劉曉雯

煙花分板碼垛系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

劉曉雯

（唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北 唐山，063000）

針對(duì)煙花生產(chǎn)線中插板組分板、碼垛工序，研發(fā)一種煙花分板碼垛系統(tǒng)?；诩蓡卧枷?，通過(guò)確定外載荷、工作壓力、工作行程等參數(shù)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)氣缸的缸徑、推力兩個(gè)主要參數(shù)，選取氣缸型號(hào)并驗(yàn)證了氣缸選取的合理性；根據(jù)氣缸參數(shù)及工作條件，運(yùn)用 AMEsim軟件對(duì)氣缸氣動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，得到氣缸推桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較穩(wěn)定的結(jié)論，并利用縱向氣缸推桿最大位移波動(dòng)值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果使煙花生產(chǎn)線中自動(dòng)分板、碼垛環(huán)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)。

煙花；插板組；分板；碼垛；氣缸推桿；優(yōu)化

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)制造煙花微丸多在手工作坊內(nèi)完成[1]。雖然造粒、烘干等工序有自動(dòng)化或半自動(dòng)化的設(shè)備，卻鮮有成套的煙花自動(dòng)生產(chǎn)線，尤其是烘干后的微丸插板組分板和帶料碼垛等工序，大多由人工操作，操作者工作強(qiáng)度大、效率低，且人工運(yùn)輸、分板和碼垛過(guò)程中，摩擦易產(chǎn)生火星導(dǎo)致燃燒，操作環(huán)境溫度較高、操作時(shí)藥粒間以及藥粒與設(shè)備間不可避免的碰撞、擠壓等綜合因素均可能導(dǎo)致爆炸，引發(fā)嚴(yán)重的事故[2-3]。因此，研發(fā)一種專門用于煙花微丸的分板碼垛設(shè)備，提高煙花生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，非常有必要。

1 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)要求，制作一批微丸需用5kg火藥，微丸、微丸插板及插板儲(chǔ)架的烘干均在自動(dòng)化烘干系統(tǒng)中完成?？紤]到烘干系統(tǒng)的尺寸結(jié)構(gòu)[4]，每批微丸需放到4個(gè)微丸插板中，4個(gè)微丸插板又可分別插至插板儲(chǔ)架中縱向排列，進(jìn)行帶料烘干。本文設(shè)計(jì)的分盤碼垛系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)將烘干后4個(gè)縱向疊放的微丸插板組分至單一放置的插板，待微丸放至單一放置的插板后，將微丸插板依次插入插板儲(chǔ)架，然后再次輸送至烘干系統(tǒng)進(jìn)行帶料烘干。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)由4個(gè)輸送裝置、分板裝置和碼垛裝置組成。分板碼垛系統(tǒng)工作過(guò)程如圖2所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案

圖2 分盤碼垛系統(tǒng)工作過(guò)程

4個(gè)縱向疊放的微丸插板在烘干箱內(nèi)烘干后，由輸送裝置A傳至分板裝置，分板裝置將4個(gè)縱向疊放的插板分成單個(gè)插板，由機(jī)械手將微丸分別裝在單個(gè)插板上并由輸送裝置B傳向碼垛裝置。同時(shí)，輸送裝置C將烘干箱烘干的插板儲(chǔ)架傳至碼垛裝置，碼垛裝置接收插板并插入插板儲(chǔ)架。碼垛完成后插板儲(chǔ)架由輸送裝置D傳至烘干系統(tǒng)進(jìn)行帶料烘干。

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 微丸插板和插板儲(chǔ)架設(shè)計(jì)

煙花微丸的密度≥1.2×106g/m3[5]，取最小值min=1.2×106g/m3。由每批微丸需用火藥重量=5× 103g，得總體積總=/min=4.2×10-3m3。經(jīng)造粒得到的單個(gè)微丸半徑=5×10-3m，體積單=4π3/3 =5.2×10-7m3，微丸個(gè)數(shù)=總/單=8 080個(gè)。5kg微丸放入4個(gè)微丸插板，每個(gè)微丸插板盛放微丸個(gè)數(shù)=2 020個(gè)。故插板截面尺寸（長(zhǎng)×寬）為：470mm×450mm。

插板儲(chǔ)架需容納4個(gè)微丸插板，故設(shè)計(jì)成縱向4層?？紤]到雙層或多層微丸烘干不均勻，單個(gè)插板僅存放單層微丸，故插板插入儲(chǔ)架時(shí)，需刮掉上層微丸。故儲(chǔ)架插槽單層高度＜3，取=13mm。為減小插板插入儲(chǔ)架插槽的摩擦力，儲(chǔ)架兩邊插槽各設(shè)置3個(gè)隨動(dòng)圓柱棍，插板滑入時(shí)，圓柱棍可將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。為防止插板滑出儲(chǔ)架支撐插槽，儲(chǔ)架設(shè)計(jì)了限位擋塊。微丸插板結(jié)構(gòu)尺寸和插板儲(chǔ)架結(jié)構(gòu)如圖3~4所示。

圖3 微丸插板結(jié)構(gòu)尺寸

圖4 插板儲(chǔ)架結(jié)構(gòu)圖

2.2 分板裝置設(shè)計(jì)

分板裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分板裝置結(jié)構(gòu)圖

烘干后4個(gè)縱向疊放的插板由輸送裝置A傳至分板裝置，分板裝置中的正位機(jī)構(gòu)可糾正插板的位置。長(zhǎng)棍由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為微丸插板組提供持續(xù)傳動(dòng)的動(dòng)力，限位機(jī)構(gòu)限定微丸插板組位置。分板橫向氣缸將微丸插板組頂層插板頂入輸送裝置B，縱向氣缸驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升1個(gè)插板距離，分板橫向氣缸將最上面即第2個(gè)插板頂入輸送裝置B，此過(guò)程反復(fù)，分板裝置完成將插板組分成單個(gè)放置的微丸插板。為防止分板時(shí)頂層插板在摩擦力作用下將其下面的插板帶出，設(shè)計(jì)了插板擋架，插板擋架固定在機(jī)架上，插板組上升而插板擋架固定不動(dòng)，故可一直阻擋下方插板被帶出。

2.3 碼垛裝置設(shè)計(jì)

碼垛裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 碼垛裝置

輸送裝置C將插板儲(chǔ)架送至碼垛裝置，正位機(jī)構(gòu)擺正插板儲(chǔ)架的位置。圓柱長(zhǎng)棍Ⅰ為插板儲(chǔ)架脫離輸送裝置C提供持續(xù)的動(dòng)力。插板儲(chǔ)架到達(dá)碼垛裝置預(yù)定位置時(shí)由限位板定位。圓柱長(zhǎng)棍Ⅱ?yàn)檠b有微丸的插板脫離輸送裝置B提供持續(xù)的動(dòng)力。每插進(jìn)1個(gè)微丸插板，縱向氣缸驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)下降1個(gè)儲(chǔ)架插槽高度，待4個(gè)插板插滿插板儲(chǔ)架，碼垛完成，橫向氣缸推出插板儲(chǔ)架至輸送裝置D，進(jìn)入后面烘干工序。

3 標(biāo)準(zhǔn)氣缸選取

3.1 分板裝置中氣缸的選取

3.1.1 分板升降氣缸

設(shè)計(jì)選取標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)氣缸，氣缸直徑和推力為主要參數(shù)。由于分板縱向氣缸工作時(shí)線速度約為0.35m/s，故可由式（1）估算氣缸直徑：

由于’＞，故所選氣缸可正常工作。由于分板升降機(jī)構(gòu)的工作行程為120mm，故根據(jù)氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程系列，選取氣缸工作行程為150mm。最終確定分板升降氣缸型號(hào)為SI40×150-S。

3.1.2 分板橫向氣缸

分板裝置中橫向氣缸的工作行程約為插板長(zhǎng)度的三分之二，故根據(jù)氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程系列，選取氣缸工作行程為350mm。最終確定分板升降氣缸型號(hào)為SI40×350-S-FC。

3.2 碼垛裝置中氣缸的選取

氣缸選型方法與分板裝置中橫、縱向氣缸的選型方法基本相同。碼垛升降氣缸型號(hào)：SI63×350-S；碼垛縱向氣缸型號(hào)：SI-40×350-S-FC。

4 氣動(dòng)系統(tǒng)仿真

氣動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程為：（1）在AMEsim軟件內(nèi)建立分板碼垛系統(tǒng)氣動(dòng)模型，如圖7 所示。（2）設(shè)置工作溫度、缸徑、推力等參數(shù)，各個(gè)出口默認(rèn)壓力為105Pa，仿真時(shí)間 10s，打印間隔1ms。（3）分板裝置完成插板組的分離，縱向氣缸需上升4次，下降1次，故仿真時(shí)設(shè)置氣缸每上升1次，停止1次，循環(huán)4次后，下降至初始位置。（4）仿真結(jié)果：氣缸推桿位移線圖如圖8所示。

圖7 氣動(dòng)模型

圖8 氣缸推桿位移線圖

由圖8可以看出：0~1s，2~3s，4~5s，6~7s時(shí)氣缸推桿處于上升階段，上升階段出現(xiàn)2個(gè)波浪狀凸峰，是由于上升時(shí)較低的線速度引起的爬行現(xiàn)象；1s、3s、5s、7s時(shí)刻氣缸推桿接到上升停止信號(hào)后，推桿繼續(xù)上升一小段距離，且接到下一上升信號(hào)前推桿位移在小范圍內(nèi)反復(fù)波動(dòng)。3s后的A、B兩點(diǎn)位移曲線波動(dòng)最大，波動(dòng)幅度為 2.7mm。（5）仿真結(jié)論：氣缸推桿的運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定；分板裝置底板、碼垛裝置底板與輸送裝置在豎直方向上需留出 3~5mm的距離，防止縱向氣缸推桿波動(dòng)。

5 系統(tǒng)優(yōu)化及應(yīng)用效果

5.1 優(yōu)化方案

根據(jù)仿真結(jié)論，具體優(yōu)化方案如下：（1）如圖9，分板裝置底板高度比輸送裝置A輸送上表面的高度低5mm，防止分板裝置底板過(guò)高，微丸插板組無(wú)法輸送到分板裝置上；（2）如圖10，分板裝置底板上第3個(gè)插板高度高于輸送裝置B輸送上表面的高度5mm。防止由于誤差頂層微丸插板無(wú)法推送到輸送帶上；（3）如圖11，碼垛裝置底板的高度低于輸送裝置C輸送上表面的高度5mm，防止插板儲(chǔ)架無(wú)法輸送到碼垛裝置上；（4）如圖12，碼垛裝置底板上插板儲(chǔ)架底層插槽高度低于輸送機(jī)B輸送上表面高度5mm，防止微丸插板無(wú)法輸送到插板儲(chǔ)架中。

圖9 優(yōu)化1

圖10 優(yōu)化 2

圖11 優(yōu)化 3

5.2 應(yīng)用效果

分板碼垛系統(tǒng)每個(gè)工作循環(huán)周期小于2min，工作效率提高了30%，在煙花制造的智能化和自動(dòng)化方面做出了較大改善，節(jié)約了人力資源，減輕了工人工作強(qiáng)度，提高了操作過(guò)程的安全性。該系統(tǒng)可為企業(yè)每年節(jié)省54萬(wàn)元，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

圖12 優(yōu)化 4

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種用于煙花生產(chǎn)線中輸送烘干后的微丸插板組、插板儲(chǔ)架并將微丸插板組分板、碼垛的分板碼垛系統(tǒng)。通過(guò)確定外載荷、工作壓力、工作行程等參數(shù)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)氣缸的缸徑、推力兩個(gè)主要參數(shù)，選取分盤和碼垛裝置中氣缸的型號(hào)并驗(yàn)證了氣缸選取的合理性；根據(jù)氣缸參數(shù)及工作條件，運(yùn)用 AMEsim軟件對(duì)氣缸氣動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，得到氣缸推桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較穩(wěn)定的結(jié)論，找到了氣缸1個(gè)工作行程內(nèi)接到停止信號(hào)后，位移曲線波動(dòng)的最大波峰和波谷，根據(jù)波動(dòng)幅度對(duì)分板碼垛系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該分板碼垛系統(tǒng)為企業(yè)每年節(jié)省54萬(wàn)元，碼垛效率提高30%，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] 肖湘杰.煙花爆竹生產(chǎn)機(jī)械化現(xiàn)狀及對(duì)策[J].花炮科技與市場(chǎng),2007(3):33-34.

[2] 聶劍紅.煙花爆竹安全生產(chǎn)核心問(wèn)題研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2010(6):66-70.

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Design and Optimization of Fireworks Parting and Palletizing System

LIU Xiao-wen

( Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan，063000)

A fireworks parting and palletizing system was developed for process of parting insertion group and palletizing in the fireworks production line. Based on the idea of integrated unit, the cylinder diameter and thrust of standard cylinder were calculated by determining the parameters of external load, working pressure and working stroke. The cylinder type was selected and the rationality of cylinder selection was verified. According to the parameters and working conditions of the cylinder, the pneumatic process of the cylinder was analyzed by AMEsim software, and the conclusion that the movement of the cylinder push rod is relatively stable is obtained. The maximum displacement fluctuation value of the longitudinal cylinder push rod was used to optimize the design of the system. The design results make the automatic parting and palletizing links in the fireworks production line come true.

Firework；Insertion group；Parting；Palletizing；Cylinder push rod；Optimization

TQ567

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.015

1003-1480（2019）05-0057-04

2019-07-25

劉曉雯（1983 -），女，副教授，主要從事特種機(jī)械技術(shù)研究。