全自動(dòng)防毒面具過(guò)濾器生產(chǎn)線及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

諶建國(guó)

（中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052）

防毒面具屬于人員勞動(dòng)保護(hù)用品，一般應(yīng)用于防化部隊(duì)或其他從事石油、化工、礦山、冶金、消防、搶險(xiǎn)救災(zāi)以及衛(wèi)生防疫等人員的個(gè)人保護(hù)。它佩戴在頭上，保護(hù)人的呼吸器官、眼睛和面部，可以防止毒氣、粉塵、細(xì)菌及其他有毒有害物質(zhì)進(jìn)入人體。

高效空氣過(guò)濾器是防毒面具中的關(guān)鍵部件，是在塑料外殼里面裝入一枚氣溶膠過(guò)濾芯元件，并通過(guò)注膠密封而達(dá)到防止有毒有害物質(zhì)通過(guò)，同時(shí)最大限度地不妨礙人的呼吸。

1 防毒面具生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

目前，我國(guó)防毒面具裝配自動(dòng)化水平落后，整個(gè)行業(yè)還沒(méi)有防毒面具自動(dòng)化裝配的技術(shù)和設(shè)備。現(xiàn)階段各廠家均由人工進(jìn)行總裝，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、裝配效率性低、質(zhì)量一致性差異較大等一系列問(wèn)題。面具自動(dòng)化裝配是本行業(yè)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，亟待解決[1]。

就國(guó)際而言，情況大體相當(dāng)。以主要元件中的呼吸過(guò)濾器為例，目前國(guó)外生產(chǎn)廠也基本采用的是單臺(tái)設(shè)備配合手工生產(chǎn)方式。其中，切割、裝配、封膠以及測(cè)試檢驗(yàn)等多為獨(dú)立工作設(shè)備，同時(shí)多采用人工上下料。

由于設(shè)備獨(dú)立分散，造成工藝流程復(fù)雜，物料流耗費(fèi)的人力較多。有些設(shè)備由于切割工藝存在生產(chǎn)環(huán)境惡劣、配套烘干增加耗能成本等問(wèn)題，且產(chǎn)品成品率低，設(shè)備維護(hù)困難。此外，人工操作也導(dǎo)致了產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)對(duì)人員或設(shè)備的追溯困難等。

2 全自動(dòng)生產(chǎn)線的主要設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)主要針對(duì)一條年產(chǎn)1 000萬(wàn)只的呼吸過(guò)濾器的生產(chǎn)線要求，將生產(chǎn)中的所有相關(guān)設(shè)備以EtherNet IP環(huán)網(wǎng)總線統(tǒng)一到一起。控制設(shè)計(jì)的原則是通過(guò)運(yùn)用最新的控制系統(tǒng)，最大程度地提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，以期在產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、系統(tǒng)維護(hù)以及質(zhì)量追溯等方面和現(xiàn)代數(shù)字化生產(chǎn)水平相適應(yīng)。

3 生產(chǎn)線工藝及主要設(shè)備簡(jiǎn)介

生產(chǎn)線總體工藝包括濾紙切割、濾芯裝盒、注膠烘干、氣密性檢測(cè)及打碼包裝等，如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)線工藝流程示意圖

線中的工藝設(shè)備主要有精密刀具切割臺(tái)設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)多工位旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、SCARA上下料機(jī)器人[2]、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、雙組份注膠系統(tǒng)以及激光飛行打碼系統(tǒng)等。

3.1 切割部簡(jiǎn)介

切割系統(tǒng)完成原料紙的切割主要包括原料給料、輸送及固定、切割、清掃等過(guò)程。系統(tǒng)采用多類(lèi)不同的伺服電機(jī)及電缸協(xié)同進(jìn)行控制，如圖2所示[3]。

圖2 切割伺服系統(tǒng)

本切割系統(tǒng)位置精度和穩(wěn)定性要求較高，需要在高速運(yùn)行的情況下保持足夠的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性，否則極易損壞刀具。

3.2 裝配工藝及控制

裝配部是將切割完成的濾芯工件裝入塑料盒，并在裝盒過(guò)程中檢測(cè)前道工序和本道工序的加工質(zhì)量。

檢測(cè)過(guò)程包括2次光學(xué)檢測(cè)和1次測(cè)距判斷。PLC負(fù)責(zé)對(duì)3次檢測(cè)的合格情況進(jìn)行分類(lèi)。裝配不合格的工件將由下料機(jī)器人自動(dòng)放入復(fù)檢儲(chǔ)料容器等待人工處理。合格的工件則由輸送線送至下道注膠工段。

3.3 注膠工藝及控制

注膠部采用多工位旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)工件加注密封膠進(jìn)行烘干處理。注膠的過(guò)程中，采用變頻器控制工件高速旋轉(zhuǎn)。烘干過(guò)程采用Leister LHS空氣加熱器對(duì)烘箱溫度進(jìn)行加熱。

3.4 測(cè)試工工藝及控制

測(cè)試工段完成對(duì)注膠后的工件進(jìn)行在線合格性測(cè)試，包括氣體測(cè)試和外觀測(cè)試。控制系統(tǒng)PLC通過(guò)RS232通信采集測(cè)試儀數(shù)據(jù)并進(jìn)行分類(lèi)及統(tǒng)計(jì)，根據(jù)采集的結(jié)果將氣體測(cè)試或外觀檢測(cè)的不合格產(chǎn)品分類(lèi)輸送到不同的收集容器，以備操作人員處理。

3.5 包裝工段

包裝工段包括打碼、裝說(shuō)明書(shū)及包裝程序，過(guò)程自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人為干預(yù)。激光打碼采用飛行打碼模式將序列號(hào)及對(duì)應(yīng)測(cè)試儀的信息打印到工件外殼上。打碼段輸送線能夠儲(chǔ)存最多50個(gè)工件。PLC通過(guò)先進(jìn)先出隊(duì)列處理工件和信息的對(duì)應(yīng)。

4 控制系統(tǒng)組成及主要特點(diǎn)簡(jiǎn)介

4.1 控制系統(tǒng)主要組成

一個(gè)主站PLC負(fù)責(zé)總體控制；5個(gè)遠(yuǎn)程站分別負(fù)責(zé)5個(gè)工段的信息處理；17臺(tái)變頻器用于輸送設(shè)備的控制；9臺(tái)羅克韋爾Kinetix 5700伺服電機(jī)和9臺(tái)伺服電缸負(fù)責(zé)主要工段切割部分的控制；4臺(tái)PANELVIEW PLUS7工業(yè)觸摸屏用于運(yùn)行中的人機(jī)交互。系統(tǒng)的總體配置如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)配置示意圖

PLC系統(tǒng)采用羅克韋爾Controllogix可編程控制器，由一個(gè)1756 L71主站和5個(gè)1734遠(yuǎn)程站組成環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)[4]。系統(tǒng)按工作站的布置將各環(huán)節(jié)中的變頻器、伺服系統(tǒng)及觸摸屏等控制設(shè)備接入環(huán)網(wǎng)。主PLC采用一臺(tái)Controllogix系列1756-L71 CPU，通過(guò)TCP橋接模塊1756-EN3TR實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)接入。遠(yuǎn)程IO站采用1734-AENTR模塊，負(fù)責(zé)把有關(guān)子站中的控制設(shè)備及IO點(diǎn)數(shù)據(jù)接入總線。變頻器為羅克韋爾PowerFlex 525系列，通過(guò)E2P環(huán)網(wǎng)模塊進(jìn)行總線連接。主要伺服電機(jī)采用羅克韋爾Kinetix 5700系列[5]。

4.2 切割控制中的關(guān)鍵點(diǎn)

由于切割系統(tǒng)的刀具特點(diǎn)，在選擇切割控制系統(tǒng)時(shí)，首先要保證控制精度。本切割裝置主要采用9臺(tái)Kinetix 5700中慣量伺服電機(jī)。此電機(jī)的編碼器為21 bit多圈絕對(duì)位置編碼器。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)，刀頭升降的引動(dòng)器導(dǎo)程為10 mm直接傳動(dòng)；刀頭平移的齒輪齒條的綜合導(dǎo)程為30.668 27。因此，設(shè)計(jì)的刀頭升降和平移的最小控制分辨率分別為0.000 004 76 mm·rev-1和0.000 014 6 mm·rev-1，足以滿足定位要求。

此外，要控制調(diào)試時(shí)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)精確和速度要求高，應(yīng)該嚴(yán)格避免伺服電機(jī)出現(xiàn)震動(dòng)。這需要在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)對(duì)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確整定。在此采用Kinetix系統(tǒng)自帶的“Out-of-Box”加自適應(yīng)調(diào)諧方案。自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能始終監(jiān)視負(fù)載的變化和電機(jī)側(cè)共振情況，并根據(jù)變化情況實(shí)時(shí)調(diào)整扭矩環(huán)路的各濾波器參數(shù)及環(huán)路增益，以達(dá)到抑制諧振的目的。

“Out-of-Box”在電機(jī)軸的創(chuàng)建工程中，標(biāo)量化計(jì)算出速度和位置閉環(huán)回路的帶寬。它的計(jì)算過(guò)程如下。

先通過(guò)GSV指令獲得相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的扭矩回路綜合時(shí)間常數(shù)DMTC，如圖4所示[6]。

圖4 讀取扭矩環(huán)時(shí)間常數(shù)

其次，計(jì)算扭矩環(huán)帶寬TBW：

式中，t為綜合時(shí)間常數(shù)。

最后，按順序分別確定系統(tǒng)速度回路和位置回路的參數(shù)，包括速度環(huán)帶寬Kvp、位置環(huán)帶寬Kpp、速度環(huán)積分帶寬Kvi和位置環(huán)積分帶寬Kpi。調(diào)諧時(shí)的環(huán)路增益關(guān)系，如圖5所示。其中，阻尼比z如無(wú)特殊情況，選擇1[7]。

圖5 調(diào)諧時(shí)的環(huán)路增益關(guān)系

4.3 工件檢測(cè)及分揀控制中的關(guān)鍵點(diǎn)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵算法在于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上不同工位不同檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)果和下料分揀之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的處理。以測(cè)試臺(tái)為例，工作臺(tái)上共有8個(gè)工位，每個(gè)工位的檢測(cè)工件有6個(gè)，機(jī)器人上下料為兩個(gè)一組進(jìn)行操作。6臺(tái)測(cè)試儀又分布在4個(gè)不同的工位完成測(cè)試。如圖6所示，機(jī)器人上件為工位1，機(jī)器人在工位1按12、34、56的順序上件；工位2測(cè)試35號(hào)工件；工位3測(cè)試24號(hào)工件；工位4測(cè)試1號(hào)工件；5號(hào)工件測(cè)試6號(hào)工件；工位6依次對(duì)14、25、36號(hào)工件進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。這樣排列的目的主要是遷就工藝設(shè)備的布置要求。

圖6 測(cè)試臺(tái)工作原理圖

程序中考慮設(shè)置一個(gè)循環(huán)移位的數(shù)組，工作時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)的節(jié)拍信號(hào)控制數(shù)組的循環(huán)移位操作，使工件在每個(gè)工位測(cè)試的結(jié)果數(shù)據(jù)跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)而移動(dòng)。當(dāng)移到工位7即下件工位時(shí)，下件程序根據(jù)本工位的數(shù)據(jù)決定機(jī)器人將工件放入不同的目標(biāo)位置。

以下是工位上第一個(gè)工件信息跟隨轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)的程序，其他工位過(guò)程相同：

工件參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。

圖7 工位數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖8 工件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

上件機(jī)器人上件完成時(shí)，標(biāo)記工件標(biāo)志，即：

測(cè)試工位完成測(cè)試時(shí)，對(duì)工件測(cè)試結(jié)果位作標(biāo)記，如圖9所示。

圖9 工件測(cè)試結(jié)果標(biāo)記

下件機(jī)器人下件時(shí)，根據(jù)工件測(cè)試結(jié)果將工件放至不同的位置，具體如表1所示。

表1 工件下件位置表

合格工件在進(jìn)入包裝線的同時(shí)，系統(tǒng)維持一個(gè)50個(gè)工位儲(chǔ)存位的產(chǎn)品信息隊(duì)列。當(dāng)工件經(jīng)過(guò)激光打碼工位時(shí)，以先進(jìn)先出的方式將對(duì)應(yīng)的信息加注到打碼信息中。這樣就可以通過(guò)產(chǎn)品的序列碼追溯相關(guān)的測(cè)試設(shè)備等。

4.4 烘箱的溫度控制及功率計(jì)算

基于節(jié)能及現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，本系統(tǒng)對(duì)烘箱的加熱功率有嚴(yán)格的限制。設(shè)計(jì)中選擇加熱器時(shí)，基于風(fēng)量及溫差的功率計(jì)算公式為：

式中：1/60 000為單位換算因子；現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境最低溫度Ta=10 ℃，工件加熱的最高溫度Tm=90 ℃，有ΔT=Tm-Ta=80 ℃；計(jì)算風(fēng) 量V=2 400 L·min-1；空 氣比熱容C空氣=1.005 kJ·（kg·K）-1；空氣密度δ空氣=1.204 kg·m-3。所以，可得計(jì)算功率為：

P=1.005÷60 000×2 40×1.204×(90-10)=3.87 kW（3）

控制設(shè)備選擇時(shí)，最大允許功率按15 kW進(jìn)行配置。從實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，實(shí)際功率約在3 kW左右，完全符合現(xiàn)場(chǎng)條件許可。

5 結(jié)語(yǔ)

本生產(chǎn)線設(shè)計(jì)采用全自動(dòng)生產(chǎn)方式，設(shè)計(jì)操作人員3人，正常情況下主要負(fù)責(zé)原配料的準(zhǔn)備工作。

本生產(chǎn)線為甲方根據(jù)自身原有生產(chǎn)線產(chǎn)品產(chǎn)量不足而進(jìn)行生產(chǎn)線更新?lián)Q代的要求訂制。新的生產(chǎn)線不僅大幅提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效能，而且使生產(chǎn)及管理具備了較好的自動(dòng)檢測(cè)、分揀和質(zhì)量追溯能力。