基于PLC的不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線設計

李偉光，蒙啟泳，練小華

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510641）

0 引言

不銹鋼餐廚具由于具有良好的剛性、耐蝕性、耐銹性和美觀性等特點，在食品工業、餐飲服務業和家庭生活中得到了廣泛應用，其具有廣闊的市場前景[1]。

不銹鋼餐廚具的生產工序一般包括：開料—沖壓—拉伸—飛邊—清洗—復合壓力焊—拋光—砂光—壓底—點焊—抹粉—包裝等。復合壓力焊工序是不銹鋼鍋制造的重要工序之一，其生產目的是：在不銹鋼鍋的鍋身底部外加上一層鋁片，外面再用一層包底片把鋁片覆蓋；其生產流程是：先將鋁片與包底片點焊在一起，后整體和鍋身底部點焊成一整體，然后經中頻加熱機對鍋底加熱到一定的溫度，之后經沖壓機在一定的壓力下進行沖壓，最后經冷卻輸送帶冷卻后完成整個工序；其生產作用是：使不銹鋼復合鍋的導熱性能均勻，提升烹飪效果，提高不銹鋼鍋的使用壽命。

在不銹鋼鍋復合壓力焊的生產工序中，國內大多數不銹鋼餐廚具制造企業基本上是采用人工或半自動化的方式進行，從改善工人工作環境、降低工人勞動強度、提高生產效率、自動化水平和產品質量等方面考慮，急需對不銹鋼鍋復合壓力焊工序進行自動化改造。

1 不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線總體方案

1.1 不銹鋼鍋復合壓力焊生產流程

不銹鋼復合壓力焊的生產流程如圖1所示，首先將鋁片與包底片點焊在一起，后整體和不銹鋼鍋鍋身底部點焊成一個整體，然后經中頻加熱機對鍋底加熱到500℃左右的溫度，之后再經沖壓機在一定的壓力下進行沖壓，最后經冷卻輸送帶冷卻后完成整個工序。

圖1 不銹鋼復合壓力焊的生產流程

目前，不銹鋼鍋工件在轉運的過程中需借助人工實現，這存在著一定的安全隱患，首先，中頻加熱過程是在幾百度的高溫條件下進行的，不銹鋼鍋工件本身的溫度較高，而從中頻加熱機到沖壓機的轉運過程是靠工人手工完成的，容易造成燙傷；其次，壓力焊工序本身產生較大的振動和噪音，影響工人的身體健康；再次，工人在沖壓機裝卸工件時必須把身體(頭和手)伸入沖壓機內部，具有相當大的危險性。此外，一條復合壓力焊生產線中中頻加熱工序需要兩名工人，沖壓工序需要兩名工人。

為了解決傳統不銹鋼鍋復合壓力焊生產工作的環境惡劣、工人勞動強度大、生產效率低下和自動化水平低等問題，迫切需要對不銹鋼鍋復合壓力焊工序進行自動化改造升級。

1.2 不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線總體方案介紹

本方案在綜合現場設備的尺寸、布局以及復合壓力焊的工藝流程，構建了由已有的中頻加熱機、沖壓機、冷卻輸送帶，新增加的送料輸送帶、送料機械手、上下料機械手、出料輸送帶組成的不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線，如圖2所示，把中頻加熱機和沖壓機進行局部視圖后的俯視圖如圖3所示。

圖2 不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線

工作時，當傳感器檢測到中頻加熱機完成對不銹鋼鍋工件加熱時，送料輸送帶把不銹鋼鍋工件輸送到送料機械手，不銹鋼鍋工件經等待區進入到送料機械手的末端位置，然后推料機械手把不銹鋼鍋工件推送到沖壓機的模具上方，同時把已沖壓的不銹鋼鍋工件推送到出料輸送帶，之后推料機械手在氣缸的作用下翻轉，并退回到初始位置等待下一個循環，上下料機械手對不銹鋼鍋工件夾緊，然后通過上下料機械手上的伸縮氣缸的伸出實現對不銹鋼鍋工件的入模，入模成功后，沖壓機對不銹鋼鍋工件進行沖壓，沖壓結束后，通過伸縮氣缸的縮回實現對不銹鋼鍋工件的出模，然后推料機械手把已沖壓的不銹鋼鍋工件推送到出料輸送帶上，不銹鋼鍋工件經出料輸送帶傳送到冷卻輸送帶進行冷卻，完成一個復合壓力焊工序循環。

圖3 不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線俯視圖

2 不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線關鍵結構設計

2.1 送料輸送帶結構設計

送料輸送帶的工作要求是把已加熱的不銹鋼鍋工件快速輸送到送料機械手，如圖4所示，其包括一號輸送帶單元和來回推料單元，一號輸送帶單元采用不銹鋼網帶結構，在送料輸送帶電機的運轉下可以把已加熱的不銹鋼鍋工件快速的向送料機械手方向輸送，來回推料單元包括送料輸送帶氣缸、導桿、圓導軌、推桿和彈簧等，兩個相同的氣缸安裝在一號輸送帶單元上，工作時，兩個送料輸送帶氣缸在電磁閥的控制下按照一定的時序來回運動，在導桿的導向作用下，實現推桿的來回運動，當不銹鋼鍋工件運動到推桿的區域，推桿的回縮運動可以使不銹鋼鍋工件快速轉移到送料輸送帶的中間位置，然后經過送料輸送帶上的過渡輥過渡到送料機械手。

圖4 送料輸送帶結構

2.2 送料機械手結構設計

送料機械手的工作要求是把在送料機械手末端的不銹鋼鍋工件快速推送到沖壓機內部的模具上方，如圖5所示，其包括二號輸送帶單元、等待區、推料機械手和翻轉機械手，二號輸送帶單元采用不銹鋼網帶結構，在送料機械手輸送帶電機的運轉下可以把已加熱的不銹鋼鍋工件快速的向送料機械手末端方向輸送，等待區由攔截定位桿、光傳感器、一號攔截氣缸和二號攔截氣缸組成，光傳感器用于判斷其前方是否有不銹鋼鍋工件經過，一號攔截氣缸和二號攔截氣缸的伸出與縮回可以使不銹鋼鍋工件在相應的等待區等待，推料機械手由送料氣缸、長導桿、轉動平臺和推料機械手組成，送料氣缸的伸出可以把已加熱的不銹鋼鍋工件通過推料機械手快速準確的推送到沖壓機內部的模具上方，翻轉機械手由翻轉氣缸連接推料機械手而成，工作時，當推料機械手從沖壓機內部退回，翻轉氣缸伸出，使推料機械手轉動一定的角度后避開在模具上方待沖壓的不銹鋼鍋工件退回到初始位置。

圖5 送料機械手結構

圖6 上下料機械手

2.3 上下料機械手結構設計

上下料機械手的工作要求是實現在沖壓機模具上方的不銹鋼鍋工件的入模與出模，如圖6所示，其包括基座、豎直升降運動裝置和水平工作臺，前后兩個基座通過螺栓連接在原有的沖壓機上，左右兩個豎直升降運動裝置與基座連接，水平工作臺通過線性導軌與豎直升降運動裝置相連，豎直升降運動裝置包括鎖緊塊、圓導軌、直線導軌、緩沖橡膠墊和伸縮氣缸，伸縮氣缸的縮回與伸出實現支撐臺的上升和下降，水平工作臺包括光傳感器、夾緊氣缸和工作臺，光傳感器用于判斷其前方是否有不銹鋼鍋工件經過，夾緊氣缸的伸出與縮回實現不銹鋼鍋的夾緊與松開，工作時，兩個夾緊氣缸同時伸出把沖壓機模具上方的不銹鋼鍋工件夾緊，然后兩個伸縮氣缸同時伸出使水平工作臺平穩下降，從而使不銹鋼鍋工件入模，當傳感器檢測到不銹鋼鍋入模成功后，沖壓機沖壓，沖壓結束后，伸縮氣缸縮回使水平工作臺平穩上升，實現已沖壓不銹鋼鍋的出模，之后送料機械手把已沖壓的不銹鋼鍋推送到出料輸送帶。

由于生產不同形狀的不銹鋼鍋需要更換沖壓機里的模具，通過松開鎖緊塊，然后把水平工作臺沿著直線導軌移開，即可以進行模具更換工作，模具更換完畢后，把水平工作臺移到原來的位置，再拎緊鎖緊塊，即完成換模工作。

3 不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

為了滿足不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線的控制要求，控制系統采用基于PLC和觸摸屏的控制方案[2]，其中PLC選用三菱公司型號為FX2N-64MT的產品，觸摸屏選用WeinView公司型號為MT-506M的產品，觸摸屏通過RS232C串口和CPU進行通訊[3]，控制系統硬件結構組成如圖7所示。

圖7 控制系統硬件結構圖

3.2 控制系統軟件設計

按照上述設計過程，將控制系統運行方式分為手動運行和自動運行兩大部分。其中，手動運行方式可以實現各個模塊的單獨手動控制操作；自動運行方式采用順序控制方法，能對各邏輯關系、順序等進行精確控制，使各模塊有條不紊互相協調運行[4]，控制系統的程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

4 結束語

根據任務確定了不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線的機械本體和控制系統方案，將不銹鋼鍋復合壓力焊自動化生產線分為送料輸送帶、送料機械手、上下料機械手和出料輸送帶，并選用PLC和觸摸屏對自動化生產線進行控制。經現場調試運行，本自動化生產線運行良好，達到了設計要求。企業使用后反映，該設備運行穩定性好，可靠性高，投入生產線后，不但改善了工人工作環境和降低了工人勞動強度，而且還提高了生產效率和產品質量。

[1] 楊世杰, 閻秋生. 復合底不銹鋼鍋高溫坯料自動上下料方案優化設計[J]. 機電工程技術, 2011, 40(05): 71-72.

[2] 張海英, 劉勝明. 基于PLC的氣動吸盤式工業機械手設計[J]. 機械工程師, 2010(11): 32-33.

[3] 周麗芳, 羅志勇, 等. 三菱系列PLC快速入門與實踐[M].北京: 人民郵電出版社.

[4] 朱超, 楊建國, 等. 基于PLC 的負極片自動化生產線控制系統設計[J]. 制造技術與機床, 2012(2): 74-76.