陳家輝，聶健壕※，陳朝大，翟東麗，董潮偉，陳鎮(zhèn)濤，吳 濤，陳業(yè)威

（1.廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東東莞 523000；2.廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510700）

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)程中，自動化生產(chǎn)已經(jīng)成為了時代的突出主題。隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)已經(jīng)被廣泛的使用在無人車間、無人生產(chǎn)流水線之類的自動化生產(chǎn)線上。電飯煲是日常家居生活必不可少的一種家電，而其煲膽作為電飯煲的核心，擁有巨大的市場需求[1]。

目前對于較多的中小型電飯煲企業(yè)來說，電飯煲內(nèi)膽滾邊工序多為手動加工完成，而傳統(tǒng)的手動控制滾邊加工速度慢，人工成本高，加工質(zhì)量參差不齊。常見的滾邊質(zhì)量問題有表面波浪形、褶皺、包不住、未壓實(shí)等現(xiàn)象產(chǎn)生[2]，已經(jīng)不能滿足工廠對于煲膽生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)性的要求。而將煲膽滾壓的生產(chǎn)變成自動化作業(yè)，能夠解放大量的生產(chǎn)力，并且讓作業(yè)變得更為安全高效。自動化技術(shù)的發(fā)展讓這種改造成為可行。隨著PLC 的發(fā)展，以其作為控制器，能夠有效地完成自動化作業(yè)的要求。目前市面上的電飯煲內(nèi)膽自動滾邊機(jī)器人其滾邊參數(shù)多為不可調(diào)固定參數(shù)[3-4]，不具備根據(jù)內(nèi)膽直徑及材料進(jìn)行滾邊參數(shù)修改的功能。對滾邊技術(shù)的研究在汽車工業(yè)領(lǐng)域相比電飯煲行業(yè)更為深入[5-9]，給本文的電飯煲內(nèi)膽整形機(jī)器人的研發(fā)提供了寶貴的參考經(jīng)驗(yàn)。

本文利用西門子S200 系列PLC 作為控制核心對煲膽加工進(jìn)行全自動控制，并且使用MCGS 作為上位機(jī)的人機(jī)交互界面，對滾邊加工過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。監(jiān)控界面允許操作人員即使不在機(jī)器運(yùn)作區(qū)域，也能夠掌握加工進(jìn)度，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操控，保障了操作人員的安全性。

1 滾邊整形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煲膽滾邊整形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。包括了驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、下壓機(jī)構(gòu)、滾壓機(jī)構(gòu)和工作臺。

圖1 整形機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

（1）驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)是由三相異步電機(jī)和同步帶輪組成。通過同步帶輪帶動胎膜旋轉(zhuǎn)。而刀具的進(jìn)給是由氣泵提供動力給氣缸，氣缸推桿與刀架連接，從而帶動刀具完成進(jìn)給。

（2）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由PLC、電源、繼電器、電機(jī)驅(qū)動、上位機(jī)觸摸屏、電控柜等構(gòu)成，控制系統(tǒng)將各個滾壓模塊、下壓機(jī)構(gòu)、模具轉(zhuǎn)動模塊的運(yùn)作關(guān)聯(lián)起來，使得自動滾邊整形得以實(shí)現(xiàn)。

（3）下壓機(jī)構(gòu)。下壓機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)在滾邊整形過程中將電飯煲的鍋膽壓緊固定在模具上，由氣缸帶動圓盤下壓，壓緊后圓盤可隨胎膜的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動。

（4）滾壓機(jī)構(gòu)。滾壓機(jī)構(gòu)設(shè)有兩把填刀和一把滾刀，其中分布在左右兩側(cè)的填刀起滾壓整形作用，只能前后進(jìn)給；位于后方的滾刀則是用來滾邊的，能夠前后或者斜向進(jìn)給。

（5）工作臺。工作臺是一個850 mm×850 mm 的鋼架，能夠支撐起各個機(jī)構(gòu)，不讓裝置加工時產(chǎn)生抖動，影響滾邊加工質(zhì)量。

整個裝置的協(xié)作是通過電控箱來操控的，它將分配電機(jī)的轉(zhuǎn)動、滾壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)退刀、下壓機(jī)構(gòu)這幾個部分的動作時機(jī)，使各個機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)完成煲膽的滾壓整形。

2 滾壓參數(shù)調(diào)節(jié)

滾邊整形加工工藝屬于較為特殊的工藝，滾邊后要求電飯煲內(nèi)膽上邊緣卷邊表面光滑、無明顯凹凸壓痕。選擇不同的工藝參數(shù)，得到的滾邊整形效果將相差甚遠(yuǎn)[10]。

2.1 不同直徑內(nèi)膽參數(shù)調(diào)節(jié)

本文研發(fā)的電飯煲內(nèi)膽整形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格的合金鋁材內(nèi)膽（直徑為12～30 cm）進(jìn)行滾邊工藝整形加工，從而提高了滾邊機(jī)器人的通用性。具體的實(shí)現(xiàn)方法是通過靈活更換胎模，以及控制3 個刀架的進(jìn)刀量、進(jìn)刀速度和角度來調(diào)節(jié)滾刀的位置。刀架的進(jìn)給量可以通過調(diào)節(jié)氣缸推桿的行程進(jìn)行調(diào)控，氣缸的行程最大可達(dá)65 cm。

2.2 滾邊參數(shù)調(diào)節(jié)

機(jī)器人在滾邊過程中需要控制好滾壓部位的速度和角度，速度過快可能會造成零部件起皺。同時由于滾輪硬度大于內(nèi)膽胎膜硬度，需要防止?jié)L輪進(jìn)入沖壓零部件切入點(diǎn)位置不當(dāng)與胎膜造磕碰。此外，如果進(jìn)給速度過慢，則會降低生產(chǎn)效率，對能源與人員等待成本浪費(fèi)[11]。

滾邊機(jī)器人的滾邊效果由兩把梯形填刀的進(jìn)給速度，和一把U型滾刀的傾斜角度及進(jìn)給速度決定，如圖2所示。

圖2 填刀、滾刀外形結(jié)構(gòu)

兩把填刀安裝位置為左右對稱，起滾壓整形作用，只能前后進(jìn)給。位于后方的滾刀則是用來滾邊的，能夠前后及斜向進(jìn)給。并且滾刀的滑塊與平臺平面的夾角可以通過螺母的鎖緊位置來調(diào)節(jié)滾刀的傾斜角。因此，可以實(shí)現(xiàn)滾邊切入角度也可調(diào)，可調(diào)范圍為45°～75°（圖3）。刀具材質(zhì)采用高速鋼，氣缸導(dǎo)桿與刀具導(dǎo)軌上部連接，帶動刀具前后移動完成滾邊壓邊整形加工。

圖3 滾刀傾角調(diào)節(jié)示意圖

2.3 滾邊力參數(shù)的控制

滾邊力的控制方式形式主要有4 種：普通剛性滾邊、彈簧彈性滾邊、氣動伺服調(diào)壓滾邊和電動伺服調(diào)壓滾邊[12]。綜合考慮4 種滾邊力的優(yōu)缺點(diǎn)，采用氣動調(diào)壓可以實(shí)現(xiàn)過載自動保護(hù)，能避免氣缸推力過大使刀具透過內(nèi)膽與內(nèi)膽模具產(chǎn)生毀壞性碰撞。因此，本文對滾刀上的滾邊力控制是通過壓力控制閥調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)和氣缸組成的氣動壓力回路來進(jìn)行控制的，如圖4所示。

圖4 滾刀氣動控制系統(tǒng)

本文加工的電飯煲內(nèi)膽材質(zhì)是厚度約為1 mm 的鋁合金，林巨廣等[13]提出滾邊力對鋁合金材質(zhì)進(jìn)行包邊工藝加工參數(shù)測定的經(jīng)驗(yàn)，以及經(jīng)過多次的樣機(jī)測試，當(dāng)滾刀接觸內(nèi)膽加工部位邊緣時設(shè)定其平均預(yù)滾邊力為750 N，隨著刀具的進(jìn)給逐步增加滾邊力，當(dāng)滾邊力增加到平均滾邊力為1 450 N 時，便可得到較好滾邊加工效果。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由PLC、電源、繼電器、電機(jī)驅(qū)動、上位機(jī)觸摸屏、電控柜等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)將滾壓模塊、下壓機(jī)構(gòu)、模具轉(zhuǎn)動模塊運(yùn)作關(guān)聯(lián)起來，使得自動滾邊整形得以實(shí)現(xiàn)。

3.1 下位機(jī)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的滾邊整形功能需要7個輸入信號，10個輸出信號。本文所用的西門子6ES7214-1AD23-0XB8型號的PLC就能夠滿足控制要求，西門子6ES7214-1AD23-0XB8能提供的14 個輸入和10 個輸出端口。不需要進(jìn)行額外的擴(kuò)展，就能夠完成任務(wù)需求，PLC的I/O地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在人機(jī)界面設(shè)計(jì)上，本文選擇了昆侖通泰TPC1061Ti MCGS 觸摸屏作為系統(tǒng)的上位機(jī)人機(jī)交互界面。為了符合現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的要求，在觸摸屏上設(shè)計(jì)了3 種工作模式可以選擇，分別是手動單步運(yùn)行模式、單周期運(yùn)行模式和連續(xù)運(yùn)行模式，如圖5所示。按鈕可控制轉(zhuǎn)置啟動、停止、急停，以及有正常運(yùn)轉(zhuǎn)時的綠燈，停止時的紅燈和報(bào)警時的閃爍燈。

圖5 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

（1）單步模式?？梢允褂冒存I來操作每一個獨(dú)立的動作，機(jī)器人每次按下一次按鍵只會完成一個步驟的動作，再按一次，完成接下來的一個步驟，以此類推。采用這種方式能夠讓機(jī)器人重置到原位。

（2）單周期模式。機(jī)器人啟動之后，會完成一整套的動作流程，從開頭的第一步直到最后一步復(fù)位停止。

（3）連續(xù)模式。機(jī)器人在原位開始啟動，按照流程動作，從開頭的第一步到最后一步復(fù)位之后，不間斷地繼續(xù)下一個周期，周而復(fù)始。直到操作者按下停止按鍵，滾邊整形機(jī)器人才會停止工作。

4 滾邊整形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文搭建了滾邊整形機(jī)器人的實(shí)物樣機(jī)平臺，如圖6 所示。通過安裝調(diào)試檢驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的電飯煲內(nèi)膽滾邊整形機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)膽的自動滾邊整形，連同內(nèi)膽的上下料裝卸用時，其整形速度為每分鐘完成4 個內(nèi)膽的滾邊整形加工工序。滾邊效果如圖7 所示。經(jīng)過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)滾邊機(jī)器人取如表2 所示參數(shù)時滾邊效果最佳。當(dāng)然在實(shí)際的滾邊作業(yè)中，每臺滾邊機(jī)器人的裝配都會存在誤差，其最優(yōu)的滾邊參數(shù)可能與此數(shù)據(jù)會有偏差，因此需要預(yù)生產(chǎn)后通過檢測來逐步調(diào)試完善。

圖6 滾邊機(jī)器人實(shí)物平臺

圖7 滾邊效果

表2 滾邊參數(shù)選擇

5 結(jié)束語

本文開發(fā)的電飯煲內(nèi)膽滾邊機(jī)器人采用立式結(jié)構(gòu)型式，該滾邊整形機(jī)器人能夠使刀具的進(jìn)給量以及刀具的切入角度具有較大的可調(diào)余地，滾刀壓入角、滾刀進(jìn)給速度、胎模轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)可隨時進(jìn)行更改。設(shè)計(jì)的模具可靈活更換，使得裝置可適用于不同規(guī)格大小的煲膽滾邊整形，可同時實(shí)現(xiàn)滾壓和翻邊加工，從而提高了自動化程度，保證了加工成品的質(zhì)量的同時有效縮減了加工時間，節(jié)約了用人成本，并且讓滾邊整形作業(yè)變得更為安全高效。