新型全自動均勻布料機的研究

謝友寶，熊小明，袁 剛，張 睿

（南昌航空大學 航空制造工程學院，南昌 330063）

0 引言

布料機是預制廚衛排氣道自動生產線的重要設備之一。傳統的布料運用人工操作和半自動機械操作。這些方式生產效率低，容易造成澆注材料的浪費。目前排氣道的布料方式有兩種，一種為模具靜止，布料小車在軌道行走；另一種為布料機靜止，模具移動。本文所介紹的新型全自動均勻布料機應用于后者，此設備是基于對置搖桿滑塊機構[1]而設計，運用PLC控制器、雷達料位計和直線位置儀等檢測設備組件控制系統。此設備具有結構緊湊、自動化程度高、操作方便，可靠性高、成本低的特點，可以適應不同尺寸規格預制廚衛排氣道的特點。

1 總體設計及工作過程

1.1 總體設計

該自動均勻布料機要求自重限制在1000kg以內；外形尺寸為4m×0.8m×3.2m，澆注口移動最大距離為3.2m,理論流量為4m3/h。需具有能夠實時測量澆注料的高度、根據實時測量數據自動控制下料量和自動刮平功能。

考慮到該自動均勻布料機需進行往復直線運動，擬利用對置搖桿滑塊機構能夠在搖桿擺動一個周期內完成兩倍行程的往復移動。澆注材料為發泡水泥，質量輕，澆注料無顆粒大的骨料，自身流動性能較好，將導料管直接作為搖桿和連桿，在滿足機構運動要求的前提下，能夠簡化設備結構和減輕設備重量。新型自動化均勻布料機上主要動力來源于電機2，通過動力傳動系統3將電機的旋轉運動轉換為移動澆注平臺的直線運動。隨著移動澆注平臺運動，連桿導料管和搖桿導料管也隨之擺動。作者應用Unigraphics NX7.0軟件進行三維建模，其總體結構如圖1所示。

圖1 均勻自動布料機總體結構圖

1.2 工作過程

首先當移動模具小車到達機架下方，模具小車碰接觸開關，自動均勻布料機初始位置設定在右側限位開關處。電機啟動并逆時針轉，通過動力傳動模塊拉動移動澆注平臺向左移動。同時進行的還有電控閥打開和步進電機正旋轉，刮板運動從上側接近開關至下側接近開關，移動澆注平臺運動分為兩步：1）初次澆注運動，即低速勻速運動，其主要作用是將大部分的澆注料注入模具內。澆注平臺移動速度根據系統設定初次澆注量確定；2）二次澆注運動，即變速運動，其主要作用是對模具內澆注料表面進行刮平，并對一些少料位置進行補料。雷達料位計通過發射雷達波測量澆注料高度，流量計通過測量實時流量，電機慢速均勻旋轉。當移動澆注平臺接觸左側限位開關，電機順時針旋轉。移動澆注平臺向右移動，刮板跟隨移動澆注平臺移動將多余的澆注料自左向右刮平。前后雷達料位計檢測澆注料的高度差，電機轉速根據澆注料實際高度與設定澆注高度差值和實時流量確定澆注平臺移動速度。流量計到達完成待澆注量時，電控閥通電，停止落料。當移動澆注平臺碰到右側接近開關，電機停轉，完成澆注工序。與此同時，刮平系統中的步進電機反轉，將刮板提升至初始位置。然后已經澆注好的模具小車駛離澆注工位，另一部小車進入機架下方，如此循環下去。

2 機械結構設計

2.1 擺動導料管和連桿導料管長度的確定

圖2為此設備的機構簡圖。C0為滑塊初始位置，C1和C2為滑塊兩極限位置。設擺動導料管長度A0B0= l1，連桿導料管為B0C0= l2，鉸鏈中心A0對于導路的偏置距離A0C0=e，L為移動澆注平臺行程的一半。根據對置搖桿滑塊機構的特性[2,3]，即：

圖2 新型全自動均勻布料機機構簡圖

機構運動為了使澆注料落料順暢，要求l1與l2的夾角不得小于90°。取根據（澆注模具小車高度為0.8m,取機架高度為1m）。得到：

求得：l1=l2≥ 1.13m， 取 l1=l2=1.2符合要求s≤ 2。

2.2 動力傳動系統設計

由于澆注時移動速度較慢，主電機輸出轉速太大不符合使用要求，故選用帶有減速器的電機，并在減速器的輸出端增加帶傳動，進一步增大傳動比。再通過輸送鏈的鏈傳動將動力等速傳遞給移動澆注平臺。從而獲得移動澆注平臺獲得較低的直線移動速度。

2.3 刮平系統設計

由于澆注后，澆注料在成型模具上表面會呈現波浪形，直接影響預制排氣道的表面質量，故在澆注完成后，需要對澆注材料進行刮平。此機構通過步進電機帶動絲桿螺母旋動，絲桿螺母帶動一端連接在刮板上的絲桿上下移動。實現刮板在兩根導柱的引導下上下移動。

3 控制系統設計

3.1 系統硬件組成

控制系統模式硬件包括上位機、PLC控制器、變頻器、檢測儀器。上位機為PC機，PLC選用西門子S7-200,該PLC[3,4]由電源模塊、CPU模塊、以太網通訊模塊、總線通訊模塊、模擬量輸入輸出模塊等組成。檢測儀器包括智能流量計、雷達料位計、直線位置檢測儀、接近開關和限位開關等；執行元件有電機、電控閥。流量計、直線位置儀、雷達料位計組與PLC通訊采用4～20mA信號，變頻器通過現場總線與PLC連接。

3.2 系統控制原理

自動均勻布料機括電機控制模塊、流量控制模塊、刮平運動控制模塊和料位在線檢測模塊四部分。

1）電機控制模塊是通過料位在線檢測模塊檢測數據，通過程序計算移動澆注平臺實時的移動速度，并通過改變變頻器頻率調節電機的轉速。為避免移動澆注移動速度過快，對電機速度進行設定變化范圍。

圖3 硬件系統框圖

移動平臺速度計算公式：

2）流量控制模塊由智能流量計與電控閥組成，智能流量計安裝與儲料斗下方，用于檢測實時流量，并把數據傳送至PLC控制器，PLC通過累計計算程序計算從右側至左側所用澆注材料體積V1和往返一次所用澆注材料的體積V2；電控閥安裝于流量計下端，用于控制下料口開合狀態。動作完成后反饋一個開合狀態信號給PLC。

3）刮平運動控制模塊主要是通過PLC給步進電機驅動器發送信號控制步進電機的轉動角度來控制絲桿旋轉角度，進而驅動刮板上下運動。

4）料位在線檢測模塊由雷達料位計、直線位置檢測儀構成，兩個雷達料位計分別安裝在澆注口左右兩側，用于動態檢測移動澆注平臺澆注口前后瞬時料位，取平均值即得到I實際高度。并跟蹤記錄測量數據，直線位置檢測儀安裝在機架的一側，用于檢測移動澆注平臺的位置。并保存檢測數據。

圖4 控制原理示意圖

4 結束語

作為預制廚衛排氣道自動化生產線上的一臺機電一體化新型布料設備。它具有很好的市場前景和應用意義，應用此設備將擯棄以往人工布料和半自動化布料的工藝，不僅彌補之前所采用布料方式的不足，而且降低了制造成本，能夠快速的將澆注料均勻的布滿模具，實現澆注自動化。

[1] 鄭晨升. 滑塊機構的分類方法及其運動特性分析[J]. 機械科學與技術, 2002, 21(4): 560-570.

[2] 洪小南, 沈世德, 潘小寧. 近似等速搖桿滑塊機構的設計[J].機械設計與研究, 1994, 03: 9-10.

[3] 常用機構的原理及應用編寫組. 常用機構的原理及應用[M]. 機械工業出版社, 1978.

[4] 深入淺出西門子WinCC V6[M]. 北京航空航天大學出版社, 2004.

[5] 龔仲華. S7-200/300/400PLC應用技術-提高篇[M]. 人民郵電出版社, 2004.