機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化在滅火器閥門加工中的應(yīng)用與實(shí)踐

李滿意

（武漢輕工大學(xué) 湖北 武漢 430040）

0 引言

人工智能與各行業(yè)技術(shù)和資源整合，為經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化和社會(huì)智能化的發(fā)展提供了源動(dòng)力，同時(shí)也改變了人們的生產(chǎn)和生活方式。目前，世界各國(guó)已將智能化發(fā)展作為工業(yè)變革的戰(zhàn)略方向，同時(shí)頒布了能夠促進(jìn)工業(yè)智能化發(fā)展的相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和戰(zhàn)略部署。我國(guó)也頒布了《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)，旨在促進(jìn)國(guó)家工業(yè)智能化的發(fā)展[1]。滅火器作為公共場(chǎng)所及大型建筑消防系統(tǒng)的主要設(shè)備，必須做到操作便利、性能可靠。GB4251.1《手提式滅火器》中對(duì)零部件、結(jié)構(gòu)及性能都有嚴(yán)苛的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]。常見的滅火器的結(jié)構(gòu)主要包括瓶體、滅火劑以及閥門。相較于其他兩個(gè)部位，閥門的加工過程非常復(fù)雜，生產(chǎn)加工過程中主要使用熱沖壓工藝，但是在加工過程中存在諸多問題導(dǎo)致成品合格率較低?；诖耍覀?cè)O(shè)計(jì)了一套專門用于滅火器閥門加工的自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 滅火器閥門加工自動(dòng)化設(shè)計(jì)的必要性

滅火器是保護(hù)人民生命及財(cái)產(chǎn)安全的消防裝置，據(jù)相關(guān)資料顯示，2020 年我國(guó)滅火器年總產(chǎn)量約9 000 萬具。隨著人們消防安全意識(shí)的提升，無論是民用還是工業(yè)應(yīng)用多配備的滅火裝置均具有非常大市場(chǎng)。閥門是滅火器的核心部件，閥門的質(zhì)量主要取決于閥體材料及加工工藝兩個(gè)方面。閥體材料在技術(shù)不斷提升的現(xiàn)階段，新型的6061鋁合金具有閥體致密、無氧化夾雜物、氣孔等缺點(diǎn)而應(yīng)用較多，歐美西方國(guó)家甚至研究出更多新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉛黃銅材料。至于閥門的生產(chǎn)加工工藝，國(guó)內(nèi)依然以人工生產(chǎn)為主，因此具有生產(chǎn)效率低下、人工成本高、成品合格率差等缺點(diǎn)。為了響應(yīng)國(guó)家機(jī)械生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化的號(hào)召，加上滅火器市場(chǎng)前景巨大，因此滅火器閥門生產(chǎn)加工自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，具有迫切性和現(xiàn)實(shí)性。

2 滅火器閥門加工中的常見問題

2.1 生產(chǎn)效率問題

滅火器閥門加工生產(chǎn)線多使用單根棒料送料機(jī)，傳送效率較低下；傳統(tǒng)生產(chǎn)線上的工作人員均通過手動(dòng)抓取棒料或噴灑潤(rùn)滑液，工作強(qiáng)度大且效率低。

2.2 成品合格率問題

棒料經(jīng)由傳送帶傳送至指定位置的路徑中沒有設(shè)置溫度檢測(cè)系統(tǒng)，人工測(cè)溫易受到環(huán)境、經(jīng)驗(yàn)等主客觀因素的影響一致性。在線切割加工過程中需要配備專用夾具，受限于閥門零部件尺寸較小，夾具設(shè)計(jì)及裝夾固定難度較大，無法獲得高質(zhì)量的加工質(zhì)量，不適合批量生產(chǎn)。

2.3 工人安全性問題

無論棒料傳送還是料斗接料環(huán)節(jié)都都需要工人手動(dòng)操作，容易造成人工受傷的情況。在自動(dòng)車切斷棒料后，斷面口部棱角多呈尖銳狀，去毛刺工序多是由工人手工捏持工作，尤其是機(jī)床上完成該工作危險(xiǎn)性較高。

3 閥門自動(dòng)化加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

3.1 自動(dòng)化加工系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)主要由加熱爐、棒料傳輸/檢測(cè)系統(tǒng)、機(jī)器人棒料運(yùn)輸系統(tǒng)、潤(rùn)滑液噴灑系統(tǒng)和棒料接收裝置5個(gè)部分組成。加工工藝流程基本功能沒有改變，區(qū)別在于加熱爐中的銅棒料由單排分為雙排進(jìn)入棒料傳輸系統(tǒng)，并且運(yùn)輸路中設(shè)置溫度檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)所有流過棒料進(jìn)行測(cè)溫，判斷其是否達(dá)到加工的要求，若符合需求則等待返回、潤(rùn)滑液噴灑等相應(yīng)的供需完成，再經(jīng)由機(jī)械手將其放置于中沖壓作業(yè)，借助傳感檢測(cè)沖床的位置完成接料動(dòng)作。具體流程見圖1。

3.2 功能單元的設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.2.1 感應(yīng)加熱爐系統(tǒng)

傳統(tǒng)的加熱爐改為感應(yīng)加熱系統(tǒng)，而感應(yīng)加熱爐依據(jù)熱處理和加熱深度的需求又細(xì)分高頻、中頻和低頻3 種類型。由于滅火器閥門屬于微小型零件，因此可使用加熱深度為0.5 ～2.5 mm 的高頻（10 kHz）加熱爐。我們?cè)O(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱系統(tǒng)為高頻感應(yīng)加熱爐，除了感應(yīng)加熱系統(tǒng)外還配備相應(yīng)的輔助設(shè)備，高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要對(duì)棒料進(jìn)行加熱和保溫，以達(dá)到加工所需溫度，以實(shí)現(xiàn)加工生產(chǎn)線的自動(dòng)化作業(yè)。爐體中配有循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，對(duì)感應(yīng)線圈進(jìn)行實(shí)時(shí)降溫維持設(shè)備正常運(yùn)行[3]。

感應(yīng)加熱爐系統(tǒng)主要由高頻電源、加熱爐及控制系統(tǒng)3 個(gè)部分組成。（1）電源部分：電源是加熱爐的動(dòng)力源泉，而高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)能夠?yàn)榧訜釥t提供穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)的高頻電流，確保在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可以將棒料加熱至加工所需溫度。（2）加熱爐部分：為整個(gè)高頻感應(yīng)加熱的主體，是將棒料加熱至所需溫度的場(chǎng)所，由感應(yīng)線圈、加熱及保溫結(jié)構(gòu)、內(nèi)外隔熱層及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)組成。（3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是感應(yīng)加熱爐的大腦中樞，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)加熱爐系統(tǒng)的運(yùn)行及各部件功能的實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 棒料傳輸及檢測(cè)系統(tǒng)

運(yùn)輸帶上的棒料在傳輸過程中的姿態(tài)會(huì)經(jīng)楔形結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和捋順，讓所有的棒料均能夠以水平方向排列。為了保證機(jī)械手抓取棒料時(shí)精準(zhǔn)有效，則需要在傳輸帶前端設(shè)計(jì)一級(jí)、二級(jí)擋料裝置。一級(jí)擋料裝置可抵擋后面棒料提前進(jìn)入抓取區(qū)；二級(jí)擋料裝置有兩個(gè)功能，一是計(jì)算分料槽兩次棒料數(shù)量，一是測(cè)定棒料的溫度。溫度測(cè)定是二級(jí)擋料裝置的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，我們使用可調(diào)節(jié)角度支架來調(diào)整溫度傳感器的姿態(tài)，從而完成對(duì)分料槽兩次棒料溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。棒料溫度控制對(duì)后續(xù)的加工影響較大，在以往閥門加工期間由于棒料部分熱量會(huì)流失到氣缸中，為了避免這種現(xiàn)象我們?cè)趽?限料架和氣缸連接部位填充隔熱板。

3.2.3 機(jī)器人棒料運(yùn)輸系統(tǒng)

棒料運(yùn)輸系統(tǒng)主要有機(jī)械臂和夾爪兩個(gè)部件。為了最大限度展現(xiàn)機(jī)械臂的靈活度采用了四自由度機(jī)械臂，見圖2。

鑒于機(jī)械臂是外購品，其夾爪不符合閥門加工棒料抓取的施工需要，因此對(duì)夾爪進(jìn)行優(yōu)化。重新設(shè)計(jì)的夾爪仿人類的拇指和食指，模擬“捏拿”動(dòng)作同時(shí)抓取兩根棒料，見圖3、圖4。

接料盤中安裝壓力傳感器來檢測(cè)是否同時(shí)接收到兩個(gè)沖壓棒料，若檢測(cè)有警示音響起則表明在上模、下模中有成品棒料卡住，此時(shí)便會(huì)強(qiáng)制停止設(shè)備的運(yùn)行，快速對(duì)車床及模具進(jìn)行檢測(cè)。

該單元模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)原理：先由夾爪1 后指定位，再通過調(diào)節(jié)夾爪2 的位置調(diào)節(jié)氣缸來調(diào)試夾爪2 的位置，待夾爪1、2 均調(diào)整至正確位置時(shí)，夾爪1 前指、夾爪2 的后指分別夾緊氣缸工作，“捏拿”兩根棒料隨著機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。棒料運(yùn)輸系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)要點(diǎn)：夾爪與氣缸間的隔熱層可以避免棒料的熱量流失到氣缸；夾爪1、2 的前后端均有細(xì)紋來提升摩擦力，確保棒料捏拿更為牢靠穩(wěn)定。

3.2.4 棒料接料裝置

該功能模塊的主要作用是接受沖壓作業(yè)結(jié)束后的棒料，由滑料槽、接料裝置及接料動(dòng)作傳感器組成。當(dāng)沖床上模離開瞬間接料動(dòng)作傳感器會(huì)迅速感應(yīng)到，對(duì)接料機(jī)發(fā)出指令，接料機(jī)的接料構(gòu)件伸出接住已經(jīng)脫離上模的成品料，退回原位后將棒料經(jīng)滑料槽送至小車中，接料環(huán)節(jié)完畢[4]。

整個(gè)閥門成品棒料接料流程中，先要確定接料構(gòu)件是否接料成功，然后判斷接料數(shù)量是否為兩根。所以在接料盤中設(shè)置安裝壓力傳感器，如果壓力不夠而發(fā)生報(bào)警則表示上模、下模有棒料卡住的情況，需要立即停止運(yùn)行進(jìn)行檢查。

4 控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

滅火器閥門自動(dòng)化加工控制系統(tǒng)主要組成部分分別是：氣缸（7 個(gè)）、沖床（7 個(gè)）、機(jī)械手（1 個(gè)）、稱重模擬量傳感器（2 個(gè)）、紅外測(cè)溫傳感器（1 個(gè)）、激光傳感器（2 個(gè)）、漫反射傳感器（2 個(gè)）、磁性開關(guān)（14個(gè)），見圖5。

控制系統(tǒng)的輸入、輸出均使用西門子PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)均由1 個(gè)主程序和5 個(gè)程序協(xié)調(diào)控制。子程序依據(jù)閥門加工工序流程依次為棒料傳輸控制、機(jī)械手臂控制、潤(rùn)滑液噴灑控制、沖床控制和接料裝置控制。本文重點(diǎn)介紹與閥門加工自動(dòng)化程度要求較高的棒料傳輸控制、機(jī)械手臂控制及接料裝置控制流程。

（1）棒料傳輸控制流程。啟動(dòng)兩側(cè)擋料架并檢測(cè)是否為兩根棒料，確定為兩根后啟動(dòng)左右限料架動(dòng)作，并檢測(cè)棒料溫度是否滿足加工要求；若滿足要求則等待機(jī)械臂夾爪抓??；若溫度未達(dá)到要求則啟動(dòng)左右擋料架將棒料復(fù)位，然后等待，將棒料淘汰最終送回原料池。（2）機(jī)械手臂控制流程。所有設(shè)備初始化，檢測(cè)閥門棒料是否充足及溫度是否合格；若合格則控制沖床復(fù)位，不合格則等待；完成復(fù)位噴灑潤(rùn)滑液，未完成則繼續(xù)等待；噴灑結(jié)束后啟動(dòng)控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)；未實(shí)現(xiàn)噴灑則繼續(xù)等待；機(jī)械手回到原點(diǎn)，未回到原點(diǎn)則等待。（3）棒料接料裝置控制流程。所有設(shè)備初始化完成，沖床返回下限位；成功返回后則銜接接料裝置動(dòng)作，而未返回則繼續(xù)等待；檢測(cè)棒料充足則繼續(xù)進(jìn)行沖床返回下限位，未檢測(cè)到棒料則報(bào)警。

5 實(shí)踐應(yīng)用研究

通過對(duì)整個(gè)閥門加工工藝流程進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的加工實(shí)踐，在第一次的安裝實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)棒料溫度感應(yīng)器失靈的情況，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是線路問題，重新接通線路后各動(dòng)能單元運(yùn)行良好[5]。為保證該自動(dòng)化加工系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性，我們使用兩條生產(chǎn)線進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，一條為傳統(tǒng)的人工加工生產(chǎn)線，另一條為本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)化加工生產(chǎn)線，記錄每天加工滅火器閥門的數(shù)量、合格率情況，連續(xù)統(tǒng)計(jì)1周的生產(chǎn)數(shù)量及不合格數(shù)，見表1。

表1 兩條閥門加工生產(chǎn)數(shù)量及不合格數(shù)

從表1 的數(shù)據(jù)可以看出，使用自動(dòng)化加工系統(tǒng)后，每天滅火器閥門生產(chǎn)數(shù)量是人工生產(chǎn)線的1.74 倍，且自動(dòng)化加工系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于人工生產(chǎn)；觀察了兩條生產(chǎn)線的不合格成品的數(shù)量，自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)的不合格數(shù)量明顯少于人工生產(chǎn)線。主要的原因是人工生產(chǎn)卡模現(xiàn)象較為嚴(yán)重，多是因?yàn)榘袅蠜_壓前，模具潤(rùn)滑液噴灑數(shù)量不夠所致。

6 結(jié)語

通過對(duì)傳統(tǒng)滅火器閥門加工工藝現(xiàn)狀進(jìn)行分析，找出加工生產(chǎn)中存在的問題，并以問題為導(dǎo)向確定了滅火器閥門自動(dòng)化加工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方向，初步設(shè)定從加熱爐、棒料傳輸/檢測(cè)、機(jī)械手和棒料接料等功能單元進(jìn)行自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的控制體系由西門子PLC 控制系統(tǒng)搭建，生產(chǎn)線優(yōu)化完成后采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段對(duì)該系統(tǒng)科學(xué)性、穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率等進(jìn)行驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)相較于人工加工生產(chǎn)其效率與合格率均更高。下一步的工作我們將對(duì)其他功能單元及小構(gòu)件再行優(yōu)化，以期獲得更高效、穩(wěn)定的閥門加工自動(dòng)化系統(tǒng)。