板材烘房設計

郭如峰，梅雪川，林粵科，葉敏

（1.國機智能科技有限公司，廣州510700；2.國機智能（蘇州）有限公司，蘇州215134）

0 引言

烘房主要對工件進行特定條件下的恒溫固化或水分烘干，廣泛應用于涂料和外表面的固化，食品及各類產品的水分烘干[1]。目前的烘房常采用人工作業方式進行上下料，工作效率低下；由于人工上下料，使得無法進行精準控制烘干周期[2]；且一般的烘房容量都較小或者結構不合理，導致空間利用率低[3]。近年來，隨著智能控制技術和傳熱學的深入研究，關于烘房溫度的智能控制技術已經在理論上相當成熟，但對烘房結構優化設計較少[4]。當復合板材采用室溫晾干的方式使粘接劑固化時，常需要10 個小時甚至以上才能達到所需的粘接強度[5]。

針對兩種不同板材的粘接復合加工后需要對復合板材進行恒溫固化，本文設計了一套自動化立體循環式板材烘房，該烘房系統自動化程度高，生產加工效率高，結構通用性強，溫度控制穩定，可應用于工業自動化生產線現場；并通過板材粘接實驗驗證系統的性能可靠性。

1 烘房總體設計

根據兩種不同板材的復合加工生產線的恒溫固化需求，進行烘房系統的設計。由于烘房處于復合加工生產線中部，在恒溫固化工序前，復合板材需要進行兩種不同板材復合、復合板通過式保壓；在恒溫固化工序后，復合板材需要進行堆垛下料；所以要求烘房能夠直接與前后的生產線進行連接，再綜合考慮占地面積與存儲量，將烘房設計為立體循環式烘房，且烘房上、下料口在同一條線上[6]。

該自動化立體循環式板材烘房主要由烘房房體、主體模塊、下平移模塊、上平移模塊、溫度調節模塊和控制系統組成，其三維模型圖如圖1 所示。主體模塊、下平移模塊和上平移模塊皆安裝于烘房房體內部；控制系統位于烘房房體外部，安裝有人機交互界面。當烘房系統啟動時，入口輸送帶將板材輸入至烘房內部，經過烘房內部的裝置運作，板材經過一次循環后從出口輸送帶輸出，完成板材的恒溫固化[7]。

圖1 烘房系統三維模型

1.1 烘房房體

烘房房體由聚氨酯材料組成，該材料密封性能和保溫性能良好[8]。其結構如圖1 所示，尺寸為長5.5m，寬5m，高4m；供熱方式是采用熱蒸汽為熱源，波浪形暖氣片將蒸汽熱能擴散到烘房房體內部，再運用鼓風機使蒸汽加速均勻擴散。蒸汽的入口區域高度為4m，出口區域高度為0.05m，蒸汽管道管口DN50。

1.2 主體模塊

主體模塊主要由入口輸送帶、邊升裝置、中升裝置、若干托架和出口輸送帶等組成，如圖2 所示。入口輸送帶將復合好后的板材輸送到入口最下端的托架上；托架用來盛放需要恒溫固化的板材，本文所設計的烘房中左側托架共22 層，右側托架共20 層（左側托架層數-2）；已經恒溫固化好的板材通過出口輸送帶輸送。左部的邊升裝置與前后兩個中升裝置組成左側上升單元，負責左部托架的規律性上移動作；同樣的，右部的邊升裝置與前后兩個中升裝置組成右側下降單元，負責右部托架的步進式下移動作；上述裝置的動力源為帶剎車三相異步電機。

圖2 主體模塊

1.3 下平移模塊

下平移模塊主要由基座、可升降輸送帶裝置，導軌裝置，動力裝置等組成，如圖3 所示。可升降輸送帶裝置通過氣缸控制輸送帶模組的升降，其中輸送帶模組無干涉的嵌入在托架網格的間隙內，由三組伺服電機驅動；導軌裝置由滑軌和托架承載臺組成，動力裝置通過帶剎車三相異步電動機鏈輪機構的傳動，使托架在導軌裝置上向左或向右平移。

圖3 下平移模塊

圖4 下平移動作順序框圖

1.4 上平移模塊

上平移模塊與下平移模塊的原理和結構相似，主要由基架，托抬裝置，導軌裝置和動力裝置等組成，如圖5 所示。托抬裝置主要由四組氣缸實現對托架的托抬和松降；動力裝置的動力輸出過程為：伺服電機通過行星減速機進行減速和增大轉矩，再由齒輪齒條組合的傳動，使托架在導軌裝置上向左或向右平移。

圖5 上平移模塊

圖6 上平移動作順序框圖

2 控制系統設計

2.1 控制原理

烘房系統的各個動作通過PLC 控制系統實現，該PLC 系統能夠與MES 系統進行通訊，接收生產信息，再反饋實時設備狀態；通過對各個電機和氣缸的控制，實現主體模塊、上平移模塊和下平移模塊內的運作；在烘房內分布安裝有十組溫度傳感器采集溫度信息，并將采樣信號反饋給PLC 系統進行溫度校準，通過控制熱蒸汽閥門的開口大小使烘房內保持恒溫；并且通過觸摸屏與控制系統進行通訊，實現人機交互。

2.2 控制系統硬件設計

根據功能需求，烘房的控制系統需要實現電機精確位置控制的有：主體模塊中左側上升單元和右側下降單元中的帶剎車三相異步電動機，下平移模塊中帶剎車三相異步電動機和上平移模塊中的伺服電機。需要實現氣缸的準時控制的機構有：下平移模塊中可升降輸送帶裝置的升降氣缸，上平移模塊中托抬裝置的氣缸。

本系統采用西門子S7-1200 系列PLC，其具有四個100kHz 高速脈沖輸出，該PLC 穩定性好、支持多種通訊方式，可以很好的滿足工藝控制要求[9]。PLC 由變頻器調頻的方式控制帶剎車三相異步電動機，由脈沖的方式控制伺服電機，實現各機構的精確位置控制；使用定時器實現電磁閥的準時關閉，從而實現各氣缸的準時動作。PLC 通過以太網線與觸摸屏通訊，實現人機交互。本系統的硬件配置如圖7 所示。

溫度傳感器采集關于溫度的模擬信號，PLC 進行A/D 信號轉換后，通過PLC 內部的PID 運算指令對溫度數據進行PID 運算；再通過D/A 轉換將PID 運算結果轉換為模擬量，驅動溫度調節裝置完成溫度的調節，從而實現溫度的自動控制，并可以在觸摸屏上查看實時溫度值[10]。

圖7 控制系統硬件配置

2.3 工件運轉流程

工件在烘房系統中的運轉流程主要分為六個步驟：①工件在左下側工位進行上料，②上料完成后工件上移到達左上側工位，③工件從左上側工位后移到達右上側工位，④工件從右上側工位下移到達右下側工位，⑤工件從右下側工位左移到達左下側工位，⑥工件在左下側工位進行下料；其示意圖如圖8 所示。

圖8 工件運轉流程

3 粘接強度驗證實驗

3.1 實驗原理

本試驗利用本文設計的立體循環式烘房進行板材粘接復合后的恒溫固化實驗，通過對粘接強度進行測試來驗證烘房的性能。根據兩種不同板材復合后的恒溫固化要求，采用粘接劑為聚氨酯膠水，先使用恒溫烘箱對復合板材進行了恒溫固化條件確定試驗，得出的結果是當恒溫固化溫度為50±1℃，恒溫固化時間為20±1min 時可獲得最大粘接強度[11]。現在使用立體循環式烘房系統進行粘接強度驗證實驗，根據上述恒溫固化條件下恒溫固化復合板材的粘接強度，判斷該立體循環式烘房的功能優劣。

3.2 實驗設備

粘接劑采用聚氨酯膠水，聚氨酯膠水在烘箱中初固（50℃、20min）的粘接強度為1.6 MPa，且實驗所選用的復合板材工件的斷裂強度為12.6MPa，遠大于粘接劑的粘接強度[12]。實驗條件和實驗裝置如表1 所示。

表1 粘接強度驗證試驗條件

3.3 實驗過程

（1）制實驗樣件：將板材均切割成100mm×50mm，選用共制10 組樣件；在板材1 上繪制膠線，按尺寸換算到樣件為2 道膠條，膠條長度80mm。如圖9（a）所示。

圖9

（2）用1ml 小針筒抽取膠水，在板材1 上按膠線施膠，控制每組樣件的涂膠量均為1ml。如圖9（b）所示。

（3）對板材1 和板材2 施加20kg 的砝碼進行壓合形成復合板材；由于拉力機固定工件的需要，基板與瓷磚錯位粘接復合，如圖10 所示。

圖10 樣件壓合后形成的復合板材

（4）先將烘房加熱至50℃再進行上料，上料時順序為前后兩次上料間隔一層托架。

（5）從烘房中取出樣件，靜置冷卻。上拉力機測試，測試板材1 和板材2 在粘接面上發生剪切滑移錯位時拉力的大小，如圖11 所示。

圖11 拉力機測試剪切力大小

（6）測得10 組拉力數據如表2 所示。

表2 各樣件拉力測量值（N）

3.4 實驗數據處理與分析

已知各組樣件的復合面積為80mm×50mm，根據下列公式計算粘接強度：其中F 為拉力值，S 為復合面積（粘接面積）。計算得各樣件粘接強度如表3 所示。

表3 各樣件粘接強度（MPa）

繪制粘接強度的散點圖如圖12 所示，可以觀察到，數據點均分布于初固粘接強度1.6MPa 上方，且數據點波動幅度不大。

圖12 粘接強度散點圖

根據上述數據計算其平均值和標準差如下，可知樣件的粘接強度平均值高于初固強度1.6MPa，滿足板材復合要求；且方差較小，所測得的樣件粘接強度準確度較高[11]。

試驗表明：立體循環式烘房在恒溫固化溫度為50±1℃，恒溫固化時間為20±1min 時，所有復合板材樣件進行恒溫固化后的粘接強度均高于聚氨酯膠水在相同條件下的初固粘接強度1.6 MPa，樣件粘接強度平均值為1.7392 MPa，滿足該板材粘接復合的強度要求；可知在相同的恒溫固化條件下，立體循環式烘房在恒溫固化大批量產品時，能夠達到小型烘箱固化的效果，功能性良好。

4 結語

（1）設計了一套自動化立體循環式烘房系統，對其機械結構和工作原理進行了詳細設計和分析，對其控制系統進行了設計和描述。

（2）運用自動化立體循環式烘房進行板材粘接復合后的恒溫固化實驗驗證，結果為：該烘房系統在設定恒溫固化溫度50±1℃，恒溫固化時間為20±1min 時能夠達到板材復合要求的膠水初固粘接強度。烘房對產品的恒溫固化效果能夠滿足生產要求。

（3）該烘房系統通用性強，可用于多種規格板材的恒溫固化；較之于室溫晾干固化方式，加熱恒溫固化可大大縮短工序時間；雙列循環恒溫固化及同步上下料提高工作效率，立體雙列式結構節省大量空間；能夠實現全自動化工作，可應用于工廠實現自動化生產。