一種新型金屬管材端部加工設備的設計與實現

彭一航， 陳開源， 羅庚興， 楊元凱

（佛山職業技術學院機電工程學院， 廣東佛山 528137）

0 引言

本文以金屬管材中的不銹鋼管 （方形管和圓管）為例，針對某企業不銹鋼管端部加工狀況，改變傳統的人工或半自動生產模式， 進行全自動化生產設備的研發與設計。 作為不銹鋼管包裝生產線的第一道生產工序-端口加工，仍然采用人工/半自動化加工模式，不能滿足包裝生產線高包裝效率的需求[1-3]。 本文研究的新型端部快速加工設備，預計能實現以60～100 條/min 的速度進行端部加工的技術指標。 融合自動化控制技術，整條生產線只需安排1 人便可完成全部操作，大大降低用工成本，滿足不銹鋼管包裝生產線高包裝效率的產品供應要求， 具有一定的前瞻性和實際應用推廣價值。

1 金屬管材端部加工設備基本構成

本文研發的一種金屬管材（以方形管和圓管為例）端部加工設備， 主要包括自動上料平臺、 端口打磨機構平臺、滑落平臺、整形機構平臺、頂起機構和產品輸出平臺六部分，如圖1 所示為該設備總體裝配示意圖。

圖1 金屬管材端部加工設備裝配圖

主要工作流程：將切割成指定規格尺寸的不銹鋼管，經自動上料平臺排齊并輸送至端口打磨機構平臺中。 端口打磨機構平臺壓緊輸送產品；在輸送過程中，完成管材兩端端口的打磨工作； 打磨后產品依靠自身慣性滑落至具有一定斜度的滑落平臺中，經兩端氣缸拍齊，并在助推機構的作用下， 沿具有一定弧度的導向板依次落入整形機構平臺中的儲料架槽中；儲料架設有10 個槽位，待第1儲料架槽落滿產品，兩端整形裝置開始對端口進行整形，整形完成后，設置的抬起氣缸將槽外首個接觸產品抬起；伺服電機驅動儲料架向前移動一個槽位，抬起氣缸收縮，產品依次落入第2 個槽位，然后按照滑落、整形、抬起和移動動作，完成循環裝料和整形動作；儲料架槽裝滿成品后，移至輸出工作區域；首先通過底端的頂起機構將儲料架槽內的產品全部頂出至導向架槽中， 兩端的伺服托起裝置推動托起機構上行并將托板推出托起產品，此時，頂起機構氣缸縮回，儲料架返回整形工作區繼續進行整形；此時，產品輸出平臺兩端的夾緊機構動作，夾緊3～4 層產品，上行脫離導向槽，在輸送帶的帶動下輸送至下一傳送帶，最終將產品輸送至包裝流水線。夾緊機構回到初始位置，伺服托起裝置將產品向上托起一定距離，等待再次夾緊輸出，從而保證設備的整個加工過程有序進行。

2 關鍵組成機構運行分析

2.1 自動上料和端口打磨機構平臺運行分析

自動上料平臺主要由機架，SC 系列氣缸、同步輪、減速電機、擋板等零件組成，如圖2 所示。 作用是將已切割好的產品經拍齊后輸送至打磨區域。 整個過程傳送帶傳送速度不易過快，防止產品堆積，為保證有足夠的數量供應，自動上料平臺可加長。

圖2 自動上料平臺

端口打磨機構平臺主要由機架、氣缸、傳送帶、同步輪、減速機和打磨電機等零部件組成，如圖3 所示；作用是產品經上下傳送帶共同壓緊進行運輸， 在產品傳送過程中，通過兩端設置的4 個電機完成端口的打磨工作。由于管材寬度尺寸較小， 為保證能平穩從上料傳送帶輸送至端口打磨機構，過度處同軸連接。

圖3 端口打磨機構平臺

2.2 滑落平臺和整形機構運行分析

滑落平臺結構主要由助推機構、拍齊機構、防傾斜導向槽等結構零部件組成，如圖4 所示。為防止打磨后的產品經滑落平臺時雜亂無序， 需將滑板靠近打磨平臺下傳送帶的一端加工成錐形； 助推機構可在產品表面施加一推動力，使產品滑落至儲料架槽內；對于矩形管材產品，在脫離滑臺時會產生一傾斜角度，為下一產品提供空間，容易造成產品的相互卡死狀態， 此時將導向板彎曲成合適弧度， 與在滑板一端焊接相近弧度的導向板組成導向槽，管材尺寸不同，具有弧度的導向板與滑板距離不同，因此將導向板加工成可調節模式，方便進行調試時，根據實際情況進行調節[4-5]。

圖4 滑落平臺組裝圖

整形機構平臺主要由整形裝置、輔助壓緊機構和移動儲料架三部分組成。其中如圖5 為整形裝置， 圖6 為整形裝置中的抬起機構。

圖5 整形裝置

圖6 抬起機構

產品經滑落平臺依次落入儲料架槽位內，兩端的輔助壓緊機構動作，在儲料架槽中將產品的一側壓緊，防止產品在整形時移動；整形沖頭數量與單儲料架槽產品數量等同， 為方便整形沖頭進入管材端口，整形頭端設計成錐形；為防止沖頭縮回時帶動產品移動，設計一導向板，并加工一矩形條形孔，孔寬設計成略大于沖頭厚度和小于產品寬度。同時，導向板可為抬起機構提供安裝固定位置。 鑒于產品的兩端加工相同的構特點，本文研究的整形機構運行平臺設置在設備兩側。

2.3 產品輸出機構平臺運行分析

產品輸出平臺主要由伺服托起裝置、 導向架和夾緊輸送裝置三部分組成，如圖7 所示。其中圖7（a）為夾緊輸送裝置，圖7（b）為伺服托起裝置。 伺服托起裝置由伺服電機、齒輪齒條、氣缸和托板等零部件組成，完成托板的上下定距移動和水平推出縮回動作。 鑒于導向架工作時導向管不能出現彎曲的要求，結構上采用分段組裝，組裝方式上采用短管點焊固定和長管螺紋固定相結合的形式。 夾緊輸送裝置主要由同步輪、同步帶、異步電機和夾板等零部件組成，完成產品的夾緊輸出。

①氣缸壓緊板1 ②TN 系列夾緊氣缸 ③導柱 ④固定架 ⑤SC 系列氣缸 ⑥夾緊板 ⑦托板 ⑧托板支撐架 ⑨夾緊氣缸板2 ⑩托起氣缸 ?伺服電機減速器 ?齒輪齒條副 ?滑軌副

圖7 產品輸出平臺組成部分及結構裝配圖

3 主要技術參數分析

3.1 滑落平臺的參數設計

端口打磨后的產品能否順利在滑落平臺表面下滑且不造成堆積現象，是決定本設備能否調試成功的關鍵技術參數之一。 根據該機構運行分析， 結合加工產品的規格尺寸設計滑臺放置的傾斜角度θ， 設計的原則是保證單個產品能克服摩擦力進行下滑， 而物體在斜面上下滑的條件是最大靜摩擦力小于物體的重力沿斜面方向的分力，即滿足：

式中：m—單個金屬管材質量； g—重力加速度。

滑臺放置傾斜角度影響方管的滑落速度 （對圓形管材影響較小），導向槽中開口寬度L 的大小決定產品在滑落時是否出現堆積或產品翻轉的現象，如圖8 所示。以端部截面尺寸為18×8mm 為例，取

圖8 滑落平臺導向槽部分示意圖

L=8+（1～2）mm（2）

3.2 導向架固定方式和尺寸的確定

導向架在本文研發設備中的作用是對已加工產品定距抬起過程的導向作用， 考慮產品輸出平臺對導向架垂直度要求的嚴格性， 導向架采用點焊和螺釘固定的方式進行組裝，如圖9 所示。同樣以端部截面尺寸為18×8mm，長度為650mm 的方管為例，導向架槽之間的寬度為：

圖9 導向架平面示意圖

為保證導向架的剛度需求，架槽之間的寬度取：

根據設計任務要求，每次需夾緊輸送3～4 層產品，則導向架設計時一方面需使L1小于產品長度，一般取：

另一方面高度h 等于（3～4）個產品高度加上一定余量，即高度為：

4 設備的制造和調試

為驗證設備的可行性， 經加工制造的端口加工設備實物圖，如圖10 所示。若完成設備的調試工作，需設計出一套完善的控制系統： 控制單元模塊選用西門子CPU314C-2PN/DP 作為控制器， 人機界面選用西門子TP177B 系列觸摸屏，用于動態地顯示PLC、PC 機上數據信息，并滿足能夠實現與大多數的PLC 的通信，PLC 與遠程IO、 觸摸屏等采用的是工業以太網通信協議或PROFIBUS DP 通信，最終通過控制伺服驅動器、氣缸電磁閥和異步電機等執行器實現機構動作的執行[6-8]。 程序功能上設計內容包括系統啟動、故障報警、動作復位、緊急停止、各裝置或機構單元手自動控制等。經調試后的設備能夠按照要求完成上料、端口打磨、整形和輸出動作。生產實踐表明： 設計與制造的金屬管材端部加工設備基本實現了預期的功能要求，整體運行穩定性好，提高了產品的供應效率，減少了企業的用工成本，降低了工人勞動強度，提升了企業自動化程度，解決了企業包裝生產線嚴重供料不足和供料慢的難題，在同類行業中，具有顯著的經濟效益和較好的推廣價值。

圖10 金屬管材端部加工設備實物圖

5 結論

本文在企業現有傳統加工工藝分析基礎上， 以實現自動化加工為目標， 設計并實現了一能夠針對多種不同規格的金屬管材端口進行快速整形和打磨的設備。 通過本課題的研究可以得出以下結論：

設備的所有運行動作都是通過PLC 控制程序來控制實現，位置的精確定位采用了伺服驅動技術，實踐測試表明設計的整套端口加工設備只需要在自動上料部分安排1 名工人即可， 同時通過HMI 可對設備的工作狀況進行監控和操作，達到60～100 條/min 的加工指標。

根據不同產品尺寸規格、重量及結構特點等，創新設計各裝置組成機構，經分析驗證各機構設計合理，具有可靠的運行穩定性。

設備整體采用模塊化設計，可靈活進行組合裝調，從而降低了工人的設備維護勞動強度。