揚聲器紙盆自動化生產(chǎn)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計

李東亞，蘇家兵，梁 磊，尤鳳翔

（蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

1 前言

隨著中國制造2025計劃的提出，對傳統(tǒng)的制造裝備的升級迫在眉睫，揚聲器紙盆生產(chǎn)目前基本上都是采用人工與機器組成的單工位半自動化生產(chǎn)［1］，以蘇州某紙盆制造企業(yè)為例，原設(shè)備生產(chǎn)1 個揚聲器紙盆需要人工1 人，時間為180s，廢品率為20%左右，紙盆擺放雜亂無章（下一工序再進行分揀），已無法滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。為了快速滿足市場需求，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低人工成本，提高企業(yè)的自動化水平，降低了產(chǎn)品成本及廢品率［2-6］，企業(yè)迫切要求開發(fā)出一款揚聲器紙盆全自動化生產(chǎn)線及配套生產(chǎn)工藝。

針對原有設(shè)備以上存在的問題，設(shè)計一款基于PLC對氣動原件及機械傳動裝置進行控制的全自動設(shè)備，主要對注漿成型機構(gòu)、熱壓機構(gòu)和物料傳送機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成紙盆的快速生產(chǎn)、有序擺放、自動收料、數(shù)量統(tǒng)計和降低廢品率，能達到順利地將紙盆輸送到下一工位的技術(shù)指標。該設(shè)備只需要現(xiàn)場監(jiān)控人員1人，可同時監(jiān)控5套設(shè)備，大大減少了生產(chǎn)工人的數(shù)量，降低了工人的勞動強度。該設(shè)備還采用了設(shè)備故障自檢報警系統(tǒng)、防水觸摸屏用戶界面，實時顯示設(shè)備的工作狀態(tài)及產(chǎn)品的數(shù)量，以便于產(chǎn)量的控制及下一工位的調(diào)度。通過系統(tǒng)的實驗測試，提高了揚聲器紙盆生產(chǎn)線的整體運行效率和可靠性，具有顯著的經(jīng)濟效益和較好的推廣價值。

2 結(jié)構(gòu)組成與工位設(shè)置

揚聲器紙盆自動化生產(chǎn)線主要由注漿成型裝置、壓模裝置、抓取機械臂和收料裝置組成，其裝置的整體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。該系統(tǒng)主要依靠機械傳動裝置、氣動元件和PLC控制系統(tǒng)的有機結(jié)合來實現(xiàn)對整個工作流程進行控制其各個裝置的先后動作。主要工作流程：上一個工序紙盆紙漿進行材料粉碎、攪拌和試劑融合后，輸送到注漿成型裝置中，電機帶動紙盆成型模具沿預(yù)設(shè)軌道進行瀝水和成型到指定位置，然后紙盆抓取機械臂上的吸盤完成抓取和加熱，旋轉(zhuǎn)180°將紙盆放置到紙盆壓模裝置上，壓模裝置電機帶動鏈條上的紙盆模具（同時加熱）通過擠壓軌道進行模具合模和分模，傳送到指定位置，然后收料裝置的卸料機械手吸盤抓取紙盆，旋轉(zhuǎn)180°將紙盆放置到料倉內(nèi)，料倉通過電機帶動承載板（紙盆形狀）完成紙盆有序堆疊，同時計數(shù)傳感器實時進行數(shù)量統(tǒng)計，料倉滿載后通知下一工位人員進行搬運，放置新的料倉，循環(huán)往復(fù)。

圖1 揚聲器紙盆自動化生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural Drawing of Speaker Paper Cone Automatic Production Equipment

2.1 工位設(shè)置

根據(jù)工作流程和生產(chǎn)工序，在流水線上設(shè)置4個工位。通過計算，對各工位的生產(chǎn)節(jié)拍進行平衡，確定各工位的生產(chǎn)內(nèi)容。

工位1：工件通過瀝水完成預(yù)成型；

工位2：機械臂完成加熱成型、抓取和放置；

工位3：工件成型、去毛邊和清理；

工位4：機械臂抓取和放置；

工位5：料倉收集工件和計數(shù)。

3 主要裝置的工作原理

3.1 紙盆注漿成型機構(gòu)運行分析

注漿成型裝置由電機、聯(lián)軸器、支架、紙盆成型模具、輪旋轉(zhuǎn)盤、成型模具軌道、限位開關(guān)和漿池等構(gòu)件組成，如圖2所示。通過旋轉(zhuǎn)輪盤帶動紙盆成型模具（均勻布置6個）沿預(yù)設(shè)軌道完成灌漿、瀝水和成型的功能，電機的運轉(zhuǎn)由限位開關(guān)控制，旋轉(zhuǎn)速度由電機本身控制；該機構(gòu)可大大縮短了紙盆的瀝水等待時間，實現(xiàn)了紙盆的快速生產(chǎn)的主要指標。

圖2 注漿裝置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Grouting Device

如圖2所示，可知旋轉(zhuǎn)輪盤通過法蘭固定套固定在主動軸上使其跟隨主動軸做旋轉(zhuǎn)運動，由于注漿池中漿水需要不停的攪拌來保證漿水的均勻注模，所以旋轉(zhuǎn)輪盤需要有鏤空來保證水流的均勻攪拌。旋轉(zhuǎn)輪盤帶動紙盆成型模具做旋轉(zhuǎn)運動，同時模具底部有成型模具軌道來保持模具的穩(wěn)定性，軌道按照注漿的時間設(shè)計為高低起伏曲線導(dǎo)軌，使其紙盆成型模具沉入漿池中，完成注漿，然后隨著軌道漏出漿池，沿著平滑軌道進行瀝水，運動至限位開關(guān)即機械臂抓取的位置，發(fā)信號給機械臂完成成型和抓取的動作。

3.2 紙盆壓模機構(gòu)運行分析

紙盆壓模裝置是由電動機、單排雙側(cè)鏈條、鏈條滾輪、擠壓導(dǎo)軌、固定模具導(dǎo)軌、加熱模具裝置、支架等組成。上一個工位機械臂將紙盆送入到加熱模具裝置中，電機帶動鏈條滾輪做旋轉(zhuǎn)運動，鏈條再帶動加熱模具一起運動，進入固定模具導(dǎo)軌，使其加熱模具做水平運動，然后進入擠壓導(dǎo)軌后，模具進行合模，完成紙盆的加熱成型，直至加熱完成離開擠壓導(dǎo)軌，

傳送到卸料機械臂的抓取位置，如圖3 所示。紙盆壓模裝置采用流水線的布局形式，根據(jù)紙盆成型加熱的時間，合理布置成型模具的數(shù)量，以及與注漿裝置的時間銜接，可以大大縮短了紙盆的加熱成型的等待時間，實現(xiàn)了紙盆的快速生產(chǎn)的重要指標。該裝置在成型模具設(shè)計紙盆的切邊裝置，通過切邊裝置將紙盆邊緣毛刺進行切除，然后由壓力氣管吹掉到收集裝置上，是降低紙盆廢品率的一個重要指標，同時可以節(jié)約人工成本。

圖3 壓模裝置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Compression Device

紙盆壓模裝置采用單排雙側(cè)鏈條作為加熱模具裝置傳動和固定，其上面可安裝多個加熱模具裝置，使其始終保持水平，可使其運行更加穩(wěn)定；選擇導(dǎo)軌式循環(huán)，因為該結(jié)構(gòu)緊湊和定位精度高，移動速度快，同時可以根據(jù)需要來配置，以滿足流水線生產(chǎn)需求。

3.3 紙盆抓取機械臂和收料機構(gòu)運行分析

3.3.1 紙盆抓取機械臂

機械臂系統(tǒng)主要由氣缸，電動機，成型吸盤通過支撐板和固定板連接構(gòu)成，如圖4所示。使用電動機和氣缸構(gòu)成的機械臂傳動系統(tǒng)，通過氣缸傳動控制機械臂的上升、下降、伸出和縮回運動，電動機傳動控制機械臂的右旋180°和左旋180°并在電動機兩端加限位開關(guān)用于機械臂的定位。通過控制機械臂運動來實現(xiàn)紙盆的預(yù)熱成型、抓取和放置到壓模裝置中。采用氣動和電動協(xié)同控制，可以縮減機械臂的運行時間，完成抓取到放置用時10s，是提高生產(chǎn)效率的一個重要因素。

圖4 抓取機械臂結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Grasping Robot Arm Structre

3.3.2 紙盆收料裝置

揚聲器紙盆收料裝置主要由電機、絲杠螺母、導(dǎo)軌、上下限位裝置、紙盆計數(shù)器、紙盆模型等組成。它是通過電動機的轉(zhuǎn)動帶動絲杠的轉(zhuǎn)動進而帶動固定在螺母上的紙盆收料模型由上往下的運動，完成揚聲器紙盆成型后的有序堆疊，節(jié)省人工成本，為下一道工序節(jié)約了時間。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 電路設(shè)計方案

根據(jù)揚聲器紙盆自動化生產(chǎn)設(shè)備的運行動作，其控制系統(tǒng)的功能主要有：注漿成型模具和加熱模具裝置準停、機械臂的抓取順序、計數(shù)、復(fù)位急停；該控制系統(tǒng)采用PLC進行控制［7］，其主要控制對象為：注漿成型裝置、壓模裝置、機械臂的抓取和收料裝置之間的順序動作；顯示部分采用了F940GOT-LWD-C 型觸摸屏取代機械式的按鈕面板，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。

4.2 軟件設(shè)計

軟件部分是整個控制系統(tǒng)的核心，是各個硬件的按照預(yù)定動作正常運行保障，是保證主控制系統(tǒng)與各模塊之間進行有序協(xié)調(diào)工作的橋梁。該控制系統(tǒng)采用了FX系列的PLC為控制核心［7-8］。主程序是一個系統(tǒng)的核心程序，在主程序里首先需要對所用到模塊進行初始化，使得各內(nèi)外硬件處于正常狀態(tài)，為后續(xù)工作做好準備，系統(tǒng)控制流程，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 System Control Flow Chart

其他分支流程如下：

（1）急停/啟動流程：當設(shè)備在運行中遇到緊急情況需要立刻停止時按下急停按鈕，這時所有的電機停止其他機構(gòu)保持原位靜止不動，當故障排出后按下運行按鈕時，設(shè)備按照原先執(zhí)行的步驟繼續(xù)向下執(zhí)行，此時紙盆壓模裝置中如果已經(jīng)有了紙盆，則此時的紙盆應(yīng)作為廢品進行處理。

（2）限位開關(guān)流程：若某限位開關(guān)按下會在PLC的I/O上產(chǎn)生一個輸入信號，則PLC掃描到該信號后執(zhí)行相應(yīng)程序，做到嚴格按照設(shè)置的順序動作進行完成。

（3）雙地流程：在兩個地方同時可以控制設(shè)備，其優(yōu)點為可以遠距離控制，當一地發(fā)生故障時，不至于導(dǎo)致機構(gòu)無法工作。

（4）控制顯示流程：系統(tǒng)采用F940GOT-LWD-C型觸摸屏進行操作控制，實現(xiàn)了人機界面的交互，改變了傳統(tǒng)的按鈕模式，實現(xiàn)便捷快速的設(shè)置，實時顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，同時為操作者編寫修改程序提供了方便。

5 實驗及分析

5.1 關(guān)鍵參數(shù)的分析及測試

5.1.1 注漿裝置的工作時間和電機轉(zhuǎn)速

揚聲器紙盆生產(chǎn)線的工位1通過注漿裝置完成工件瀝水和預(yù)成型，也是整個生產(chǎn)過程耗時最長的一道工序，采用分度盤的裝置進行合理分配瀝水時間，使瀝水過程無等待，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)紙盆成型需要瀝水60s，預(yù)加熱成型30s（需要轉(zhuǎn)盤停止轉(zhuǎn)動），同時要保證漿池內(nèi)的紙漿攪拌均勻和瀝水時紙盆轉(zhuǎn)動模型的穩(wěn)定性，每個紙盆模型需要保證一定的間隔，下一道工序機械臂需要5s的運行時間，經(jīng)過測試可以得出轉(zhuǎn)盤需要均勻布置6個紙盆模型，一個循環(huán)周期為210s，每個紙盆的時間為35s，紙盆模型分布，如圖6 所示。已知紙盆的模型的直徑150mm，轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)直徑為750mm，根據(jù)每周的旋轉(zhuǎn)時間可以得出，電機的轉(zhuǎn)速為4.7r/min。

圖6 紙盆模型分布示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Paper Cone Model Distribution

5.1.2 紙盆壓模裝置的工作時間與模具數(shù)量

揚聲器紙盆壓模裝置完成紙盆的成型，也是整個生產(chǎn)過程最關(guān)鍵的一道工序，循環(huán)流水線式的布局，使紙盆加熱成型過程無等待，提高生產(chǎn)效率。需要加熱30s才能保證紙盆的質(zhì)量，為了更好的與上下工位的銜接，經(jīng)過測算和測試可以得出，需要均勻布局6套成型模具，等待和空行程時間為15s，單個紙盆成型的時間為45s，一個循環(huán)周期為270s，紙盆模具的尺寸為（300×300）mm，鏈條的周長為約為6320mm，電機的轉(zhuǎn)速為27.3r/min，為了保證加熱時間，建議電機轉(zhuǎn)速取25r/min。

5.2 生產(chǎn)節(jié)拍

生產(chǎn)節(jié)拍是保證整條流水線正常運行的重要因素，也是考量機構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)效率的重要指標。通過產(chǎn)品生產(chǎn)的作業(yè)時間，可以算出每項作業(yè)時間，分配至每個工位，再計算出每一個工位的生產(chǎn)節(jié)拍，然后對各工位的生產(chǎn)節(jié)拍進行對比、工作再匹配等，使各工位的生產(chǎn)節(jié)拍盡量一致［9］，經(jīng)過實際計算，得出各工位生產(chǎn)節(jié)拍，如表1所示。

表1 各工位工作內(nèi)容及生產(chǎn)節(jié)拍Tab.1 Work Content and Production Cycle of Each Statio

從表中可以看出，各工位并沒有完全做到生產(chǎn)節(jié)拍平衡，從流水線進入滿載狀態(tài)時，工位4、5的工作時間可以包含在前三個工位中，其中工位2和工位3的時間可以進行重疊處理，經(jīng)過測算完成一個工件的時間為55S，相當于改造之前的30%，可大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

5.3 樣品測試

通過F940GOT-LWD-C型觸摸屏選擇單步和循環(huán)模式進行測試，主要對設(shè)備的穩(wěn)定性、紙盆生產(chǎn)率和成品率等關(guān)鍵指標進行測試，所得的實驗相關(guān)參數(shù)記錄，如表2所示。

表2 實驗記錄Tab.2 The Records of Experiment

從表中數(shù)據(jù)可以得出，生產(chǎn)率比原來提高了3倍，設(shè)備的穩(wěn)定性比較好，實驗的過程中沒有出現(xiàn)故障，廢品率為3.3%，比原來降低了17%，經(jīng)過人工檢測產(chǎn)生廢品的共性都是開裂導(dǎo)致，經(jīng)過分析，在壓模環(huán)節(jié)中模具的加熱溫度變化導(dǎo)致的，根據(jù)這個情況在后續(xù)的設(shè)計中延長加熱到合模的時間，使溫度緩慢升高至工作溫度。該設(shè)備經(jīng)過使用一段時間，每天都要對廢品的原因進行分析，如果都集中到開裂導(dǎo)致，可以對系統(tǒng)增加檢測裝置［10］，通過圖形識別原理進行比對，判斷是否為廢品，提高產(chǎn)品的檢測效率。

6 結(jié)束語

通過對揚聲器紙盆自動化生產(chǎn)線的調(diào)試、測試和對產(chǎn)品的檢驗，該產(chǎn)線可實現(xiàn)紙盆的快速生產(chǎn)、有序擺放、自動收料、數(shù)量統(tǒng)計和降低廢品率關(guān)鍵指標，同時生產(chǎn)效率比原來提高了3倍，廢品率降低到3.3%，設(shè)備的運行更加穩(wěn)定，對紙盆的生產(chǎn)按照流水線的模式進行，有利于縮短紙盆產(chǎn)業(yè)鏈的供應(yīng)時間，大大提高了工作效率，滿足了使用要求。揚聲器紙盆自動化生產(chǎn)線除了完成關(guān)鍵的技術(shù)指標外，還具有節(jié)約人工成本，整個生產(chǎn)過程都是通過PLC程序進行控制，只需要1名工人對設(shè)備工作的狀況進行監(jiān)控和操作，同時也降低了工人的勞動強度。紙盆通過料倉收集后運送到下一工位，后續(xù)需要人工進行質(zhì)量檢測，后續(xù)的設(shè)計中可以在放置到料倉之前增加檢測裝置，通過圖形識別的技術(shù)完成對紙盆質(zhì)量的檢測，降低人工成本，提高檢測精度。