節能門窗高效制作機的開發*

□ 謝占功 □ 華 楠，2 □ 羅良維，2 □ 閆鷹鴿 □ 陳賢帥

1.廣州中國科學院 先進技術研究所 廣州 511458 2.廣東工業大學 機電工程學院 廣州 510006

近幾十年來，建筑節能化已成為世界性潮流。綠色建筑使用綠色建材和綠色能源，在制造和使用過程中環保、節能，有利于人類的健康[1]。

門窗是建筑外圍護結構的開口部位，是阻隔外界氣候侵擾的基本屏障，已成為建筑節能的重要組成部分[2]。而節能玻璃作為節能門窗組成中的重要一環，其自身的性能、特點及與窗框之間的密封性極大地影響了門窗整體的作用。

從熱傳遞效率方面看，由兩層平板玻璃合成的節能玻璃，其能源利用效率是普通玻璃的2.2倍，然而，在實際的門窗生產加工過程中出現了一些困難。一方面，由于節能玻璃的質量是普通玻璃的兩倍甚至三倍以上，因此導致了節能門窗加工制作過程中需要用到更多的人力，提高了人工成本，影響了制作效率，增大了安全隱患；另一方面，若要達到節能門窗高效節能的目的，對于節能玻璃與門窗框架之間結合的精度要求就非常高。

針對上述問題，筆者設計了低成本、自動化、可編程及具備感知能力的工業自動化設備——節能門窗高效制作機，目前，該制作機已投入生產，并取得了相關發明專利[3]。

1 節能門窗高效制作機的工作原理

節能門窗高效制作機的結構如圖1所示，工作原理如下。

該設備外接三相電源，通過無油活塞式空壓機提供整個機器的動力，PLC控制機器的運行過程。將裝有待組裝玻璃的堆棧架和待安裝玻璃的框架放置在龍門機架的下方，其中框架傾斜放置。按下開始開關，啟動設備運行。吸盤組件移動到下起始點，并沿導軌方向左移。在此過程中，吸盤組件下方的吸盤開始供氣，具備吸合能力。當吸盤接觸到節能玻璃時，觸發轉換器開關，吸盤組件停止在導軌方向上的運動。當吸盤吸合玻璃后，吸盤組件向上移動，將吸盤吸合的玻璃向上升起。與此同時，吸盤組件在導軌上向右運動到框架前，將節能玻璃對準框架，懸掛臂下行，吸盤釋放節能玻璃并將節能玻璃的下緣落在框架的下邊框內。節能玻璃的上端靠在懸掛臂下端推料氣缸的推桿上，推桿在推料氣缸的驅動下伸出，并將節能玻璃完全放入框架內，結束工作循環而進入下道工序。

▲圖1 節能門窗高效制作機的結構圖

2 結構設計

筆者設計的節能門窗高效制作機整體結構主要包括：機架、無桿氣缸、懸掛臂以及吸盤組件共4部分。

2.1 機架結構

節能門窗高效制作機的機架結構如圖2所示，其具備以下幾方面的特點。

▲圖2 機架結構

（1） 整體結構簡潔。整個機架由4個鋼結構梁組成，鋼結構數量少于傳統的玻璃門窗機器。

（2） 機器的導軌間距小。兩個導軌之間的距離決定著運輸滑動組件的尺寸，由于運輸滑動組件必須橫跨在兩個導軌之上，因此導軌間距越大，基于導軌而設計的運輸滑動組件（如吸盤組件、懸掛臂）的尺寸就越大。除此之外，即使應用相同尺寸的鋼結構梁來作為運輸滑動組件的基座，也會因為導軌間距的跨度而影響到整個機器的性能。

（3）相對于傳統氣缸驅動，無桿氣缸具有低能耗、高效率的優勢。在導軌上應用無桿氣缸驅動吸盤組件運動，具有節約能源、提高運動精度以及工作效率的優勢。

（4）機器工作平穩無沖擊。機架的設計要求保證機器能穩定地工作，即在機器運行時不產生明顯地晃動而影響節能玻璃的定位精度。

2.2 無桿氣缸

選擇無桿氣缸作為運動裝置的主要傳動機構以及抓取節能玻璃的主要承載機構，其具備以下優點。

（1）節省空間。有桿氣缸的安裝空間約為2.2L，而無桿氣缸約為1.2L，L為行程。

（2）定位精度高。活塞兩側受壓面積相等，推力相同，有利于提高定位精度。

（3）可實現長跨度的傳動。本機器所應用的無桿氣缸系列可提供長達5 m的遠距離傳動。

（4）承載能力和抗扭能力強。

（5） 壽命長。

在本設計中，要求安裝在機架上的長無桿氣缸的行程為1 800 mm，安裝在吸盤組件上的短無桿氣缸的行程為150 mm，節能玻璃質量m1為60 kg，吸盤組件自重m2為15 kg，供氣壓強p為0.7 MPa，重力加速度g為9.8 m/s2。由于短無桿氣缸主要承載節能玻璃，因此需要首先對短無桿氣缸進行選型。

無桿氣缸工作時的最大負載：

式中：Fmax為無桿氣缸工作時承受的最大負載；p為供氣壓強；s為活塞面積；d為無桿氣缸的內徑。

又 Fmax=（m1+m2）g，代入式（1）得：

設無桿氣缸各型號的標準直徑值為d0，則d0≥d。

計算短無桿氣缸內徑：

查閱有關資料，短無桿氣缸內徑可選d0=32 mm。對長無桿氣缸的選型應該按照最大裝載質量及行程來確定，其中，最大裝載質量應≥37.5 kg。因此，可選內徑為25 mm、行程為1 800 mm、最大裝載質量為40～56 kg的長無桿氣缸。

2.3 吸盤組件

圖3所示為吸盤組件結構視圖。包括：T型槽桿、氣缸桿、無桿氣缸、橫梁、管橫欄、頭部桿、調節把手、分線夾、保護桿、懸臂、轉換器、吸盤桿以及吸盤等。

其中，T型槽桿通過分線夾與其它組件連接，起到將吸盤組件的上、下部分的結合以及保持運動穩定性的作用；無桿氣缸實現升降方向上的一個自由度的快速運動；調節把手可以根據節能玻璃的尺寸選擇不同的吸盤高度，以使吸盤在接觸節能玻璃表面時能夠有效吸取；懸臂由懸臂桿與合頁組成，安裝在十字桿上，它能吸取不同傾斜角度的節能玻璃，其在合頁的緩沖作用之下可自適應調整，以及在轉換器失效的情況下起到保護作用；轉換器起到開關作用，即在吸盤吸住節能玻璃時，停止吸盤組件沿導軌方向的運動。

▲圖3 吸盤組件

2.4 懸掛臂

設計的懸掛臂如圖4所示，它采用了剪叉式伸縮機構和氣缸，可以實現節能玻璃入框架時自動定位的功能。主要包括：剪叉式伸縮機構、氣缸、底框、推料氣缸、滾輪。其中，剪叉式伸縮機構由多個基本單元組成，每個基本單元是由兩個連桿經銷軸連接成的X型結構。多級剪桿單元首尾相互連接構成剪叉式伸縮機構。此外，該剪叉式伸縮機構能夠收縮到極限位置，即相鄰桿件在水平方向上平行；滾輪組件的應用實現了懸掛臂在圖1所示的導軌上保持與吸盤組件相同的運動；推料氣缸安裝在底框上，它能夠通過推桿將節能玻璃定位在玻璃框架上，節省了人力。

3 傳感器及定位裝置

在吸盤組件的懸臂上設計有一個力傳感器，該力傳感器能夠在吸盤吸取到節能玻璃后向控制系統發出信號，并告知控制系統開始下一進程。為了避免傳感器發生故障時可能產生的損傷，吸盤應保持對節能玻璃的軟接觸。同樣，出于安全考慮，如果傳感器未能及時發出信號或者控制系統出現問題，則吸盤應該具有釋放節能玻璃并返回原始位置的功能。

基于上述考慮，吸盤組件設計成兩個關節的結構，能夠通過轉動方式釋放節能玻璃。通過在旋轉關節采用可調節彈簧，可以限制吸盤對節能玻璃的推力。

圖5所示為三點夾持定位裝置，其限制了節能玻璃兩個自由度方向的運動。在門框臺架斜表面上，有兩個固定點從底端支撐節能玻璃，一個調節點從側面支撐節能玻璃。在實際操作中，調節點安裝在框架的內側邊緣，根據節能玻璃不同的尺寸進行調整，以保證節能玻璃能夠準確進入到框架中。

▲圖5 定位裝置原理圖

4 控制系統的應用

該機器的中央控制器主要由可編程邏輯控制器（PLC）組成，能夠控制傳感器、開關以及氣動驅動裝置，并能獲取、處理傳感器及開關傳遞的信息，控制系統硬件如圖6所示。

在控制系統方面，該機器的最大特點在于其較高的安全性。控制系統能夠隨時獲知運動機構正在進行的動作以及所處的位置，檢測機器的安全防護裝置及初始狀態。只有在這兩個方面都沒有發現問題的情況下，才會允許設備運行；否則，該控制系統將會開啟警報燈，并在工控機面板上顯示警告信息。

在節能玻璃插入門框時，只有當門框臺架斜表面處于垂直狀態時，吸盤組件才可以帶動節能玻璃運行。否則，機器將處于自鎖狀態，并將信號傳輸給PLC，如圖7所示。

▲圖6 控制系統

▲圖7 節能玻璃插入門框

5 設備的制作

針對上述結構及運動設計，制作出如圖8所示的節能門窗高效制作機樣機，并對其進行調試。其中，對該設備的調試具體表現如下。

▲圖8 節能門窗機的制作與調試

（1）調節吸盤組件的運行速度，使其運行速度達到最快且穩定性最佳。

（2）改進吸盤組件的結構，使其能夠承受更重的節能玻璃，即發揮無桿氣缸有效的承重能力。

（3）調節節能玻璃擺放角度，使吸盤能有效吸取處于不同姿態下的節能玻璃。

該設備投入工廠應用后，使用結果表明，設備運行可靠，大大提高了生產效率。此外，由于本設備將原有需要6軸運動的自動化機器簡化成4軸運動，簡化了設備動作，降低了生產成本。

6 結論

筆者設計的節能門窗高效制作機，在龍門機架上設置了水平運動裝置和豎直運動裝置，依靠吸盤組件下端的夾持器可將節能玻璃抓起或放下。同時，配合懸掛臂在導軌架上的運動，可實現將節能玻璃從材料堆棧架運送并放置在既定的框架內。本設備的運用替代了人力制作，避免了在此道工序常發生的工人腰背工傷事故，并大大提高了玻璃插入框架的生產效率。

[1]劉志海，龐世紅．節能玻璃與環保玻璃[M]．北京：化學工業出版社，2009．

[2]武江．新農村建設（建筑節能技術）[M]．北京：中國電力出版社，2008.

[3]唐建柳，杜如虛，陳賢帥，等.一種自動放置板狀材料入框架的裝置[P].中國專利：CN103625924A，2014-03-12.