電飯鍋投料與老化自動線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何俊明，鐘漍標(biāo)，黃 誠

（1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510635；廣東宏大欣電子科技有限公司，廣州 510003）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇也在不斷增加。產(chǎn)品的復(fù)雜性和多樣性要求制造過程更加智能、高效，以適應(yīng)市場的需求變化[1]。因此，本研究旨在探討自動化生產(chǎn)線在制造業(yè)中的應(yīng)用與效益，深入分析其背后的技術(shù)原理和發(fā)展趨勢，以期為制造業(yè)提供一種創(chuàng)新的生產(chǎn)組織形式，提高效率，降低成本，增強(qiáng)市場競爭力[2-3]。在已有研究中，許多學(xué)者關(guān)注了自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用，但多數(shù)研究側(cè)重于特定產(chǎn)業(yè)或特定類型的生產(chǎn)線。本研究的特色在于將全面考察不同領(lǐng)域、不同規(guī)模企業(yè)中自動化生產(chǎn)線的應(yīng)用情況[4]，比較各種生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)和生產(chǎn)效益，從而總結(jié)最佳實(shí)踐方式。在相關(guān)研究中，本文會特別強(qiáng)調(diào)自動化技術(shù)的創(chuàng)新，尤其是人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用，將采用實(shí)地調(diào)研和案例分析相結(jié)合的方法探討其對提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。本文將選擇不同行業(yè)、不同規(guī)模的企業(yè)作為研究對象，深入了解其自動化生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、實(shí)施過程，收集相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行系統(tǒng)分析[5]。同時(shí)，查閱大量文獻(xiàn)，了解自動化生產(chǎn)線的發(fā)展歷程和技術(shù)特點(diǎn)，以便更好地理解其應(yīng)用背景和前景。通過對比分析和案例研究，得出一些普適性的結(jié)論，并提出相應(yīng)的建議[6-7]。通過研究與實(shí)踐，深入探討自動化生產(chǎn)線的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，分析其在不同產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并總結(jié)出成功經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。研究結(jié)果將為制造業(yè)企業(yè)提供有益的指導(dǎo)意見，幫助企業(yè)更好地選擇、設(shè)計(jì)和實(shí)施自動化生產(chǎn)線。最后，提出一些未來發(fā)展的建議，探討自動化生產(chǎn)線在智能制造、綠色制造等領(lǐng)域的拓展可能性，為未來的研究提供參考，為企業(yè)提供科學(xué)的決策依據(jù)，促進(jìn)我國制造業(yè)的升級和轉(zhuǎn)型[8-9]。

1 設(shè)計(jì)路線

電飯鍋投料與老化自動線主要由PLC 控制，變頻器驅(qū)動電機(jī)，啟動驅(qū)動負(fù)載。因此，須深入了解電飯鍋投料與老化的流程，并掌握機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，同時(shí)需要掌握PLC控制技術(shù)、變頻器控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、氣動液壓技術(shù)等，對PLC和變頻器進(jìn)行各類參數(shù)設(shè)定，繪制氣動控制原理圖、電氣控制原理圖以及應(yīng)用案例控制流程圖和T 形圖的編寫，最后對PLC寫入相應(yīng)的程序得以實(shí)現(xiàn)[10-11]。

2 生產(chǎn)需求及工藝流程

電飯鍋投料與老化自動線主要針對電飯煲或電飯鍋進(jìn)行自動投料，可根據(jù)需要選用不同的生產(chǎn)模式，產(chǎn)品尺寸從Φ230 mm×200 mm到Φ350 mm×400 mm自由選擇。電飯鍋投料與老化自動線生產(chǎn)流程如圖1所示。生產(chǎn)線對應(yīng)不同的產(chǎn)品，自動往裝配好的電飯鍋里按照順序投放說明書、飯勺、米杯、電源線、排氣提等配件，工作過程中還能自動定位通電檢測，并自動剔除不合格產(chǎn)品，投放完畢后人工打包裝箱。針對不同種類的產(chǎn)品可設(shè)置不同的生產(chǎn)參數(shù)，按要求實(shí)現(xiàn)自動投料，自動化程度高，投料準(zhǔn)確、快速、高效。該生產(chǎn)線生產(chǎn)速度約為10～20 個/min，此速度可根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)。全線總功率約為5 kW，需配2位操作人員（一位在入口定位電飯鍋，另一位在出口打包裝箱），其余動作全程PLC控制，高效節(jié)能。

圖1 電飯鍋投料與老化自動線生產(chǎn)流程

在生產(chǎn)線準(zhǔn)備生產(chǎn)時(shí)，按下自動線的啟動按鈕，主輸送帶前行，各送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行備料，員工將電飯鍋靠放在工位擋塊上，并為其上電進(jìn)行老化，老化過程中進(jìn)行各配件的投送，電飯鍋來到自動線末端，員工將電飯鍋移除進(jìn)入打包入箱流程[12]。

核心動作投料過程出現(xiàn)的幾種情況：

（1）當(dāng)電飯鍋到來投料點(diǎn)正下方，配件還未到達(dá)振動盤送出口時(shí)，主輸送帶停下，等待配件到來；

（2）當(dāng)振動盤將配件送至出料口時(shí)，電飯鍋還未到達(dá)投料點(diǎn)正下方時(shí)，振動盤停下，等待電飯鍋到來；

（3）當(dāng)配件缺料時(shí)，系統(tǒng)必須發(fā)出報(bào)警，告知員工某類配件缺料；

（4）當(dāng)投料完成且電飯鍋到達(dá)輸送帶末端時(shí)，如果包裝員工因故離開了工作現(xiàn)場或者工作速度無法跟上，此時(shí)主輸送帶須自動停下，待員工將電飯鍋拿去打包裝時(shí)，輸送帶自動前行。

3 電飯鍋投料與老化自動線硬件設(shè)計(jì)

電飯鍋投料與老化自動線硬件設(shè)計(jì)包括機(jī)械硬件的設(shè)計(jì)和氣動回路設(shè)計(jì)。本文采用SolidWorks 軟件進(jìn)行機(jī)械硬件的設(shè)計(jì)。

（1）主輸送帶硬件設(shè)計(jì)

該輸送帶由帶機(jī)架、變頻器（異步電機(jī)）、步進(jìn)電機(jī)、定位塊及輸送鏈條與不銹鋼頂板組成。其中，機(jī)架用于固定所有的機(jī)械配件及安裝傳感器；變頻器用于驅(qū)動變頻電機(jī)帶動輸送鏈帶前行。工作時(shí)變頻輸送，可根據(jù)需要調(diào)整輸送速度；定位塊用于對電飯鍋進(jìn)行精確定位，以便于電檢測時(shí)，對電飯鍋接通電源；定位條主要對輸送系統(tǒng)的步進(jìn)進(jìn)行精確定位，以便精確投料。同時(shí)輸送帶上每隔500 mm還裝配有一個電源插座，便于電飯鍋干燒檢驗(yàn)；步進(jìn)電機(jī)用來調(diào)整不同型號電飯鍋投放時(shí)對齊鍋心與投料點(diǎn)；輸送鏈條與不銹鋼頂板用來承載電飯鍋，讓其平穩(wěn)前行。主輸送帶硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主輸送帶硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（2）說明書配送器硬件設(shè)計(jì)

說明書配送器用于整理排列計(jì)數(shù)輸送電飯鍋說明書，可以根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整輸送速度，保證每個電飯鍋投放一本說明書。說明書配送器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 說明書配送器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（3）振動送料盤硬件設(shè)計(jì)

振動送料盤用于整齊排序各類配件，在料盤出口處安裝氣缸擋在片（未畫出），以防止配件在電飯鍋未到時(shí)掉落。該振動送料盤經(jīng)過傳感器將信號反饋回給PLC，PLC 控制氣動元件動作，使得配件能夠準(zhǔn)確掉入到電飯鍋。振動送料盤硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 振動送料盤硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

（4）自動電檢測裝置硬件設(shè)計(jì)

該裝置主要用于對電飯鍋進(jìn)行電檢測。工作時(shí)，先由人工把電飯鍋放到輸送帶上的紫色定位塊上，使電飯鍋插電源處的凹位與定位塊緊密配合，定位塊上配有專用插頭，與電飯鍋電源接通。當(dāng)電飯鍋在輸送帶上向前輸送時(shí)，可以在自動電檢位置自動接通電飯鍋電源并進(jìn)行檢測。檢測合格的電飯鍋被自動送往下一道工序，檢測不合格的產(chǎn)品將會被機(jī)械手提升并送往旁邊的緩沖區(qū)，等待維修。自動電檢測裝置硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 自動電檢測裝置硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 電飯鍋投料與老化自動線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電飯鍋投料與老化自動線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括每個主模塊氣動回路圖的設(shè)計(jì)、主電路設(shè)計(jì)、PLC 的IO 口定義。PLC 是整個控制系統(tǒng)的核心，它收集傳感器、按鈕開關(guān)和觸摸屏的信號，驅(qū)動變頻器、各類送料機(jī)構(gòu)、自動檢測系統(tǒng)以及指示燈報(bào)警[13]。電飯鍋投料與老化自動線系統(tǒng)框架如圖6所示。

圖6 電飯鍋投料與老化自動線系統(tǒng)框架

（1）氣動回路設(shè)計(jì)

氣動回路的設(shè)計(jì)采用Automation Studio，在氣動控制上，使用了多種氣動元件，如氣站、氣動三聯(lián)件、兩位五通電磁換向閥、單向節(jié)流閥、旋轉(zhuǎn)氣缸、真空發(fā)生器、雙作用單軸氣缸等。氣動回路圖設(shè)計(jì)及時(shí)序仿真分析界面如圖7所示。

圖7 氣動回路圖設(shè)計(jì)及時(shí)序仿真分析界面

（2）主電路控制原理設(shè)計(jì)

主電路使用了低壓斷路器、繼電器、接觸器、按鈕、整流變壓器、熔斷器、步進(jìn)驅(qū)動器、變頻器等，其電路原理圖如圖8 所示。當(dāng)把低壓斷路器全部合上時(shí)，按下系統(tǒng)的電源上電按鈕，所有用電設(shè)備上電，系統(tǒng)就緒，等待按下啟動按鈕運(yùn)行[14]。

圖8 主電路控制原理

（3）PLC程序設(shè)計(jì)

PLC 程序的設(shè)計(jì)依據(jù)其實(shí)際動作編制而成，圖9 所示為其運(yùn)行過程中的順序流程[15]。

圖9 系統(tǒng)的順序流程

5 應(yīng)用驗(yàn)證效果分析

本文自動生產(chǎn)線由獨(dú)立的控制柜控制，通過人機(jī)界面設(shè)置、調(diào)節(jié)各參數(shù)以及監(jiān)控生產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)。其中，可調(diào)參數(shù)包括主輸送帶輸送速度、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)錯誤報(bào)警、缺料報(bào)警、老化電飯煲總數(shù)、故障電飯鍋數(shù)量、電飯煲故障率、投料電飯煲總數(shù)、投料速度。

開機(jī)前，在起點(diǎn)位置準(zhǔn)備空電飯煲，在各個配件投料裝置分別裝入一定量配件，在終點(diǎn)位置準(zhǔn)備一定量包裝盒。開機(jī)后，由起點(diǎn)處員工定位安裝空電飯煲，自動電檢測裝置自動通電檢測、干燒老化，剔除不合格產(chǎn)品，由配件投料裝置依次自動投入飯勺、米杯、電源線、通氣提、說明書，之后自動線將電飯煲?guī)У浇K點(diǎn)，由人工打包裝箱。本生產(chǎn)線針對不同種類的產(chǎn)品設(shè)置不同的生產(chǎn)參數(shù)，可按要求實(shí)現(xiàn)自動投料，自動化程度高，投料準(zhǔn)確、快速、高效，生產(chǎn)速度約為10～20 min/百個，速度可根據(jù)需要自由調(diào)節(jié)。該生產(chǎn)線有以下兩個特點(diǎn)。

（1）多種配件自動投料精準(zhǔn)、高效

使用1個定位傳感器用于檢測鍋心是否到位，5個投料工位傳感器用于檢測投料點(diǎn)是否有鍋。

投料精度取決于電飯鍋停止時(shí)鍋心是否正對于配件投料點(diǎn)，為提高自動投料精度，將定位傳感器裝在步進(jìn)控制的絲桿軸上使之可以左右移動，這樣用戶就可以在觸摸屏上選擇不同型號的電飯鍋，以確保鍋心能夠正對投料點(diǎn)。

為提高自動投料效率，讓投料“備好即等，投完即走”。定位傳感器檢測鍋心到位后：若投料工位有電飯鍋：傳送帶停止，進(jìn)行投料，準(zhǔn)備下一配件，等待所有工位的電飯鍋都投料完成后，傳送帶繼續(xù)前行；若投料工位無電飯鍋，傳送帶繼續(xù)前行，不進(jìn)行投料。

（2）移動中干燒老化時(shí)電飯鍋的持續(xù)供電

自動投料的同時(shí)進(jìn)行干燒老化，電飯鍋不斷前行，需為其持續(xù)供電，本設(shè)計(jì)采用“2 條銅軌，2 個銅刷，1個插座”解決這個問題。干燒老化時(shí)電飯鍋的持續(xù)供電工作如圖10 所示。2 條高導(dǎo)電性銅軌貫穿生產(chǎn)線始末，接在220 V 的交流電源上，每個工位的不銹鋼板上安裝一個插座，同時(shí)不銹鋼板與2 個銅刷之間用絕緣板固定在一起，這樣當(dāng)電飯鍋電源接在插座上時(shí)，電刷可沿著銅軌前行，持續(xù)為移動的電飯鍋供電。為防止有金屬條狀物從2 塊不銹鋼板之間的縫隙掉入橫架在2 條銅軌之間而導(dǎo)致短路，對銅軌采用下沉式處理，讓銅軌嵌入絕緣材料。

圖10 干燒老化時(shí)電飯鍋的持續(xù)供電工作示意

該生產(chǎn)線使用前：電飯煲企業(yè)均采用人工老化和配件投料生產(chǎn)線，每個條生產(chǎn)線需配備12 名員工，完成100 個電飯煲的老化和配件投料所需時(shí)間為100 min；二次檢測時(shí)，每100 個電飯煲所需時(shí)間為20 min，發(fā)現(xiàn)其中配件投料錯誤有2～6個。

該生產(chǎn)線使用后：僅需2名員工，完成100個電飯煲的老化和配件投料所需時(shí)間為15 min；對完成包裝的電飯煲進(jìn)行檢測，沒有發(fā)現(xiàn)有配件投料錯誤的情況發(fā)生，正確率為100%，因此省去二次抽檢的工序。

6 結(jié)束語

電飯鍋投料老化生產(chǎn)線的成功研發(fā)對電飯鍋分揀老化環(huán)節(jié)有著重要意義，不僅提高了生產(chǎn)效率、提升了產(chǎn)品質(zhì)量、壓縮了人力成本，更重要的是讓企業(yè)深刻地體驗(yàn)到了自動化設(shè)備的優(yōu)越性及當(dāng)前時(shí)期設(shè)備更新的緊迫性，為提質(zhì)增效、減排做出了貢獻(xiàn)，為小家電行業(yè)的自動化轉(zhuǎn)型升級提供了較好的示范。

該生產(chǎn)線投入使用后，每條自動生產(chǎn)線工人由12 人減少至2 人，大幅降低了人力成本。同時(shí)，提高了產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性及效率，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和市場應(yīng)用前景。