多層柔性材料輸送裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研制

李慶達(dá)，陳生榮，張亞民

(1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝備智造學(xué)院，廣東中山 528436；2.中山達(dá)遠(yuǎn)智造有限公司，廣東中山 528447)

0 前言

在疫情的影響下，醫(yī)用物資需求量爆增，口罩機(jī)設(shè)備也隨之加速生產(chǎn)。在口罩生產(chǎn)過程中，需要用到無紡布、熔噴布、過濾熱風(fēng)棉等多層材料，按口罩生產(chǎn)工藝要求，通過機(jī)械設(shè)備將多層材料精準(zhǔn)組合，并輸送到生產(chǎn)加工位。但傳統(tǒng)的多層材料輸送機(jī)構(gòu)在裝調(diào)和運(yùn)行時(shí)，常出現(xiàn)物料輸送速度和張力不穩(wěn)定、靈活度差、適用范圍較窄、定位精度不高、需要手工糾編調(diào)整、工作量大、效率低、更換物料不夠便捷等問題。因此，本文作者研制一種具有勻速和恒張力的多層材料輸送裝備。首先，從更換材料處開始，按照材料輸送的工藝要求，展開工藝的機(jī)制分析和實(shí)踐研究,然后進(jìn)行優(yōu)化。具體如下：(1)采用氣脹軸裝夾機(jī)構(gòu)；(2)放卷機(jī)構(gòu)恒張力控制；(3)經(jīng)自動糾偏裝置進(jìn)行精調(diào)工序,將多層材料有機(jī)組合；(4)以機(jī)電一體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有勻速、恒張力和準(zhǔn)確輸送的工藝方案。通過實(shí)踐驗(yàn)證了其可行性和實(shí)用性，該裝備還適用于醫(yī)衛(wèi)用品產(chǎn)業(yè)、紡織產(chǎn)業(yè)、包裝產(chǎn)業(yè)等，適用性較廣。

1 裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)組成

多層柔性材料輸送機(jī)構(gòu)主要采用機(jī)電一體化技術(shù)控制，具有勻速、恒張力輸送的特點(diǎn)。在材料放卷輸送過程中，該設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)效率設(shè)置智能調(diào)整物料輸送速度，且保持穩(wěn)定的張力狀態(tài)動作。物料輸送裝置系統(tǒng)主要包括氣脹軸(裝夾卷狀材料)、放卷機(jī)構(gòu)、張力機(jī)構(gòu)、糾偏裝置和物料架等，輔助部分為傳送物料滾軸/滾筒，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。材料輸送機(jī)構(gòu)外觀尺寸為3 200 mm×980 mm×1 560 mm，輸送方式為全自動，傳輸速度為0～18 m/min，定位精度為1.5 mm；材料尺寸為外徑80～700 mm，寬度120～300 mm，材料層數(shù)為5層。

圖1 材料輸送機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)

工作原理：先安裝材料，然后在牽引力的作用下，帶動整體多層材料輸送；再在擺臂擺動的作用下，間接驅(qū)動放卷機(jī)構(gòu)，達(dá)到控制穩(wěn)定張力的目的；在材料輸送到加工位之前，會經(jīng)過糾偏器的糾偏調(diào)整，以保證將材料精準(zhǔn)輸送到加工位，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工藝的目的。

物料輸送部分可根據(jù)產(chǎn)品型號尺寸進(jìn)行選擇和調(diào)整，使用便捷、靈活性強(qiáng)。多層物料輸送機(jī)構(gòu)可用于平面口罩機(jī)、KN95口罩機(jī)、醫(yī)衛(wèi)用品產(chǎn)業(yè)(紙尿片)、紡織產(chǎn)業(yè)、包裝產(chǎn)業(yè)等，作為卷狀物料輸送機(jī)構(gòu)裝備，它具有適用性廣的特點(diǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新亮點(diǎn)

1.2.1 氣脹軸裝夾機(jī)構(gòu)

如圖2所示，傳統(tǒng)物料架大部分是以兩頂錐件擠壓調(diào)心并固定。物料更換麻煩，裝夾效果不穩(wěn)定，常出現(xiàn)裝夾不牢的工況，影響后續(xù)的生產(chǎn)工藝。

圖2 傳統(tǒng)料架裝夾放卷機(jī)構(gòu)

圖3所示為鍵式氣脹軸，由芯軸、管壁、氣囊、鍵條凸鍵、軸頭等組成。芯軸主體采用優(yōu)質(zhì)鋼管，結(jié)構(gòu)剛性好、強(qiáng)度高、表面鍍鎳防銹處理；管壁、鍵條凸鍵導(dǎo)向端均采用鋁合金材質(zhì)，凸鍵伸縮靈活自如。為了延長內(nèi)部裝置使用壽命，氣囊內(nèi)膽采用優(yōu)質(zhì)橡膠配置，氣嘴接頭密封效果好，且具有快速充排氣能效。為方便維護(hù)保養(yǎng)，軸頭采用可拆卸式設(shè)計(jì)。另外，在氣脹軸管壁上配裝一個(gè)可移動的定位環(huán)，用作參考定位基準(zhǔn)。在氣脹軸管壁外表增設(shè)嵌入式標(biāo)尺，方便安裝不同寬度型號材料時(shí)用于位置參考和檢測。材料安裝到位，可通過友好工控界面控制氣動夾緊，物料將在穩(wěn)壓下鎖定，不會出現(xiàn)松動、移動或相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)象。氣脹軸機(jī)構(gòu)主要適用于卷料的放卷、收卷裝置，能實(shí)現(xiàn)快速漲緊和準(zhǔn)確定位，更換物料便捷、操作方便，因此得到廣泛應(yīng)用。

圖3 氣脹軸裝夾機(jī)構(gòu)

1.2.2 放卷機(jī)構(gòu)

如圖2所示，現(xiàn)有的口罩料架放卷機(jī)構(gòu)雖然取代了人工輸送的功能，但由于卷料是整體輸送，其恒張力的控制和持續(xù)性不夠穩(wěn)定。

圖4所示為放卷的輸送機(jī)構(gòu)，包括電機(jī)支撐機(jī)架、主動軸法蘭固定座、擺臂傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳送皮帶等組合部件。圖5所示為擺臂傳動機(jī)構(gòu)，主要是由主動皮帶輪、從動皮帶輪、輸送撐開支架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和輸送皮帶構(gòu)成，在輸送撐開支架與導(dǎo)向件壓縮彈簧的彈力作用下實(shí)現(xiàn)擺動。圖6所示為放卷導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，利用彈簧張力保持傳送皮帶張緊，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)傳動。采用手柄手提方式，使擺臂傳動機(jī)構(gòu)繞主動軸擺動，滿足卷料最大直徑為700 mm的條件。該機(jī)構(gòu)完善了現(xiàn)有物料輔助輸送機(jī)構(gòu)存在的不足，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)皮帶輪活動穩(wěn)定、順暢、相互平行的工藝。該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

圖4 輸送機(jī)構(gòu)

圖5 擺臂傳動機(jī)構(gòu)有效擺角

圖6 放卷導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

在物料傳輸過程中，隨著半徑逐漸變化，擺臂與卷料外徑相切位置點(diǎn)也不斷改變，但皮帶張緊力不變，張緊的皮帶對卷料、轉(zhuǎn)軸振動還發(fā)揮著微量的吸振作用。當(dāng)擺臂機(jī)構(gòu)運(yùn)作時(shí)，便能以相同線速度帶動卷料的輸送；當(dāng)暫停時(shí)，材料又可得到及時(shí)有效的制動，很好地控制材料轉(zhuǎn)動的瞬時(shí)慣性沖量，保障穩(wěn)定張力，解決了材料在恒張力輸送工藝過程的缺陷。

1.2.3 張力機(jī)構(gòu)

張力是在卷料受到擺臂及配重拉力作用下，內(nèi)部垂直于兩相鄰部分接觸面上的相互牽引力。圖7所示為傳統(tǒng)張力機(jī)構(gòu)，感應(yīng)器位于感應(yīng)板上，采用等距定點(diǎn)感應(yīng)檢測方式，感應(yīng)點(diǎn)之間的間距無實(shí)時(shí)跟蹤檢測，其張力的配合呈現(xiàn)出彈性波動，勻速或提速過程不是平穩(wěn)過渡，影響了材料輸送張力的平穩(wěn)性和張弛力的保持，導(dǎo)致材料通過滾筒后，出現(xiàn)跑偏的現(xiàn)象。

圖7 傳統(tǒng)張力機(jī)構(gòu)

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)出如圖8所示的優(yōu)化張力機(jī)構(gòu)。圖9所示為優(yōu)化后的張力機(jī)構(gòu)擺角示意。優(yōu)化后，擺臂能更好地獲得穩(wěn)定的輸送工藝。采用旋轉(zhuǎn)電位器取代感應(yīng)器進(jìn)行檢測，旋轉(zhuǎn)電位器的最大轉(zhuǎn)角為270°，當(dāng)同步輪旋轉(zhuǎn)角達(dá)到60°時(shí)，按傳動比1∶3計(jì)算，可獲得電位器180°的轉(zhuǎn)角。將擺臂轉(zhuǎn)動角度的信號轉(zhuǎn)換為電位信號，發(fā)送至終端控制器處理中心，終端控制器處理中心獲得反饋數(shù)據(jù)后，驅(qū)動放卷輸送信號組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了響應(yīng)靈敏度，實(shí)現(xiàn)自動檢測張緊力，優(yōu)化了放卷速率的控制和張緊力的工藝。該機(jī)構(gòu)主要是通過電位自動檢測擺臂轉(zhuǎn)動角度，依據(jù)角度變化信號，及時(shí)調(diào)節(jié)放料速度，以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)材料恒張力的目的。該機(jī)構(gòu)不但可以解決傳統(tǒng)放卷機(jī)構(gòu)傳輸過程出現(xiàn)過緊或過松牽引的問題，提高材料輸送精度和工藝質(zhì)量，還具有響應(yīng)靈敏高、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。

圖8 優(yōu)化張力機(jī)構(gòu)

圖9 張力機(jī)構(gòu)擺角

1.2.4 糾偏器裝置

總結(jié)原有的機(jī)構(gòu)裝置和優(yōu)化方案，發(fā)現(xiàn)物料在輸送過程中出現(xiàn)跑偏的原因還有很多，經(jīng)過實(shí)踐調(diào)測和分析總結(jié)，有如下幾種情況：

(1)卷狀料芯筒軸中心線與托輥機(jī)構(gòu)料軸的中心線不重合，如果重合度誤差超過2 mm，則需要及時(shí)調(diào)整機(jī)械調(diào)測部分或材料裝夾；

(2)各托輥軸卷料軸向同一側(cè)面的基準(zhǔn)面偏差不超過2 mm，如出現(xiàn)超差現(xiàn)象，需根據(jù)滾筒偏移工況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整；

(3)輸送過程中，前后滾筒軸中心線不平行：檢測出偏差，重新調(diào)整安裝；若出現(xiàn)機(jī)械變形，則應(yīng)該重新研究材質(zhì)、工藝或重新更換零件；

(4)在物料輸送過程中，張力和輸送速度不匹配，先檢查材料是否為同批次型號，因?yàn)椴煌涡吞柕奈锪?，其柔韌性不同，應(yīng)根據(jù)工況及時(shí)調(diào)整張力機(jī)構(gòu)的擺臂配重塊位置；如果不是材料柔韌性原因，在設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)下，嘗試檢測調(diào)試張力，或優(yōu)化張力與輸送速度的參數(shù)設(shè)置。

在上述背景和實(shí)踐檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出糾偏方法，圖10所示為糾偏器裝置。從機(jī)械設(shè)計(jì)到機(jī)械調(diào)測，再到材料輸送的工藝過程，很難做到完美無偏差，但由于物料成本昂貴，必須解決因偏差導(dǎo)致的材料浪費(fèi)，因此提出更優(yōu)化的糾偏方案。材料通過糾偏器后，直接輸送到生產(chǎn)加工位，定位效果更好，糾偏更精準(zhǔn)，為材料定位提供了保障。

圖10 糾偏器裝置

2 裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝備控制系統(tǒng)主要由硬件和軟件控制系統(tǒng)組成。

2.1 系統(tǒng)硬件

基于生產(chǎn)工藝的需要，對張力和速度配合的平穩(wěn)性提出了要求：響應(yīng)速度與輸送張力穩(wěn)定。因此，放卷輸送驅(qū)動電機(jī)需要兼顧自鎖力和大扭矩，使其輸送自如，以在保證放卷輸送質(zhì)量的前提下，降低制造成本。根據(jù)測試計(jì)算和選型要求等，綜合考慮后選擇CV-18-200-3～10型號減速電機(jī)。

在前端牽引力的作用下，由擺臂重力和放卷機(jī)構(gòu)的有機(jī)配合可獲得穩(wěn)定的張力。旋轉(zhuǎn)電位器是將擺桿機(jī)械擺角轉(zhuǎn)化為電控信號的關(guān)鍵。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電位器的工作原理，獲得電信號與旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)放卷機(jī)構(gòu)與穩(wěn)定張力的控制。經(jīng)控制測算，旋轉(zhuǎn)電位器選用型號為：WX112(050)4K7。

牽引力是材料輸送的第一主動力，由伺服電機(jī)驅(qū)動牽引軸實(shí)現(xiàn)。在牽引軸轉(zhuǎn)動下，牽動材料穩(wěn)速輸送，且張力機(jī)構(gòu)擺桿處于有效擺角范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定張力。另外，在牽引力轉(zhuǎn)軸上連接一個(gè)編碼器進(jìn)行跟蹤檢測，實(shí)時(shí)將檢測數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)處理中心，及時(shí)根據(jù)反饋信號進(jìn)行誤差補(bǔ)償，為材料在穩(wěn)定張力的作用下輸送提供雙重保障。

2.2 軟件系統(tǒng)

圖11所示為張力控制系統(tǒng)。主要在機(jī)械擺臂重力和牽引力的作用下，通過張力裝置響應(yīng)系統(tǒng)中樞處理中心，使得材料放卷輸送時(shí)保持恒張力狀態(tài)，環(huán)環(huán)相扣形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。例如，通過張力控制單元，把張力上的旋轉(zhuǎn)電位器信號(標(biāo)準(zhǔn)為0～10 mA或4～20 mA)送入PID中，設(shè)置張力為，并與實(shí)際張力相比較：當(dāng)<時(shí)，>0，PID的輸出增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，張力回升，直到=為止；當(dāng)>時(shí)，<0，PID的輸出增加減小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，張力減小，直到=為止。

圖11 總體張力控制系統(tǒng)

為減少或避免出口設(shè)備的上門調(diào)試服務(wù)，該系統(tǒng)采用歐版式設(shè)計(jì)理念，結(jié)合了GALIL加利爾運(yùn)動控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、MITSUBISHI人機(jī)界面控制單元、Omron Relay G2Rk中繼模組等，可通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)、監(jiān)控和操控，具有環(huán)保、節(jié)能、低碳等特點(diǎn)。

所提的雙系統(tǒng)運(yùn)行保障方案，不但能解決人工繁瑣操作的問題，實(shí)現(xiàn)智能自動化生產(chǎn)，還保障加工工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高生產(chǎn)效率。

3 總結(jié)

本文作者研制了一種具有穩(wěn)速和恒張力的多層柔性材料輸送裝備，介于自動化功能和人工上料之間。該裝置構(gòu)型簡單、操作方便、平穩(wěn)性好、準(zhǔn)確性高、實(shí)用性強(qiáng)，除可用于平面口罩機(jī)、KN95口罩機(jī)外，還適用于醫(yī)衛(wèi)用品(紙尿片)、紡織、包裝等行業(yè)的輸送。該機(jī)構(gòu)適用性廣、自動化效率高，具有應(yīng)用前景。