劉煥牢，周磊磊，王宇林，劉 璨

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

電飯鍋?zhàn)鳛榉奖?、時(shí)尚的居家廚具，一直得到消費(fèi)者的青睞[1]。隨著現(xiàn)在勞動(dòng)力成本的增加及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，勞動(dòng)密集產(chǎn)業(yè)已不適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展要求，許多電飯煲加工企業(yè)已出現(xiàn)用工荒現(xiàn)象，利潤(rùn)空間越來(lái)越低。企業(yè)舉步維艱，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量[2]。許多企業(yè)渴望生產(chǎn)線的自動(dòng)化改造升級(jí)，但又擔(dān)憂昂貴的設(shè)備改造費(fèi)用；因而，開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資壓力小，適合于大中小型企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，對(duì)傳統(tǒng)加工方法改造升級(jí)迫在眉睫，是亟需解決的問(wèn)題[3]。

1 現(xiàn)狀分析

圖1 傳統(tǒng)鋁蓋沖壓生產(chǎn)線

傳統(tǒng)鋁蓋生產(chǎn)線沖壓工藝主要包括落料、沖孔、拉深、切邊等一系列沖壓工序，每個(gè)工序需要一臺(tái)沖壓機(jī)床，每?jī)膳_(tái)機(jī)床之間通過(guò)傳送通道互相連接[4]。圖1所示為傳統(tǒng)生產(chǎn)線及機(jī)床排列狀況。每條鋁蓋沖壓線需要6臺(tái)沖壓設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備需要一名操作員工，由于機(jī)床噪音和生產(chǎn)線節(jié)拍等的需要，機(jī)床之間間距較大，整條生產(chǎn)線最少需要6名工人才能完成。每名操作工人需要完成的工序?yàn)椋狠斔偷廊〖C(jī)床升起）放件——（機(jī)床下降/沖壓）等待——（機(jī)床上升）機(jī)床取件——放入下一通道，每道工序需要8 s，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在安全隱患，環(huán)境惡劣[5]。

2 總體設(shè)計(jì)思路

以上分析可知，整條生產(chǎn)線操作比較簡(jiǎn)單，需要協(xié)調(diào)機(jī)床和輸送線的工作，可以通過(guò)控制系統(tǒng)完成；輸送線設(shè)計(jì)需要完成工件的提取——舉升——平移——落位循環(huán)動(dòng)作。為了使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不僅滿足以上生產(chǎn)線的需要，而且能進(jìn)一步適應(yīng)類(lèi)似多機(jī)沖壓生產(chǎn)線需要，如圖2所示，設(shè)計(jì)要求應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)：

（1）適用適合計(jì)算機(jī)、電子、汽車(chē)等各種中小型鈑金沖壓件的自動(dòng)搬運(yùn)；

（2）柔性高，可根據(jù)工藝設(shè)置沖壓機(jī)的數(shù)量、排列間距和移動(dòng)速度，可連接2～12臺(tái)沖床形成一條自動(dòng)化沖壓線，沖床之間也可根據(jù)需要設(shè)置翻轉(zhuǎn)機(jī)以實(shí)現(xiàn)工件翻面的功能；

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，和生產(chǎn)線配合緊湊，使用和維護(hù)方便；

（4）采用吸附方式提取工件，可根據(jù)工件的性質(zhì)，采用真空吸盤(pán)、電磁吸鐵或氣動(dòng)夾爪；

（5）自動(dòng)化水平高，節(jié)省人力，保證勞動(dòng)安全，提高產(chǎn)品質(zhì)量，有效降低廢品率；

（6）機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)均采用交流伺服電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)可編程序控制器PLC采集生產(chǎn)線上各個(gè)沖床的死點(diǎn)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)串聯(lián)沖床同時(shí)動(dòng)作，上下料快速穩(wěn)定，安全可靠，定位精度高。

圖2 多機(jī)連線沖壓輸送線

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 升降運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

升降運(yùn)動(dòng)部分三維圖如圖3所示。采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸通過(guò)蝸輪蝸桿減速器，從而實(shí)現(xiàn)兩交錯(cuò)軸間的機(jī)械傳動(dòng)。蝸輪蝸桿減速器的輸出軸帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)，使滑塊（鋁型材連接在滑塊上）沿直線滾動(dòng)導(dǎo)軌作升降運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

圖3 升降運(yùn)動(dòng)部分三維圖

圖4 曲柄滑塊升降機(jī)構(gòu)

3.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)真空吸盤(pán)的升降運(yùn)動(dòng)，該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖及瞬心如圖5所示。由于機(jī)械手完成一次下降和上升后，需要等到鋁型材完成水平搬運(yùn)后才繼續(xù)進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，且升降行程較小，故每次升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，曲柄旋轉(zhuǎn)不到半圈。圖5（a）為曲柄逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的起始點(diǎn)（真空吸盤(pán)開(kāi)始下降），圖5（b）為曲柄旋轉(zhuǎn)的終點(diǎn)（下降結(jié)束，開(kāi)始上升），隨后又回到圖5（a）的初始狀態(tài)，結(jié)束升降運(yùn)動(dòng)。

圖5 對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

確定曲柄長(zhǎng)度后，使用圖解法可以獲得連桿的長(zhǎng)度，完成滿足特定升降高度的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3 水平運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)

水平運(yùn)動(dòng)部分設(shè)計(jì)如圖6所示。水平運(yùn)動(dòng)部分采用交流伺服電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)同步帶傳動(dòng)，同步帶帶動(dòng)鋁型材，從而實(shí)現(xiàn)鋁型材的水平運(yùn)動(dòng)，可以帶動(dòng)多個(gè)移動(dòng)吸附頭，實(shí)現(xiàn)多機(jī)床同步取件和同步平移。

圖6 水平運(yùn)動(dòng)部分三維圖

3.4 吸附方式設(shè)計(jì)

吸附方式可根據(jù)工件的性質(zhì)，采用真空吸盤(pán)、電磁吸鐵或氣動(dòng)夾爪，該設(shè)計(jì)主要用于搬運(yùn)較薄的圓盤(pán)型沖壓件，表面光滑密封，故選擇真空吸盤(pán)吸附工件。

真空系統(tǒng)由真空發(fā)生器（產(chǎn)生真空壓力）、吸盤(pán)（執(zhí)行元件）、真空閥（控制元件）以及真空輔助元件（過(guò)濾器、消聲器和管件接頭等）組成。

自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械的氣壓系統(tǒng)工作原理如圖7所示。空壓機(jī)或氣站送來(lái)的壓縮空氣經(jīng)過(guò)快速接頭接入氣動(dòng)三聯(lián)件（空氣過(guò)濾器F、減壓閥R和油霧器L），分別實(shí)現(xiàn)過(guò)濾、減壓和潤(rùn)滑。常閉電磁閥控制氣體的通斷，當(dāng)電磁閥通電時(shí)，壓縮空氣經(jīng)真空發(fā)生器通過(guò)消聲器向外排出，同時(shí)吸盤(pán)一端產(chǎn)生負(fù)壓，使空氣從吸盤(pán)吸入，從而產(chǎn)生真空。PLC接收壓力傳感器檢測(cè)到的真空吸盤(pán)的壓力，以確定是否成功吸附工件。

圖7 氣壓系統(tǒng)工作原理圖

4 總體設(shè)計(jì)及效果

在上述分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，綜合考慮沖壓機(jī)床的高度、相互位置和加工節(jié)拍，整體框架采用鋁合金型材，整體三維設(shè)計(jì)如圖8所示。經(jīng)過(guò)零件加工和裝配，實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的輸送線使沖壓機(jī)床距離更近，不僅節(jié)約了機(jī)床占地面積，整條生產(chǎn)線一般只需要1人即可，大大節(jié)約了人用試湊法給出P、I和D參數(shù)；而模糊控制則不需要進(jìn)行精確建模。由于在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中難以確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因此模糊控制方法就具有較大應(yīng)用價(jià)值。

圖3 Simulink仿真圖

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)圖

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用MCGS觸摸屏、RS485共享器、熱電偶溫度采集模塊、可控硅模塊、遠(yuǎn)程IO塊、電源模塊等組成控制系統(tǒng)，搭建了漆包機(jī)烘爐模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在MCGS組態(tài)環(huán)境下編寫(xiě)熱平衡模糊控制程序并下載到嵌入式觸摸屏。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，熱電偶檢測(cè)到的溫度會(huì)在一定幅度內(nèi)上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍在±2℃左右，控制精度達(dá)到3%以內(nèi)。

表4 溫度測(cè)量表

圖5 移動(dòng)平均及去除偶然誤差的前后對(duì)比曲線

在實(shí)驗(yàn)條件下，由于系統(tǒng)回路接觸不良，使熱電偶的檢測(cè)溫度易產(chǎn)生跳動(dòng)。所以在軟件中需要對(duì)熱電偶檢測(cè)到的溫度值進(jìn)行移動(dòng)平均和去除偶然誤差處理平滑曲線。移動(dòng)平均及去除偶然誤差的前后對(duì)比曲線如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)漆包機(jī)烘爐的熱能平衡模型，提出了相應(yīng)的熱平衡模糊控制方法。仿真和模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱平衡模糊控制方法對(duì)烘爐加熱和熱平衡過(guò)程中各個(gè)溫控點(diǎn)的調(diào)溫效果好，穩(wěn)態(tài)精度能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。