基于泡沫卷材多工位全自動生產線結構設計

潘宇倩，覃朝兵

(1.柳州工學院機械工程系，廣西 柳州 545616)

(2.柳州元吉興工業技術有限公司，廣西 柳州 545616)

泡沫卷材廣泛應用于多種工業產品中。在傳統的生產工藝中，其加工方式都是采用多個獨立的加工單元分別進行生產。一般泡沫卷材金屬涂覆工藝大多利用單獨的浸泡設備，結合工人的操作經驗和技術，來完成對泡沫卷材的金屬涂覆加工；泡沫卷材烘干工藝加工大多采用簡易的單機設備完成，烘干效果基本依賴操作人員的技術和經驗，產品質量得不到有效的保障，生產效率較低；泡沫卷材質量取樣檢測同樣是由人工完成，在不采用輔助設備的情況下，檢驗結果隨機性較大，而且檢測頻次和產品質量也得不到保障。傳統的加工模式對于泡沫卷材涂覆加工而言是一種“孤島式”的加工模式，導致泡沫卷材在金屬材料涂覆、取樣、烘干、再取樣等工序加工銜接不及時和不流暢，進而導致生產質量和生產效率不穩定。

鑒于此，本文采用全自動化的生產技術，提出了一種泡沫卷材多工位生產加工的設計方案，結合先進的電氣控制技術，采用流程型的生產模式，以實現泡沫卷材的全自動化生產加工，提高產品的質量和生產效率，進一步降低生產成本，提升產品的市場競爭力。

1 卷材加工的工藝分析

1.1 卷材的加工要求分析

泡沫卷材金屬涂覆加工工藝包含多道加工工序，目前其加工過程主要分為以下幾個工序：

1)先將泡沫卷材切割成產品小樣，并對其進行涂覆金屬加工，主要目的是讓金屬溶液均勻地附著于泡沫材料的表面，從而滿足產品的特殊性能要求；

2)對經過金屬溶液涂覆的產品進行抽樣檢測，目的是確認金屬溶液的附著情況是否滿足產品的功能需求，從而確認是否可以批量生產；

3)對滿足要求的產品進行烘干，整個烘干過程主要依賴工人的技術與經驗來控制；

4)對烘干后的產品進行取樣檢測，確認產品的烘干質量和性能要求是否達標；

5)對合格的產品進行包裝、入庫并保存。

1.2 卷材加工工藝缺陷分析

泡沫卷材的加工所需要的工序較多，受目前加工工藝和設備的限制，泡沫卷材在涂覆金屬的過程中未能獲得較高的生產效率和較好的加工質量，從而在很大程度上降低了產品的品質，增加了企業的生產成本。

在涂覆金屬過程中，傳統的生產工藝需要將泡沫卷材切割成小塊成品進行涂覆，這種加工工藝影響了涂覆的均勻性和經濟性，進而影響了產品的生產效率和質量，特別是在產品工序物流轉序過程中，損耗和污染很大，隨著技術的進步，這種離散式加工模式缺陷越來越明顯；而在泡沫卷材涂覆金屬后，烘干效果的控制過多地依賴工人的技術和經驗，烘干設備的參數調整功能不足，無法科學地保障產品的烘干質量；此外，因為產品是切割后進行金屬溶液的涂覆，所以加工完成后，產品的存放也采用單片存放的形式，不利于產品規格的多樣性需求。由此可知，傳統的泡沫卷材涂覆工藝過多地依賴工人的技術和經驗，產品的質量控制環節不完善，無法形成高效率、高質量、低成本的現代化加工模式。

2 卷材加工的方案設計

2.1 全自動卷材涂覆設計方案介紹

通過分析泡沫卷材金屬涂覆加工工藝可以得知，離散式的產品加工方式對于泡沫金屬涂覆的加工存在諸多缺陷，而現代自動化技術可以較好地解決這種傳統的加工工藝由于設備的局限所帶來的缺陷。通過對加工工藝的全面優化，本文提出了一種多工位全自動化生產模式，改進了當前傳統的泡沫涂覆加工工藝流程，這種全新的生產模式具有效率更高、質量更可靠、加工成本更低等優勢。

根據泡沫卷材金屬涂覆加工的工藝過程，該全自動涂覆設計布局圖包含如圖1所示的6個加工工位。

整條自動生產線從右至左分別為：自動送料，實現泡沫卷材涂覆的全自動送料功能，確保持續為后續工序提供泡沫卷材；自動涂覆，對泡沫卷材實現金屬溶液涂覆，并對涂覆后的卷材進行擠壓和吹干，以便泡沫卷材獲得均勻而有效的金屬涂覆層；第一次自動取樣，對經過涂覆的泡沫卷材進行取樣檢測，以確定卷材的涂覆是否合格，并根據檢查結果實時調整涂覆工位的加工參數；自動烘干，對經過涂覆的合格泡沫卷材進行烘干加工，烘干過程中要注意平衡卷材烘干的效率和質量；第二次自動取樣，對烘干后的泡沫卷材進行再取樣檢測，該工序是對卷材加工的最終質量控制工序，其決定了該自動生產線的產品加工質量；成品收卷，對烘干后的泡沫卷材進行收卷打包，該工序的意義在于利用自動化技術，實現機器換人的目的，從而提升企業的生產效率，降低生產成本[1]。

圖1 全自動卷材涂覆設計布局圖

2.2 泡沫卷材涂覆自動生產線邏輯控制方案

根據卷材涂覆自動生產線邏輯控制原理，設計相應的自動化生產運行邏輯，該自動化生產線的控制過程既能獨立運行，又能實現邏輯互鎖。生產線邏輯控制如圖2所示。

供料與生產系統采用可編程控制器進行邏輯與動作控制[2]，通過涂覆機構實現自動涂覆功能，然后對涂覆產品進行抽樣檢查，在確認合格后，將涂覆后的泡沫卷材送入烘干機構，經過烘干處理后，生產線會對泡沫卷材進行第二次抽樣檢查，確認產品烘干合格后進行收卷處理。

圖2 卷材涂覆自動生產線邏輯控制圖

在全自動泡沫涂覆生產線的控制系統中，難點是收卷直徑會隨著泡沫的收卷而逐漸增大，從而導致生產線運行速度不匹配的問題。為了保證收卷機與前面多道工序恒速聯動，采用實時扭矩模式進行速度匹配。

根據全自動泡沫涂覆生產線的控制原理，其收卷工位的實時扭矩可以用公式表達為：

M=Mo+Mj+Mz

(1)

式中：M為實時轉矩；Mo為空載時機構轉矩；Mj為機構阻尼轉矩；Mz為卷材遞增的慣量轉矩。由式(1)可知，Mo和Mj恒定不變，Mz隨著泡沫卷材的收卷而不斷增加。恒定扭矩Mh可以表達為：

Mh=Mo+Mj

(2)

所以可以將等式(1)轉化為：

M=Mh+Mz

(3)

同時，引入扭矩遞增系數k,根據收卷直徑的變化，Mz的計算公式為：

Mz=Mh×k(D-D0)/(Dmax-D0)

(4)

式中：D為泡沫直徑；D0為空載直徑；Dmax為收卷后最大直徑。

由此可得實時扭矩公式：

M=Mh×[1+k(D-D0)/(Dmax-D0)]

(5)

從式(5)可以確認，收卷機構的實時扭矩M隨著收卷直徑D的變化而實時變化，因此根據其變化關系對控制系統進行相應的編程控制和參數設置。

2.3 泡沫卷材涂覆解決方案的技術參數設計

本方案涉及到多臺自動化設備的全流程聯動，因此要確認相關的技術參數和互鎖條件，以便滿足全自動化生產線的安全高效運行，具體的技術參數如下：泡沫卷材涂覆、烘干及收卷速度為1 200 mm/min；泡沫卷材烘干時間為10 min/次；泡沫卷材浸泡深度為100 mm，榨干擠壓力為100 kg；取樣切割尺寸為200 mm×200 mm；烘干溫度為0～200 ℃可調；收卷電機功率為3 kW，減速機減速比為1∶5，輸出額定扭矩大于40 N·m。

自動生產線具有扭矩檢測與平衡控制功能[3]，可保證收卷機構在收卷直徑不斷遞增的過程中勻速而平衡地完成收卷操作。

3 泡沫卷材加工關鍵工序的結構設計與實現

卷材多工位全自動生產線是集成了多個加工工位和檢測工位的綜合加工設備，在該生產線的加工和檢測過程中，每個加工工位既要滿足本工位的加工和檢測要求，還要與其他相關工位進行聯動控制，并在控制程序上進行功能互鎖和協同控制[4]，這是該自動生產線研制的難點所在。

3.1 自動涂覆機構

自動涂覆機構主要對泡沫卷材進行金屬溶液涂覆、擠壓和吹干等工序。機構如圖3所示。

圖3 自動涂覆機構

機構設計中，通過氣缸驅動機構實現卷材的金屬溶液浸泡，選用臺灣亞德客品牌的SE80SUS304X50-20SFATPUPT增壓氣缸。根據機構的受力要求和設計原理[5]，浸泡壓力F為：

F=F1n1n2=301.5×0.7×0.95=200(kg)

式中：F1為氣缸在輸入氣壓為0.6 MPa時產生的壓力，數值為301.5 kg；n1為氣缸低速運動的負載效率；n2為浸泡機構的傳動效率。

泡沫卷材經過涂覆操作后進入輥壓傳輸機構，該機構的作用是對卷材實現傳輸和擠壓，以保證產品合格率。該機構中傳輸電機選擇的是臺達GΔ1306型伺服電機，其輸出扭矩為5.73 N·m，額定轉速為1 000 r/min，機構的最大傳輸速度V為：

V=2πRVr=2×3.14×50×1 000=314(m/min)

式中：R為傳輸主動輪的設計半徑；Vr為伺服電機的額定轉速。

該機構可以提供的泡沫卷材的傳輸速度為0～314 m/min，其實際的運行速度需要根據涂覆和烘干的實際時間來確定，機構可以做到實時可調。

3.2 自動烘干機構

自動烘干機構是整條卷材自動生產線中的第二個核心加工工位，主要功能是控制泡沫卷材經過涂覆加工后的烘干效果。自動烘干機構不僅可提高卷材產品的加工質量，而且可在很大程度上提升整條自動線的生產效率。該自動烘干機構如圖4所示。

圖4 自動烘干機構

在烘干機構中，需要調整卷材傳輸速度和烘干時間2個設計參數。

1)卷材傳輸速度。

烘干機構選擇的電機是G1309，其輸出的額定扭矩為8.59 N·m，額定轉速為1 000 r/min，機構的最大傳輸速度V為：

V=2πRVr/i=2×3.14×40×1 000/20=12.5(m/min)

式中：i為減速機傳動比。

該機構可以實現泡沫卷材的傳輸速度為0～12.5 m/min，具體的傳輸速度需要匹配前后各工位的加工情況來實時調整。

2)卷材烘干時間。

為了在有限空間增加卷材在烘干設備中的時間，采用了繞柱式傳輸的機構，卷材在烘干設備中的長度可以達到12 m，則其最短烘干時間T為：

T=L/V×60=57.6(s)

式中：L為卷材在設備中的環繞長度。

由此可知,該機構可以實現泡沫卷材在烘干設備中最短為57.6 s的烘干操作，且實際傳輸速度可以通過伺服電機進行實時變速，從而達到最佳的產品烘干效果。

3.3 自動收卷機構

自動收卷機構是泡沫卷材自動化生產線的最后一個加工設備，其主要作用是對已經涂覆和烘干好的卷材進行收卷。該機構如圖5所示。

圖5 自動收卷機構

自動收卷機構中，旋轉機構所承受的扭矩隨著收卷半徑的增加而不斷增大，所以如果以“恒扭矩”作為控制依據，在計算收卷速度時，需要考慮扭矩變化而帶來的速度影響，根據這個影響可以計算出一個恒定數值，即扭矩系數，扭矩系數可以通過實際的測算獲得，從而保證卷材在生產過程中受力均衡，也可以使自動收卷機構更好地匹配整條自動生產線的生產節拍。

該機構為了增大扭矩輸出和消除卷材收卷過程中的慣量對伺服電機的沖擊，在自動收卷機構設計中引入了減速機，從而實現更好的扭矩輸出和機構運動的慣量平衡。

4 結束語

通過對卷材自動化生產線設計方案的分析和研究，可以得出結論，基于現代化技術的全自動生產模式明顯優于傳統加工模式，多工位集成化、流程化的全自動生產線已然成為未來制造業的一種全新加工方式。卷材自動化生產線設計難點在于單工位的穩定性和多工位協調性的平衡，在加工效率上的相互協同、加工質量上的全面控制、系統上的全生產線匹配等都是設計中要解決的關鍵問題。該自動化生產線的成功研制，不僅可以將傳統加工模式下的5人操作加工縮減為1人操作加工，還可以節約大量的物料轉運、物料存儲等輔助工序和時間，極大地提升了企業的生產效率和生產質量，同時也極大地降低了工人的勞動強度和企業的生產成本，具有在行業內普遍推廣的價值和現實意義。