng)的工作，最終實現(xiàn)電熱毯自動化生產(chǎn)。通常情況下，為提高生產(chǎn)效率，在放布料時放置一張相當(dāng)于兩個電熱毯面積的布料，最后加工出兩張電熱毯，所以在超聲波焊接后需要對其進行切割，得到兩張電熱毯;此處電熱毯外料是無紡布[13]，切割刀具的高度直接影響切割效率和質(zhì)量，過高或過低容易碰撞針盤，或無法將電熱毯完全切割開;當(dāng)切割完成后，需將電熱毯從針盤上分離，使針盤通過循環(huán)單元送至初始加工單元進行下一循環(huán)使用。

1.1 電熱毯切割分離設(shè)備工作原理

電熱毯切割分離設(shè)備主要由針盤、切割裝置、夾緊裝置、定位裝置、分離輸送裝置、抬升裝置和機架組成。切割分離設(shè)備整體模型如圖1所示。其工作原理：當(dāng)電熱毯完成上一單元的加工后，針盤在電機的驅(qū)動下進入切割分離工位，當(dāng)傳感器[14]檢測到針盤到位時，針盤減速停止，此時定位裝置的氣缸[15]工作，推動針盤到達預(yù)定位置，完成針盤定位工作;定位完成后，4個夾緊裝置氣缸完成對針盤的夾緊，之后抬升裝置中的氣缸工作，頂起電熱毯中間需要切割的部分，該部分與針盤分離，便于進行切割，其它部分仍靠針固定，而刀具裝置在線性滑軌和同步帶[16]的作用下，完成對電熱毯的切割工作;切割完成后，針盤繼續(xù)向前運動，在運動過程中，分離裝置前端將電熱毯從針盤上分離出來，通過皮帶裝置將電熱毯輸送出去，針盤進入下一單元，完成電熱毯的切割與分離動作。

1.2 電熱毯切割分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1.2.1 抬升裝置

抬升裝置是由固定在機架上的鋁合金型材、氣缸及頂起件組成。抬升和切割裝置模型如圖2所示。由圖2可以看出，在完成定位夾緊以后，進行切割之前，氣缸接收到信號，使活塞桿伸出，頂起件抬升，從而頂起電熱毯的切割部位與針盤完成分離，便于進行切割工作。

頂起件是一種U型鋸齒狀排列的槽類零件，而針盤是一種鏤空結(jié)構(gòu)。當(dāng)頂起件抬升時，鋸齒恰好處于針盤鏤空部位，對針盤沒有作用力，只頂起需進行切割部分的電熱毯，使之與針盤分離。在整個切割過程中，刀具運動軌跡處在U型槽內(nèi)，避免了刀具對針盤的破壞，提高了切割的正確性。

1.2.2 切割裝置

切割裝置[17]橫跨固定在機架上，作用是將電熱毯橫向切割。切割機構(gòu)由固定在型材機架上的線性滑軌裝置、固定在滑塊上的刀具、刀具電機及同步帶裝置組成，通過連接件，將同步帶和滑塊固定在一起。切割裝置模型如圖3所示。當(dāng)抬升裝置完成動作后，刀具電機接受信號開始運轉(zhuǎn)。同時，同步帶輸送裝置中的減速電機運轉(zhuǎn)，通過同步帶傳動，滑軌裝置中滑塊橫向移動，帶動所連刀具對電熱毯進行切割。

1.2.3 分離裝置

分離裝置是由前端分離件、帶輪輸送裝置、固定在輸送裝置下方的氣缸提升裝置及機架組成，分離裝置模型如圖4所示。分離設(shè)備是將切割好的電熱毯從針盤中分離出來。電熱毯與針盤的連接方式是通過針盤中一排排的針將電熱毯固定在上面。通過人工分離所需時間長，分離效率低，針盤的針很可能對工人造成誤傷，影響整個生產(chǎn)線的工作。相比之下，利用機械結(jié)構(gòu)進行自動化分離，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本，減少工人的誤傷。

電熱毯自動化生產(chǎn)線完成切割工作后，針盤在電機驅(qū)動下繼續(xù)向前運動，通過分離裝置時，前端的分離件類似一個“鏟子”，提升裝置的氣缸行程增大，使分離機構(gòu)角度增大，分離件的前端會插入針盤中間鏤空部分，電熱毯運動的初始位置如圖5所示。由圖5a可以看出，隨著針盤的移動，電熱毯前端會被“鏟”離針盤。由于針盤中間鏤空，存在加固的橫梁，所以分離裝置的分離件前端不能一直插入針盤鏤空部分;由圖5b可以看出，當(dāng)針盤向前運動一段距離，分離件尚未與針盤橫梁發(fā)生干涉時，電熱毯前端已被“鏟”離針盤，這時提升裝置的氣缸行程復(fù)位，整個分離裝置傾角恢復(fù)到原始角度，使分離裝置的分離件與針盤分離，避免與針盤橫梁發(fā)生碰撞，這時電熱毯通過帶輪輸送裝置輸送出去，完成對電熱毯的分離工作，針盤在電機作用下繼續(xù)向前運動，進入下一單元。

2 氣動控制回路設(shè)計

為了保證各部分機構(gòu)能夠按照生產(chǎn)順序完成相應(yīng)的動作，需對相應(yīng)機構(gòu)氣動控制回路進行設(shè)計[18]。氣動控制原理圖[19]如圖6所示。

2.1 定位裝置氣動回路設(shè)計

定位裝置氣路工作原理：當(dāng)針盤進入切割分離單元后，通過固定在前端的傳感器檢測到信號，讓針盤停止運動，此時電磁換向閥中2DT通電，氣源裝置出來的壓縮氣體通過減壓閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥進入氣缸的無桿腔，推動氣缸活塞桿帶動定位裝置氣缸向上移動，使定位氣缸達到與針盤平齊高度。同時，有桿腔氣體通過單向節(jié)流閥和電磁換向閥排出;隨后電磁換向閥中4DT通電，壓縮氣體進入定位裝置氣缸的無桿腔，活塞桿左移，推動針盤到達預(yù)定位置，完成針盤的定位工作，有桿腔氣體通過單向節(jié)流閥和換向閥排出。在完成夾緊及切割動作后，1DT和3DT通電，兩氣缸復(fù)位。

2.2 夾緊裝置氣動回路設(shè)計

夾緊裝置氣路工作原理：當(dāng)針盤完成定位工作后，電磁換向閥中8DT通電，壓縮氣體通過減壓閥、電磁換向閥和單向節(jié)流閥進入夾緊裝置氣缸，使4個氣缸活塞桿同時伸長，完成對針盤的夾緊工作。當(dāng)切割完成后，電磁換向閥7DT通電，使4個氣缸活塞桿復(fù)位，松開針盤。

2.3 抬升裝置氣動回路設(shè)計

抬升裝置氣路工作原理：當(dāng)針盤完成定位后，電磁換向閥中5DT通電，壓縮氣體通過減壓閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥進入抬升機構(gòu)氣缸中的無桿腔，使活塞桿及與之連接的抬升機構(gòu)中的氣缸連接件向上運動，使電熱毯切割部分與針盤分離，方便進行切割。當(dāng)完成切割動作后，電磁換向閥中5DT通電，活塞桿收縮，并帶動抬升機構(gòu)回到初始位置。

2.4 分離裝置氣動回路設(shè)計

分離機構(gòu)氣路工作原理：當(dāng)電熱毯自動化生產(chǎn)線進行分離工作時，電磁換向閥中9DT通電，氣體經(jīng)過減壓閥、電磁換向閥和單向節(jié)流閥進入分離機構(gòu)氣缸，活塞桿上移，整個分離機構(gòu)傾角變大，前端分離部件插入針盤中;延時2 s后，電磁換向閥7DT通電，氣體進入氣缸的有桿腔，氣缸活塞桿回縮，分離裝置角度減小，前端分離部件將電熱毯從針盤中“挑”出，完成電熱毯的分離工作。

3 結(jié)束語

由于電熱毯的加工還沒有完整的全自動化生產(chǎn)線，需要人工去切割和分離，費時費力，生產(chǎn)效率低，本文基于Creo三維建模軟件，對電熱毯自動化生產(chǎn)線中的切割分離設(shè)備進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。此生產(chǎn)線是由多個加工單元組成，不僅提高了生產(chǎn)效率，還能觀察各個單元加工的實際情況，方便對每個單元進行數(shù)據(jù)采集。其中，切割分離設(shè)備解決了在生產(chǎn)線中對電熱毯的自動化切割和分離工作，節(jié)約了生產(chǎn)時間，減少了人工成本，保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量;切割分離設(shè)備與前后自動化單元的銜接，形成了完整的電熱毯自動化生產(chǎn)線。在設(shè)計過程中也發(fā)現(xiàn)一些需要改進的地方，在電熱毯完成分離之后，需要人工將電熱毯從生產(chǎn)線中取走包裝，所以在下一步的生產(chǎn)研究中應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計一套裝置，直接將加工完的電熱毯輸送離開生產(chǎn)線，自動完成對電熱毯的包裝，從而進一步提高生產(chǎn)效率。該設(shè)計對電熱毯自動化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和自動化水平的提高具有重要意義。

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