鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)設(shè)計

唐 亮 梁華軒

（廣東省機(jī)械研究所有限公司，廣州 510705）

在燈具行業(yè)，嵌入式發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）燈的鋁合金框在前端焊接工序后都會進(jìn)行一個打磨拋光工序，將焊點(diǎn)磨平并形成一定的表面拉絲紋理，為后續(xù)鋁框的表面處理提供相對平整、美觀的面。由于產(chǎn)品規(guī)格多、換型頻繁，目前該工序大部分采用人工操作，存在工作強(qiáng)度高、工作環(huán)境差、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。為解決現(xiàn)有問題，根據(jù)用戶的實際需求，設(shè)計了一套鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)，實現(xiàn)鋁框焊點(diǎn)的全自動打磨拋光和多規(guī)格產(chǎn)品的兼容生產(chǎn)，同時配置除塵系統(tǒng)，極大地改善了工作環(huán)境。

在打磨拋光領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)及學(xué)者已經(jīng)做了很多的工藝開發(fā)及研究。余廣淵等研究了砂帶拋光工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響，同時研究了砂帶線速度、砂帶進(jìn)給速度和下壓量對表面粗糙度的影響規(guī)律[1]。張莉等研究了砂帶目數(shù)、材質(zhì)、接頭形式對砂帶接頭力學(xué)性能的影響，并探究了合理的砂帶接頭使用形式[2]。李建宏等研究了不同場景下砂帶的選擇與使用等情況[3]。

粉塵是打磨拋光過程中出現(xiàn)的產(chǎn)物。很多學(xué)者對粉塵的處理及涉及的安全問題都進(jìn)行了深入研究。牟杰等利用哈德曼管對拋光打磨車間產(chǎn)生的鋁粉塵進(jìn)行了粉塵爆炸性參數(shù)的測試研究，指出粉塵爆炸特性參數(shù)需要根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析[4]。杜宇婷對拋光打磨鋁粉塵爆炸特性參數(shù)和爆炸傳播規(guī)律進(jìn)行研究，同時研究了防止引起二次爆炸的無火焰爆炸泄壓技術(shù)與機(jī)械式爆炸隔離技術(shù)[5]。

1 工藝要求及設(shè)備總體方案

1.1 產(chǎn)品及工藝要求

鋁框為矩形。前段工序中，條狀鋁型材通過焊接的方式拼接成矩形鋁框，在4 個角分別形成一個突出的圓形焊點(diǎn)，焊點(diǎn)高不大于5 mm，焊點(diǎn)外徑不大于8 mm。設(shè)備將焊點(diǎn)打磨平整并與兩側(cè)型材形成一定的拉絲紋理。鋁框及焊點(diǎn)位置如圖1 所示。

圖1 鋁框及焊點(diǎn)位置

1.2 設(shè)備總體規(guī)劃、設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品的打磨工藝要求、產(chǎn)品形狀、規(guī)格種類多及節(jié)拍要求快等特點(diǎn)，設(shè)計一套柔性自動打磨系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙層伺服工作臺，4 套柔性打磨頭。打磨頭的位置可以根據(jù)產(chǎn)品焊點(diǎn)的位置自動調(diào)整。此外，結(jié)合鋁材打磨粉塵的特點(diǎn)設(shè)計了粉塵回收處理系統(tǒng)，確保設(shè)備運(yùn)行滿足安全要求。鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2 所示。

2 設(shè)備動作及流程設(shè)計

根據(jù)產(chǎn)品前段工序的來料方式，結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍的要求，設(shè)備采用人工上下料自動完成打磨拋光工序。鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)采用雙工作臺形式，即一個產(chǎn)品在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行打磨拋光作業(yè)，另一個工作臺在人工操作側(cè)進(jìn)行上下料作業(yè)。打磨過程中，工作臺需在一定范圍內(nèi)來回擺動，讓砂帶均勻接觸焊點(diǎn)，減緩砂帶磨損，同時提高打磨效率和打磨質(zhì)量。

系統(tǒng)的動作流程設(shè)計如下：

（1）人工將未打磨的鋁框放置在工作臺A 上，按雙手啟動；

（2）工作臺A 夾具夾緊工件；

（3）伺服機(jī)構(gòu)將工作臺A 移入設(shè)備打磨拋光工作區(qū)；

（4）設(shè)備打磨拋光作業(yè)；

（5）人工將工作臺B 上已經(jīng)完成打磨拋光的鋁框取出，同時放入未打磨鋁框，按雙手啟動；

（6）工作臺B 夾具夾緊工件；

（7）待工作臺A 工件完成打磨拋光后，伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作臺A、B 位置交換；

（8）如此重復(fù)（5）～（7），實現(xiàn)設(shè)備連續(xù)打磨拋光作業(yè)。

3 關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

依據(jù)工藝、設(shè)備方案及動作流程規(guī)劃，對設(shè)備涉及的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，實現(xiàn)鋁框的柔性自動打磨。

3.1 雙層伺服工作臺及夾具

3.1.1 雙層伺服工作臺設(shè)計

綜合設(shè)備安裝場地、設(shè)備布局及兼容的產(chǎn)品規(guī)格等因素，A、B 工作臺采用上下層布局，最大限度縮小設(shè)備尺寸，結(jié)合打磨工藝及工作臺動作要求，采用直線導(dǎo)軌支撐，利用伺服電機(jī)配滾珠絲桿的驅(qū)動方式提供驅(qū)動力。單個平臺質(zhì)量約45 kg，綜合負(fù)載、速度、加速度等參數(shù)，計算伺服電機(jī)扭矩[6]、絲桿的選型等。

鋁框焊點(diǎn)打磨過程中會出現(xiàn)粉塵。為便于粉塵統(tǒng)一回收處理，通過分析打磨區(qū)回收氣流分布。工作臺上設(shè)置了穿透孔，便于粉塵通過穿透孔進(jìn)入粉塵回收系統(tǒng)。工作臺板采用6063 材質(zhì)設(shè)置穿透孔，同時進(jìn)一步減輕工作臺的質(zhì)量，加快伺服的響應(yīng)速度。雙層伺服工作臺樣式及穿透孔布局，如圖3 所示。

3.1.2 夾具設(shè)計

依據(jù)產(chǎn)品焊點(diǎn)分布位置和打磨工藝要求，每個焊點(diǎn)兩側(cè)需布置壓緊機(jī)構(gòu)，以保證焊點(diǎn)打磨過程中工件始終處于壓緊狀態(tài)。在上、下料處需要釋放工件，且不妨礙取放件。配合設(shè)備自動化生產(chǎn)需求，壓緊機(jī)構(gòu)采用氣動旋轉(zhuǎn)壓緊方式，同時在壓緊點(diǎn)下方設(shè)置鋁框定位、限位件，避免鋁框在壓緊時出現(xiàn)變形，具體如圖4 所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)壓緊夾具

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格多的特點(diǎn)，將產(chǎn)品規(guī)格邊長L按一定的兼容范圍分為3 類，分別為150 mm ≤L≤350 mm、350 mm ＜L≤600 mm、600 mm ＜L≤800 mm。每個類型的產(chǎn)品設(shè)置一組旋轉(zhuǎn)壓緊夾具，并在每一組壓緊夾具旁安裝設(shè)置氣快插、電快插及夾具安裝接口。當(dāng)換型產(chǎn)品超出當(dāng)前生產(chǎn)類型范圍時，壓緊機(jī)構(gòu)可快速拆卸，安裝到新型壓緊機(jī)構(gòu)固定位，并接上相應(yīng)的氣、電，實現(xiàn)產(chǎn)品換型后夾具的快速更換。

3.2 柔性打磨頭

結(jié)合生產(chǎn)節(jié)拍的要求，鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)配置了4 套功能一致的柔性打磨頭，分別安裝在2 組龍門框架上。龍門設(shè)置了伺服調(diào)整機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同規(guī)格鋁框焊點(diǎn)的位置自動調(diào)整打磨頭的位置。當(dāng)鋁框移動到打磨區(qū)域后，打磨頭同時對鋁框上的4 個角上的焊點(diǎn)進(jìn)行打磨作業(yè)，縮短打磨過程時間，提高生產(chǎn)效率。

焊點(diǎn)采用砂帶進(jìn)行打磨拋光。柔性打磨頭配置了環(huán)形砂帶、驅(qū)動及張緊裝置、浮動壓板機(jī)構(gòu)以及伺服升降滑臺等，如圖5 所示。

圖5 柔性打磨頭

3.2.1 環(huán)形砂帶

砂帶的粒度對焊點(diǎn)打磨拋光質(zhì)量起關(guān)鍵作用。根據(jù)多次測試，選用150#、180#的砂帶都能滿足要求。既可以較快進(jìn)行焊點(diǎn)打磨，又能在焊點(diǎn)打磨后通過調(diào)整砂帶的速度、砂帶與鋁框的壓緊力進(jìn)行拋光作業(yè)。整體打磨質(zhì)量可以滿足工藝要求。打磨效果如圖6 所示。

圖6 焊點(diǎn)打磨前后對比

3.2.2 驅(qū)動及張緊裝置

鋁框的打磨拋光工藝在不同階段對砂帶的速度要求不同。打磨階段的速度相對拋光階段的速度會慢一些。為了自動切換速度，驅(qū)動系統(tǒng)選用交流減速電機(jī)并配置了變頻器，可方便地通過程序進(jìn)行砂帶速度的自動調(diào)整。驅(qū)動輪與砂帶接觸面設(shè)置了花紋，增大了摩擦力，以防止打磨焊點(diǎn)時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

砂帶在打磨拋光過程中需要保持相對恒定的松緊度，因此在環(huán)形砂帶上設(shè)置了張緊裝置，利用杠桿原理，在張緊輪安裝桿的另一側(cè)設(shè)置了彈簧和調(diào)節(jié)桿，同時設(shè)置了刻度尺和位置指針，使4 個打磨頭的砂帶張緊力可快速調(diào)整到相對一致的狀態(tài)，提升質(zhì)量穩(wěn)定性。

3.2.3 可調(diào)壓板機(jī)構(gòu)

鋁框焊點(diǎn)的高度、大小不一。打磨頭下壓時，與焊點(diǎn)的接觸面存在差異，最終會體現(xiàn)在砂帶的摩擦阻力變化上。摩擦阻力的突變可能會導(dǎo)致砂帶與驅(qū)動輪出現(xiàn)打滑等現(xiàn)象，使打磨過程不可控。在打磨處設(shè)置浮動壓板機(jī)構(gòu)，通過蝶形彈簧和壓緊調(diào)節(jié)桿，將浮動量調(diào)整為1 ～2 mm。打磨頭下壓時，可調(diào)壓板與焊點(diǎn)接觸后回縮。打磨過程連續(xù)進(jìn)行時，可調(diào)壓板會隨打磨量減少回彈。通過該機(jī)構(gòu)，在打磨不同大小焊點(diǎn)時，砂帶的摩擦阻力與蝶形彈簧的預(yù)壓力存在比例關(guān)系，使得打磨過程可控。

3.2.4 伺服升降滑臺

焊點(diǎn)的大小、高度不一，決定了焊點(diǎn)需分多次下壓打磨，因此打磨頭配置了伺服升降滑臺。根據(jù)不同規(guī)格產(chǎn)品的焊點(diǎn)狀態(tài)調(diào)整打磨量。打磨工藝可以根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行局部優(yōu)化，并跟隨程序自動實現(xiàn)切換。采用伺服電機(jī)配滾珠絲桿副的方式提供驅(qū)動力，并選用帶剎車功能的伺服電機(jī)，確保異常情況下的設(shè)備安全。

3.3 粉塵回收處理

粉塵是打磨拋光過程中伴隨產(chǎn)生的物質(zhì)。當(dāng)粉塵濃度達(dá)到一定比例時存在爆炸風(fēng)險，因此設(shè)備安全性設(shè)計是考慮的重點(diǎn)。

在鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)中配置了粉塵回收處理系統(tǒng)[7]，用鋁型材和有機(jī)玻璃設(shè)計了一個設(shè)備防塵罩，將整個設(shè)備進(jìn)行整體防護(hù)，防止粉塵外溢到生產(chǎn)車間影響車間環(huán)境。在雙伺服工作臺下方設(shè)計了導(dǎo)流吸風(fēng)口，覆蓋整個工作臺區(qū)域。工作臺板設(shè)計了用于粉塵回收的穿透孔。

設(shè)備外配置了防爆型濕式除塵器，且管道與導(dǎo)流吸風(fēng)口對接。打磨拋光產(chǎn)生的粉塵通過穿透孔和工作臺板的其他間隙進(jìn)入導(dǎo)流吸風(fēng)口，最終進(jìn)入防爆型濕式除塵器進(jìn)行粉塵的處理回收。帶粉塵的空氣經(jīng)處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，可直接排到空氣中。除塵管道進(jìn)出口均配置了粉塵濃度檢測采集口，用于實時檢測粉塵濃度，確保設(shè)備運(yùn)行安全和排放達(dá)標(biāo)。

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)工藝流程進(jìn)行動作分解，在滿足節(jié)拍的前提下，結(jié)合客戶的元件品牌需求，設(shè)計電控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 電控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

4.1.1 控制器

三菱FX3U-80MT 是三菱第三代小型可編程控制器，40 點(diǎn)輸入，40 點(diǎn)輸出，可擴(kuò)展到128 點(diǎn)。晶體管型主機(jī)單元能同時輸出2 點(diǎn)100 kHz 脈沖，并且配備有7 條特殊的定位指令，包括零返回、絕對或相對地址表達(dá)方式及特殊脈沖輸出控制。FX3U-80MT僅支持4 路脈沖輸出，同時氣缸等輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，因此選用2 個可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）輸出6 路高速脈沖來控制2個伺服和4 個步進(jìn)。2 個PLC 之前通過輸入輸出端口進(jìn)行信號交互。

4.1.2 觸摸屏

MT8102IE 10.1 寸帶網(wǎng)口，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，無風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)，主板涂層保護(hù)處理在嚴(yán)苛的環(huán)境中能防止腐蝕，完全可以滿足現(xiàn)場的使用要求。

4.1.3 伺服系統(tǒng)

雷賽伺服驅(qū)動器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于雕刻機(jī)、激光機(jī)、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療設(shè)備、電子加工設(shè)備、自動化生產(chǎn)線、鋰電生產(chǎn)設(shè)備以及紡織服裝機(jī)械等自動化設(shè)備。驅(qū)動器型號L7-750，額定功率750 W，L7 系列標(biāo)配的ACM2 系列伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 500 r·min-1（40/60/80 機(jī)座）。相比普通同行電機(jī)，它提升了1 500 r·min-1的轉(zhuǎn)速，相同路徑下動作時間變短，提高了設(shè)備產(chǎn)能。

4.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.2.1 觸摸屏畫面設(shè)計

主頁面包含手動操作、參數(shù)設(shè)置、配方功能、報警提示等功能。如圖8 所示，在主畫面放置最常用的一鍵回原、報警提示等功能。

圖8 觸摸屏畫面設(shè)計

次級頁面更多是功能的細(xì)化，如伺服的微動操作、參數(shù)設(shè)置以及各輸入輸出信息的直觀提示。由于工件的種類繁多，配方功能顯得尤為重要。如圖9 所示，每款工件通過對伺服、步進(jìn)的點(diǎn)動微調(diào)，將合適的位置、速度參數(shù)保存至配方。不同的工件切換不同的配方，即可實現(xiàn)打磨工藝的切換。

圖9 觸摸屏次級頁面

4.2.2 PLC 程序設(shè)計

2 個PLC 程序都由梯形圖開發(fā)，以其中一個為例，整個程序結(jié)構(gòu)如圖10 所示。結(jié)構(gòu)圖中包含信號交互模塊、報警模塊、1#伺服模塊、2#伺服模塊、1#步進(jìn)模塊以及手自動模塊共6 個模塊。

圖10 程序機(jī)構(gòu)圖

設(shè)備上電后，控制系統(tǒng)自檢傳感器、氣缸、伺服等執(zhí)行元件的當(dāng)前狀態(tài)，在手動模式下執(zhí)行一鍵回原操作。伺服、氣缸在無機(jī)構(gòu)干涉的前提下，按照步驟依次回到初始位置，此時控制系統(tǒng)處于準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。

待工位到位后，為防止誤操作，啟動信號為雙手啟動。切換至自動模式，程序運(yùn)行后，按照前述步驟進(jìn)行自動運(yùn)行。

4.2.3 伺服控制方法

如圖11 所示，PLC 上電后，在首個掃描周期，需要把脈沖通道的設(shè)置參數(shù)傳送至指定寄存器，從而完成最高速度、爬行速度以及原點(diǎn)回歸速度的設(shè)定。如圖12 所示，DDRVI 是三菱PLC32 位的相對定位指令，是以當(dāng)前值寄存器中的數(shù)據(jù)為起點(diǎn)進(jìn)行增減操作，與之相對應(yīng)的是絕對定位指令DDRVA。進(jìn)行手動控制時采用DDRVI 指令，再自動運(yùn)行DDRVA 指令。自動開始后，按照程序步驟比較的方式進(jìn)行跳步，即滿足跳轉(zhuǎn)條件時啟動下一步動作。整個自動流程清晰明了，方便維護(hù)人員閱讀。

圖11 上電對脈沖端口進(jìn)行設(shè)置

圖12 伺服定位控制

5 結(jié)語

鋁框柔性自動打磨系統(tǒng)擁有占地面積小、自動化程度高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)研發(fā)成功并在終端用戶實際生產(chǎn)使用，大大改善了工人的勞動強(qiáng)度和工作環(huán)境。多規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)實現(xiàn)了靈活切換，柔性好，打磨粉塵回收處理效果良好，極大地改善了工作環(huán)境，且打磨質(zhì)量和生產(chǎn)效率可滿足終端用戶的生產(chǎn)要求，對燈具行業(yè)提高設(shè)備自動化率、改善作業(yè)環(huán)境等具有積極作用。