琴弓的自動生產系統*

彭 芳，王佳慶，劉 俊

（蘇州工業園區職業技術學院機電工程系，江蘇蘇州 215123）

琴弓的自動生產系統*

彭 芳，王佳慶，劉 俊

（蘇州工業園區職業技術學院機電工程系，江蘇蘇州 215123）

琴弓是弦樂器的一部分，用來令琴弦振動發出聲音。目前琴弓主要以半手工半機械的生產方式來生產。若以自動化生產系統來代替手工制作將會大大降低生產成本，提高生產效率，并且有效地減少倉庫材料的積壓，降低生產損耗。對琴弓的自動化生產系統進行了完整的設計，對控制系統的硬件結構和傳動控制方案進行了研究，利用順序編程實現琴弓自動化生產系統的控制要求。最后完成了整個輸送及生產部分的任務。

琴弓；自動生產系統；PLC

0 引言

琴弓是弦樂器（如小提琴）的主要組成部分。好的小提琴一定要配一根好的琴弓，這樣小提琴才能發揮其良好的的音效能，使發出的聲音更加優美。就算是同一演奏者和同一把小提琴，由于琴弓的不一樣，其發出的音效效果也不相同，足以見得琴弓占據的地位。

琴弓主要由馬尾、馬尾庫、弓尾、弓頭、弓桿、調節螺絲組成。馬尾是琴弓的重要組成部分，琴弓通過馬尾摩擦琴弦而發音。馬尾庫連接著弓尾，馬尾的一端嵌在弓毛庫的榫眼中。在馬尾庫靠近馬尾的一面，擰入調節螺絲的螺母。弓尾又叫弓根，是弓桿的尾端，它連接著馬尾庫和調節螺絲。弓頭是弓桿的尖端、琴弓的頭部，弓毛的一端就用小木塞嵌在弓頭的榫眼中。在弓頭木的表面，膠有弓頭片，它具有防止弓頭木開裂和裝飾的作用。弓桿是一根長而圓(或八方形)的木桿，為琴弓的主要部件。調節螺絲起調節馬尾松緊的作用，又叫弓尾螺絲。琴弓的結構示意圖如圖1所示。

圖1 琴弓結構示意圖

一支琴弓的制作需要多道嚴格的工序，要控制好制弓木材性能、馬尾的質地這兩道關，還要注意弓身的線條、弓頭的造型、平衡點的位置[1]。目前琴弓的生產多以半手工半機械為生產方式，生產一根琴弓時間較長，以自動化來代替前期制作會大大降低生產成本，節省人力。而本課題主要研究的就是琴弓自動化生產的控制系統設計。

設計自動化生產系統可以降低成本，簡化加工的工序，提高生產效率。

1 系統設計

整個系統由現場設備、下位機以及上位機三大設備組成。下位機由controlLogix控制系統組成。羅克韋爾公司的PLC一ControILogix5561為中心，它是高度模塊化結構的，可以靈活擴展和組合的控制器，其處理器和各個模塊之間是通過背板總線完成組態的，各模塊可以方便插在背板上面操作簡便、可維護性強。上位機為PC機，遠程實時監控現場設備[2]。

現場設備為自動生產線系統。琴弓的自動化生產線工作示意圖如圖2所示。將銑好的弓子坯料放在卡槽上通過傳送帶輸送到弓身加工模塊，對弓身進行繞絲貼羊皮。然后將其輸送到弓頭加工模塊，用膠水將弓頭片貼在弓尖上，繼續運送到打磨機位置進行弓頭打磨，然后運送到打孔機位置在弓頭上打出圓孔，并且在弓尾打出安裝調節螺絲的螺絲孔和安裝馬尾庫用的長方孔。然后通過傳送帶將其運送到裝配模塊，將馬尾的一端沾上乳膠并塞入弓頭上打好的圓孔，并且塞入木塞壓緊至孔內，馬尾的另一端已經裝在馬尾庫里，將馬尾庫安裝在弓尾的長方孔上并安裝調節螺絲。安裝好后通過搬運模塊將琴弓搬運到傳送帶上等待的卡槽盒中（裝貨區），卡槽盒裝滿后擋板下降卡槽盒傳送到卸貨區，等待工人精加工。

圖2 自動化生產線工作示意圖

2 自動化生產線各模塊的實現

2.1 弓身加工模塊

剪切好的羊皮卷（寬度為25毫米）在卷軸上，用電機驅動卷軸旋轉，電動機的運動控制由變頻器實現。當羊皮從卷軸上打開時，羊皮上側會自動涂抹上膠水，然后通過旋轉纏繞到琴桿上，纏繞完成后，會有燒熱的工具熨燙羊皮接縫處，使其平整。羊皮的張力由張力調節桿來感應張力變化情況，給出調節信號到變頻器。

2.2 弓頭加工模塊及打磨機

經傳送帶把上一模塊加工后的琴弓傳送到這里，首先在弓頭上沾膠，然后吸盤吸取弓頭片將其黏結在弓頭上。弓頭打磨，用打磨機磨出弓頭的大致形狀。

2.3 打孔機

該打孔機有三個工位，第一個工位是用鉆頭在弓頭上打出圓孔；其后第二個工位用機器打出弓子尾部安裝調節螺絲的孔；第三個工位銑出安裝馬尾庫的長方形孔。

2.4 裝配模塊

裝配模塊是由機械裝置和控制裝置構成，其中機械部分主要是使用氣動執行機構來完成動作，通常包括四個部分∶料倉換位部件、上下搖臂部件、真空吸盤搬運機械手、工件推出部件。控制部件包括：開關電源、可編程序控制器、操作面板等組成。

工件裝配裝置主要任務是將馬尾的一端沾上乳膠并塞入弓頭上打好的圓孔，并且塞入木塞壓緊至孔內，馬尾的另一端已經裝在馬尾庫里，將馬尾庫安裝在弓尾的長方孔上并安裝調節螺絲。打好孔的弓桿由前一工作站送來，馬尾、木塞、馬尾庫及螺絲為本站提供。首先裝配模塊接收到從前一站傳送過來的弓桿，把當前弓桿固定到裝配工位上，使弓頭的圓孔處于待裝配A位置，弓尾的長方形孔及螺絲孔位于待裝配的B位置。料倉中存儲馬尾，馬尾推出氣缸伸出將料倉中的馬尾推出，對準弓身弓頭的圓孔，塞入該圓孔中；木塞推出氣缸伸出，旋轉手臂的真空吸盤吸住木塞；旋轉手臂向裝配工位回轉，木塞塞入裝配工位上弓身的圓孔中；完成裝配后，真空旋轉手臂在搖臂氣缸的作用下復位；馬尾庫及螺絲也通過類似方法裝配到弓桿上，從而完成一次工件裝配工作。

2.5 搬運模塊

該搬運模塊應用氣壓傳動，具有不污染環境、動作靈活迅速、操作維修簡便、使用方便、適于在惡劣環境下工作以及工作安全可靠等優點，該模塊是由基座及手臂等部分組成，各部分又通過相應的氣缸來實現預定動作。磁場式傳感器用于檢測傳送裝置的各個氣缸的兩個極端位置，真空吸盤的放氣與吸氣由壓差開關進行檢測。整個控制系統由氣動執行元件、電磁換向閥、傳感器和PLC等部分組成[3-4]。

搬運模塊的氣動控制系統是由氣動三聯體、各氣缸和真空發生器的控制閥以及氣源組成順序動作回路。其氣動控制原理如圖3所示。氣源出來的氣體經過氣動三聯體減壓、潤滑、過濾處理后，通過相應的電磁換向閥來驅動各氣動執行元件，實現預定動作。其中直線氣缸、升降氣缸、擺動氣缸是通過各自的三位五通或兩位五通雙控電磁閥來控制，使各氣缸能夠停止在預先設定的位置上。

圖3 搬運模塊氣動回路圖

搬運模塊PLC的程序設計系統流程圖如圖4所示。PC通過通訊口將程序傳送給PLC，PLC檢測和接受各種按鈕開關與傳感器信號，運行程序，通過輸出點輸出的DC0V電源控制電磁換向閥的失電與得電，實現換向，從而接通氣路通道對氣動執行元件進行控制。

2.6 傳送系統模塊

在該自動化生產系統中，每個加工模塊之間多處使用傳送帶進行傳輸，在此設計中的傳送帶需要滿足以下功能。傳送帶整體是一個回路，即：從頭傳送出的卡槽最后會回到起始位置。

傳送模塊由分開的幾條傳送帶組成；下一個模塊沒運作完成時，前面一段傳送帶擋板升起阻止后方的卡槽；卡槽在傳送帶上運作時有限位保護；整個傳送系統有一部分出現故障時，全部的傳送帶全部停止運行；整個傳送系統必須設置急停按鈕，以防發生意外。

在選擇傳送帶的驅動電機時，假設過大地選擇電動機功率，“大馬拉小車”的現象就會發生。電機的輸出機械功率得不到充分的使用，而且效率及功率因數都不會高，這種情況將對電網及用戶都不好。同時也會造成電能的浪費。正確選擇電動機的功率，需要經過比較和計算。在這里選擇三相異步電動機，型號為51K40GN-Y，規格為AC220/ 380V，200W，0.45A，1450r/ min，50/60Hz。

圖4 搬運模塊PLC的程序設計系統流程圖

在該自動化生產線中，有很多地方用到傳感器來完成檢測操作，主要是反射式光電傳感器和磁感應傳感器。反射式光電傳感器檢測傳送帶上的卡槽和卡盒，檢測卡槽上的琴弓。磁感應傳感器檢測氣缸的伸出和回縮是否到位。

2.7 其他輔助模塊

在整個自動生產線中，進行打磨和開孔的時候會產生木屑，堆積多了會影響生產線工作，所以在打磨弓尖模塊、弓尖開孔模塊、調教螺絲開孔模塊、馬尾庫開槽模塊處安裝吸塵器，以降低木屑對生產的影響。

整個生產線運作的時候會產生較大的噪音和震動，所以在每個單元的支架下安裝海綿，以降低生產線運作時產生的震動和噪音。

3 結束語

通過系統設計及各個模塊的具體實現，本文設計實現了琴弓自動生產線。在實際應用中將會降低生產成本，提高生產效率，并且有效地減少倉庫材料的積壓，降低生產損耗。實踐證明琴弓自動化生產線具有很大的應用價值和發展前景。

［1］吳昌紅.渭塘琴弓拉響在世界舞臺［N］.新華日報，2007.8。

［2］高凌云.基于PLC的氣動自動生產線的研究［M］.成都：西南石油大學，2011.

［3］于洋，陳乃建，徐霞.基于PLC的氣動炸藥搬運機械手研制［J］.北京：人民郵電出版社，2010.

［4］彭芳，施長浩，鐘煒.基于PLC的氣動吸盤式物料傳送裝置［J］.機電工程，2009（10）：109-110.

Automatic Production System of the Bow

PENG Fang，WANG Jia-qing，LIU Jun
（Department of Electrmechical，Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology，Suzhou215123，China）

The bow is a part of the stringed instrument，which is used to make the string vibrate to produce the sound.At present，the bow is made mainly in the way of half manual and half mechanical production.If using the automatic production system to replace handmade，it will reduce the cost remarkably and improve production efficiency.At the same time it will reduce the backlog of warehouse material and the production waste.In this paper，it introduces the bow’s automatic manufacturing system，and researches on the hardware structure and control scheme of the system，meets the requirements for the blow automatic manufacturing system through sequential programming technology，fulfils all the tasks of transportation and production.

bow；automatic manufacturing system；PLC

TP29

：A

：1009－9492(2014)11－0089－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.025

彭 芳，女，1981年生，四川廣安人，碩士研究生，工程師/講師。研究領域：機電一體化。

王佳慶，男，1976年生，江蘇蘇州人，碩士研究生，高級工程師/副教授。

(編輯：向 飛)

*江蘇省高級訪問工程師項目（編號：2013FG053）

2014－09－29