非標自動化設備的結構選擇與安全

張遠景

摘 要：在科技飛速發展的時代，隨著國家推行自動化技術研發的腳步，非標設備類的研發人員日益增多，同時也對非標設備的性能要求逐漸嚴謹，特別是設備自動化程度的提高及結構復雜性的增加，以及產品更新換代速度的加快也使設備的使用壽命期縮短。工程師們的設計水平也需進一步拓展，既要為精簡設計加快生產步伐，也要考慮到設備的可升級與改造性。所以在機械制作的產品要求越來越高的時代里，非標訂制設備，只要兼容性和改造性強，才能更受一、二線技術人員和生產部門使用者的青睞。文章就此闡述非標設備在達到使用要求的設計結構選擇和安全保護的重要性。

關鍵詞：非標自動化；機械設計；簡易結構；安全保護；設計結構選擇

中圖分類號：TP23 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0068-02

Abstract： In the era of rapid development of science and technology， with the national implementation of automation technology research and development （R & D）， R & D personnel of non-standard equipment are increasing， and meanwhile， the requirement for non-standard equipment performance also becomes more stringent than ever before， in particular， the improvement of equipment automation and the increase of structural complexity， as well as the acceleration of product renewal speed which shortens the service life of the equipment. Engineers who need to further expand the level of design have to speed up the pace of production for streamline of the design， and consider the upgradation and transformation of equipment. Therefore， in the era of increasing requirements for machine-made products， non-standard custom equipment， given the strong compatibility and transformation， can be favored more by the first- and second-line technical personnel and users of the production sector. In this paper， the importance of design structure selection and safety protection of non-standard equipment is expounded.

Keywords： non-standard automation； mechanical design； simple structure； safety protection； selection of design structure

引言

非標設備機械的設計主要是按照使用部門（客戶需求），將客戶所需的要求、希望達成的目的，進行使用自動化結構設計。在保證人身安全的首要條件下，實現產品的加工速度提升、節約勞動力、提高產品良率應運而生[1-2]。在設備總體設計過程中，需要基于機械應用要求下而實現，期間工作原理、運行方式和機械結構，以及材料使用、加工工藝流程和電、氣配件的配合等方面總體構思計算設計[3-4]。在滿足使用要求的前提下，使用簡易且互換性強的常用配件來輔助運用，優選間接傳動越少的結構，利用三維設計方案將零件按照設計的思想轉化成模擬運作，同時作為零件生產加工、組裝調試的依據。

1 現階段非標自動化設備的設計

目前非標自動化設備的設計使用方法多是利用標準配件及專用設計的零件配合拼裝，以達到來料半成品或單獨元器件逐一自動組合，形成成品或者拆分篩選[5]。標準配件的選擇多種多樣，如：影像系統；六軸、四軸關節機器人；各種形式的電缸；驅動部件多用為伺服電機、步進電機、調速電機；傳動用的同步帶、絲杠滑軌；氣動配件等等[6]。最常用的是氣動配件的組合；非標的結構多種多樣，但萬變不離其中，都須遵循機械基礎原理進行力學的評估、工藝路線的考慮、組裝調試的方便性和維修的簡易，但無論性能設計多好的自動化設備，保證操作人員的人身安全防護都是首要。

在工藝精益求精的情況下，能達成同一結果的方案有多種，因此應選擇性價比高的結構進行優先。以本人負責項目設計的高效拔釘機為舉例：產品為鋁合金件，它的三個方向：無規律的左、下、右分別有8+4+8共20個牙孔未攻牙，客戶將來料半成品尺寸已加工到位，需進行陽極表面處理，但處理的同時化學原料會將牙孔一同處理，尺寸就無法保障。這種狀態下，客戶工藝流程增加膠釘插于孔內，表面處理過后再將三個方向的膠釘拔出，原生產線員工將其拔出的工作量較大，產能不高，且拔出時不注意則膠釘斷于孔內造成返工，每個產品20粒膠釘， 每秒1粒拔出的時間共20秒， 7名產線員工專門進行拔釘。接客戶提出加大產量，提高速度的要求時，初步分析，因產品異形客戶允許一人操作取放，結構制作三種形式：（1）做一工裝，將產品固定，仿人工動作使用七臺標準六軸機器人，在第六軸處安裝一夾子，編輯程序，分別從產品三個方向抽出20粒膠釘放于膠釘盒內，速度約1秒/粒，可達到相同人工速度；（2）使用三組X、Y、Z電缸進行三方向疊加，每組Z軸安裝一夾子，編輯程序，分別同時從產品三個方向抽出20粒膠釘，因同步進行，時間縮短至8秒，三臺設備可達到相同人工速度；（3）利用簡易的結構傳動知識，設計每粒膠釘位一組夾子，每組夾子為獨立夾緊機構（內部為杠桿力臂），四組夾子的杠桿力臂由一個氣缸傳動，三個方向則：左邊8粒，8個夾子加兩個動力氣缸，下邊4粒空間窄，4個夾子加兩個動力氣缸，右邊8粒，8個夾子加兩個動力氣缸完成夾持動作，加之三個方向一組合理力度的主推氣缸分別推出，就順利完成20粒膠釘/3秒時間同步一次拔出工作，以吹氣將膠釘吹至導向管下滑至存料箱，一臺設備大于7人工作速度，且只需更換夾子固定座，即可兼容相接近型號的產品。以下圖1為第3種方案的圖示：

以上述三種方式設計非標結構方式，均可以達到使用效果，第1種（機器人），第2種 （機械臂），然而第3種則采用單片機式PLC控制幾個小氣缸就完成所需任務。且運動幅度小，只需保護板即完成安全防護，由效率、成本、安全考慮，第3種結構，性價比較高，且效果理想。在競爭激烈的環境下，結構簡易、效率高的非標設備將成為市場主流。

2 自動化設備的安全性

在注塑、電子、組裝等行業，設計的非標設備工作原理和產品各有不同，但生產使用過程中若出現工傷，將會給企業帶來一定的損失[7]。若設備性能優異，但無安全保護的情況下，人員誤觸造成傷害，勢必停機整頓。所以在非標設備完成設計后，均需考慮增加安全防護，如安全門、光幕、雙手安全開關、急停應急按鈕等，讓操作人員哪怕誤觸，設備將無法啟動或緊急停止，第一時間保護人員安全。

3 自動化設備的管控

機械設計是一項精密性和專業性很強的工作，工作人員必須具有強烈的責任心，充分考慮到多方面的影響因素，不斷優化和改進機械設計和結構和加工工藝，才能更好地保障機械設計加工零件的質量[8]。設備設計完成后進行細微改良是必不可少的，但設計時考慮周到全面，結構傳動越少，出現返修的幾率也會相對降低。以第一點例子所述，能達到相同結果的設備，結構相差甚遠，若在激烈社會經濟市場下，未選擇好性價比優的結構，會使企業的綜合競爭力在同行業中偏低，不僅影響了機械設計產品的效率，而且給企業造成一定的資源浪費。

適應更多不同方面的客戶需求且能設計非標設備兼容多種產品的，將在市場上更加有競爭力[9]。面對國家扶持的方向，以保證質量的前提下，逐步將簡易結構利用多組拼裝，將形成全自動化設備，以節約的理念為基礎，選擇最適合的結構達成高能效的新式產品。節約了機構用料就等于節能，比如：一臺機器人所用的電功耗遠遠大于一個小小電磁閥的功耗，所以在環保意識深入人心的社會，對于非標設備設計來說，在滿足使用條件、保證質量提前下，運用節能和綠色設計為基礎理念，利用簡易結構設計技術，更少的后期維護，實現資源利用的最大化和設備的更簡潔明了。

非標設備設計是結合了力學、材料、加工工藝、電氣、美學等多門學科，在非標設備行業的不斷發展，分類較多，均是以特定物件、材料進行加工、組裝、排列、拆分等為主[10]。傳統的機械設計都是針對標準化機械工業產品去設計生產，根據反復驗試測試得出符合人們所預想目標的產品。由于經濟的發展和時代步變化越來越快，而且產品生產的周期較短，傳統的機械產品設計模式已經不能滿足人們的需求，非標訂制的機械設計理念也隨之提出。主要是可以任意向客戶所需要求制定具體的方案，在設計中不斷更新改善新結構，更容易適應新時代自動化高薪項目的發展。

此外，使用簡易且互換性強的常用配件來輔助運用，實現非標設備內的配件互換循環利用，優選傳動轉接件越少的結構，則是更加突出機械設計的理念。

4 結束語

現代設計的特點是面向用戶提高所需工序的加工、組裝效率和安全保護而設計，不僅要實現產品的基本功能，更應體現人性化和安全保護的設計理念。通過高效拔釘機的設計制造，可以充份體現設計者水平及設計方案能直接影響非標設備的后期維護，設計中的防護設置也直接影響使用人員的安全。所以企業想要在激烈環境中尋求可持續發展道路及提升國內非標設備設計在市場上的競爭力，應緊跟潮流的步伐，提升設計人員的設計水平，從研發技術、結構選擇、工藝管理、保護安全系數等多方面因素為提前，將以簡潔的結構，設計更高效、安全的非標設備。

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