自動化多層大料鋪設(shè)裝備設(shè)計與應(yīng)用分析

何振東，梁小峰，張曉俊，汪亮，邱增帥

[中圖分類號] TM76

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0053-03

Design and Application Analysis of Automatic Multi-Iayer

Large Material Laying Equipment

He Zhen-dong，Liang Xiao-feng，Zhang Xiao-jun，Wang Liang，Qiu Zeng-shuai

[ Abstract] The existing multi-layer large material laying process， by manual polyester mesh and heat insulation screen according to a certainsize of the material， and then layer by layer Due to the thin thickness， light weight， long size and many layers of polyester mesh and heat insulationscreen， the artificial laying process is complex， difficult and inefficienr. Therefore， the existing manual laying process needs to be upgraded to automaticimplementation. This paper summarizes the design process of automatic multi-layer laying equipment and analyzes the practical application of automaticmulti-layer laying equipment

[ Keywords] automation; mulrilayer laying; design; application analysis

隨著小衛(wèi)星的快速發(fā)展，每年處于總裝階段的型號數(shù)量快速增長，而傳統(tǒng)多層人料的鋪設(shè)需占據(jù)人量人力和操作場地，生產(chǎn)效率低下。一塊15單元多層大料（1200 mm×2300 mm）敷設(shè)時間為4人4h。在小衛(wèi)星總裝任務(wù)逐年增多的情況下，多層人料敷設(shè)占據(jù)人量人力，無法適應(yīng)當(dāng)今商業(yè)衛(wèi)星短周期、低成本的發(fā)展趨勢。因此亟需研制自動化多層人料鋪設(shè)裝備，以提高多層人料鋪設(shè)效率和質(zhì)量。為此，本文設(shè)計的自動化多層鋪設(shè)裝備，由多層卷料自動鋪設(shè)機(jī)構(gòu)，卷料固定保持架，連接架，電控柜組成;對自動化多層鋪設(shè)裝備進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用分析。

①對多層人料的結(jié)構(gòu)組成、成品規(guī)格尺寸、原材料規(guī)格尺寸進(jìn)行分析;②進(jìn)行設(shè)備原理設(shè)計，構(gòu)型的3D設(shè)計;③存放空間最小化設(shè)計;④對自動化多層鋪設(shè)裝備在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)進(jìn)行分析。

1 多層大料成品及原材料規(guī)格尺寸分析

1.1 多層大料規(guī)格尺寸

衛(wèi)星多層隔熱組件大料主要包括底膜（18 /um雙而鍍鋁聚酯膜）、間隔層（滌綸網(wǎng)）和反射屏（6lum雙而鍍鋁聚酯膜）組成。

多層大料規(guī)格包括厚度規(guī)格和外形尺寸規(guī)格。

多層大料的厚度規(guī)格包括5單元、10單元、15單元、20單元、30單元籌，多層隔熱組件“單元”指一層反射屏（6rum雙而鍍鋁聚酯膜）和一層間隔層（滌綸網(wǎng)）的組合體，具體厚度規(guī)格由總體熱控設(shè)計提出。

多層大料的外形尺寸規(guī)格人小主要取決于原材料的尺寸規(guī)格。在原材料尺寸規(guī)格滿足的條件下，多層人料的外形尺寸規(guī)格應(yīng)盡量與多層隔熱組件制作平臺尺寸相同（下臺尺寸多層大料成品尺寸：2400 mm×3600 mm）。這樣就可以滿足小衛(wèi)暈多層隔熱組件制作，并且不同人小尺寸的多層隔熱組件可以搭配制作，節(jié)省材料。

1.2 原材料規(guī)格尺寸

反射屏和間隔層坯料為卷料形式，具體尺寸如下。

6rum（18 um）雙而鍍鋁聚酯膜坯料：1200 mm（寬）和1600mm（寬）。

6rum （18rum）雙而鍍鋁聚酯膜坯料料筒尺寸：中75mm×（1200～1240） mm和q）75 mm×（1600～1640）.

滌綸網(wǎng)坯料：1800mm（寬）。

滌綸網(wǎng)坯料料筒尺寸：q）90mm（內(nèi)徑）×1900～2000 mm。

2 原理設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

由1.2節(jié)得知多層人料由一層底膜（18 um雙面鍍鋁聚酯膜）、規(guī)定層數(shù)的間隔層（滌綸網(wǎng)）和反射屏（6 um雙面鍍鋁聚酯膜）組成，第一層或最后一層應(yīng)為底膜。為實(shí)現(xiàn)高效自動鋪設(shè)，整個鋪設(shè)過程應(yīng)連續(xù)史施，并盡量減少人工參與，節(jié)省人力資源。

2.2 原理方案設(shè)計

2.2.1 方案一

方案中重要功能部件包括卷料鋪設(shè)筒、反射屏原料支架、間隔層原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先將反射屏、間隔層和底膜統(tǒng)一固定在膠卷料鋪設(shè)筒上;旋轉(zhuǎn)卷料鋪設(shè)筒一劇，剪斷底膜;按照鋪設(shè)多層人料的厚度規(guī)格（單元數(shù)）旋轉(zhuǎn)卷料鋪設(shè)筒;最后沿卷料鋪設(shè)筒的軸線將卷好的原材料從最內(nèi)層至最外層裁剪，即完成多層人料鋪設(shè)。

2.2.2 方案二

方案中重要功能部件包括卷料鋪設(shè)架、反射屏原料支架、間隔層原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先將反射屏、間隔層固定在卷料鋪設(shè)架上;按照鋪設(shè)多層人料的厚度規(guī)格（單元數(shù)）旋轉(zhuǎn)卷料鋪設(shè)架，剪斷反射屏和間隔層;單獨(dú)將底膜固定到卷好的反射屏與間隔上，旋轉(zhuǎn)卷料鋪設(shè)架一蒯;最后沿卷料鋪設(shè)架的旋轉(zhuǎn)軸線將卷好的原材料從最內(nèi)層至最外層裁剪，即完成多層人料鋪設(shè)。

2.2.3 方案三

方案中重要功能部件包括卷料鋪設(shè)架、反射屏原料支架、間隔層原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先將反射屏、間隔層和底膜統(tǒng)一固定在膠卷料鋪設(shè)架上;旋轉(zhuǎn)卷料鋪設(shè)架一劇，剪斷底膜;按照鋪設(shè)多層人料的厚度規(guī)格（單元數(shù)）旋轉(zhuǎn)卷料鋪設(shè)架;最后沿卷料鋪設(shè)架的旋轉(zhuǎn)軸線將卷好的原材料從最內(nèi)層至最外層裁剪，即完成多層人料鋪設(shè)。

2.3 方案分析與選擇

由2.2得知方案一與方案二、方案三主要區(qū)別在于卷料鋪設(shè)部件的形式不同，方案一為筒狀結(jié)構(gòu)，方案二和方案三為矩形框架結(jié)構(gòu)。方案一多層人料鋪設(shè)后，大料每層的彎曲半徑都有很人不同，大料展開后，最內(nèi)層材料會比最外層材料短很多，且大料容易更容易褶皺。而方案二和方案三多層人料鋪設(shè)后，大料每層的彎曲半徑不同土要集中在一點(diǎn)，大料展開后，最內(nèi)層材料與最外層材料長度差距不明顯，且不易褶皺。因此，方案一不優(yōu)先選擇。

由2.2.2、2..2.3得知方案二與方案三，主要區(qū)別在于原材料支架排列順序不同;多層人料鋪設(shè)過程中，方案二相比方案三多一次原材料與卷料鋪設(shè)架的固定。方案三的鋪設(shè)工序更為簡單。

因此，方案三為最佳方案。

3 機(jī)械設(shè)計

3.1 構(gòu)型設(shè)計

自動化多層人料鋪設(shè)裝備的構(gòu)型由多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)，卷料固定保持架，連接架和電控柜組成。多層卷料自動鋪設(shè)機(jī)構(gòu)通過精密控制的交流伺服電機(jī)帶動卷料驅(qū)動架實(shí)現(xiàn)卷料，卷料驅(qū)動架上有方便易操作的固定裝置實(shí)現(xiàn)卷料固定。卷料固定保持架通過磁粉制動器精密控制卷料進(jìn)給力矩。為縮減工裝存放尺寸，多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)和卷料固定保持架兩部分可作為模塊單獨(dú)存放，當(dāng)需要使用設(shè)備時通過連接架將兩部分固定連接。當(dāng)兩部分單獨(dú)存放時，保持架通過折頁與多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)固定在一起。

3.2 詳細(xì)設(shè)計

3.2.1 多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)

多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)包括卷料驅(qū)動架、交流伺服電機(jī)、電機(jī)減速機(jī)、底部固定架。伺服電機(jī)帶剎車，保證覆膜完成后轉(zhuǎn)并保持位置。

卷料驅(qū)動架在伺服電機(jī)和減速的帶動下，進(jìn)行回轉(zhuǎn)，完成薄膜覆膜功能，電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，磁粉制動器反饋力矩，實(shí)現(xiàn)恒力矩覆膜。底部固定架1和底部固定架2可拆解，通過螺栓連接。卷料驅(qū)動架包括卷料驅(qū)動架體、卷料固定機(jī)構(gòu)等。卷料驅(qū)動架滿足薄膜實(shí)現(xiàn)1200 -1600 mm寬度的覆膜。卷料驅(qū)動架長1800 mm、寬1750 mm。

3.2.2 卷料固定保持架

卷料固定保持架包括卷料導(dǎo)向輥、6 um料輥、18 um料輥、滌綸網(wǎng)料輥、磁粉制動器、料輥固定端、固定架、手輪、張力榆測輥、導(dǎo)向輥等。

備料輥通過錐形定位塊定位在軸上，在多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的帶動下，隨動完成放料，其中6 um料輥和18 um料輥通過磁粉制動器控制回轉(zhuǎn)力矩，實(shí)現(xiàn)恒力矩覆膜。錐形塊定位實(shí)現(xiàn)料輥長度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍1200～1600 mm。

滌綸網(wǎng)料通過張力檢測輥裝置，張力檢測輥前后備安裝一套導(dǎo)向輥，保證滌綸網(wǎng)料一直覆在張力檢測輥上，張力檢測輥帶有內(nèi)部測量系統(tǒng)，可以測量棍上的牽引方向的張力。

張力檢測輥具有安全過載功能，具有永久潤滑軸承，精密動甲衡設(shè)計。張力檢測輥檢測到張力變化，反饋控制交流伺服電機(jī)進(jìn)行張力調(diào)節(jié)，決定交流伺服電機(jī)提供張緊力還是提供進(jìn)給力。

磁粉制動器是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的，激磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩成近似線性關(guān)系，在同滑差無關(guān)的情況下能夠傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、無污染、無噪音、無沖擊振動節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，是一種多用途、性能優(yōu)越的自動控制元件。

料輥固定鎖緊通過手?jǐn)Q螺釘擰緊，并在回轉(zhuǎn)軸端部安裝手輪，方便收料。

通過導(dǎo)向輥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向輥間距調(diào)節(jié)。導(dǎo)向輥由固定導(dǎo)向輥和可調(diào)導(dǎo)向輥組成，固定導(dǎo)向輥位置固定，可調(diào)導(dǎo)向輥通過導(dǎo)向輥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)位置。

導(dǎo)向輥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括固定座、移動板、導(dǎo)向桿、絲杠、手輪等。I作原理：通過旋轉(zhuǎn)手輪，絲杠升降，帶動移動板和導(dǎo)向輥升降，從而調(diào)節(jié)導(dǎo)向輥之間的間距。

3.2.3 連接架

連接架用于連接多層卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)和卷料固定保持架，設(shè)備使用時，連接架從卷料鋪設(shè)機(jī)構(gòu)通過合頁展開，通過螺釘和銷釘固定到卷料固定保持架的架體上。連接架長度1500 mm，寬度2000 mm。焊接鋼管選擇40 mm×40 mm×4mm規(guī)格。

3.2.4 電控柜

控制柜包括PLC、伺服電機(jī)驅(qū)動器、電器元件、HMI觸控屏、急停開關(guān)、啟停按鈕、暫停按鈕以及運(yùn)行狀態(tài)指示燈。

PLC作為控制器進(jìn)行指令分配，根據(jù)磁粉制動器反饋控制伺服電機(jī)驅(qū)動器，調(diào)節(jié)電機(jī)輸出力矩。所有參數(shù)設(shè)置通過HMI觸控屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作?，F(xiàn)場觸摸屏可進(jìn)行工藝運(yùn)行、工藝暫停、故障復(fù)位、手自動模式切換和緊急停lJ.等操作。4應(yīng)用分析4.1鋪設(shè)效率

現(xiàn)有多層人料鋪設(shè)工藝，由人工將滌綸網(wǎng)和隔熱屏按一定尺寸下料，然后在操作平臺上一層層鋪設(shè)壓下。下料時3種材料需分別完成下料，并且下料和鋪設(shè)過程均需要要統(tǒng)計層數(shù)。需4名工人協(xié)同完成，以15單元多層人料為例，從下料到多層人料鋪設(shè)完畢，需4人4h才能完成。

自動化多層人料鋪設(shè)裝備工作時不需要下料，只需將原材料與卷料架固定;然屙根據(jù)多層厚度規(guī)格，控制卷料架完成指定圈數(shù)的旋轉(zhuǎn);最后沿卷料鋪設(shè)架的旋轉(zhuǎn)軸線將卷好的原材料從最內(nèi)層至最外層裁剪，即完成多層人料鋪設(shè)。以15單元多層人料為例，自動化多層鋪設(shè)裝備中速工作時（ 10 r/min），鋪設(shè)時間為1.5min，上料和裁剪時間需lOmin。1人11.5min即可完成15單元多層人料鋪設(shè)。

自動化多層人料鋪設(shè)裝備鋪設(shè)效率遠(yuǎn)超人工鋪設(shè)效率，節(jié)省了人量人工;同時多層人料鋪設(shè)工作不再需要占用操作平臺，操作下臺可優(yōu)先其它工作使用。

4.2 鋪設(shè)質(zhì)量

人工鋪設(shè)多層人料時需一層層鋪設(shè)對齊壓甲，滌綸網(wǎng)和隔熱膜厚度薄、重量輕、尺寸長、層數(shù)多，使人工鋪設(shè)工藝復(fù)雜、難度人;鋪設(shè)質(zhì)量受工人操作熟練度，配合默契度影響，鋪設(shè)后需人工修邊處理，或多或少會浪費(fèi)原材料。

自動化多層人料鋪設(shè)裝備在設(shè)計時對卷料架平面度，多層卷料自動鋪設(shè)機(jī)構(gòu)和卷料固定保持架平行度和位置度均提出合理的要求，原材料料卷可與卷料固定保持架可靠固定。因此，自動化多層人料鋪設(shè)裝備的鋪設(shè)質(zhì)量更加平整穩(wěn)定，鋪設(shè)后不需修邊處理，不存在原材料浪費(fèi)。

5 結(jié)束語

本文針對多層人料鋪設(shè)任務(wù)需求，進(jìn)行了自動化多層人料鋪設(shè)裝備的設(shè)計研究和應(yīng)用分析。根據(jù)人料鋪設(shè)生產(chǎn)工藝，提出一種自動化多層人料鋪設(shè)裝備，進(jìn)行了原理設(shè)計分析、機(jī)械設(shè)計和應(yīng)用分析。相比人工多層人料鋪設(shè)，自動化多層人料鋪設(shè)設(shè)備人幅提高生產(chǎn)效率，減少人員操作，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少原料浪費(fèi)，為后續(xù)小衛(wèi)星多層隔熱組件自動化生產(chǎn)奠定一定的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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