一種“Θ”型翻轉機的設計★

王培林，李吉祥，閆超杰

（閩西職業技術學院信息與制造學院，福建 龍巖 364021）

1 研究背景

隨著科學技術的不斷發展，工業機械化、自動化程度越來越高，自動化控制在工業生產應用中逐漸普及，越來越多的自動化生產線隨之出現[1]。2015年，福建省人民政府印發《關于加快發展智能制造九條措施的通知》，支持在機械裝備、建筑建材等重復性操作多、勞動強度大的行業領域組織實施“機器換工”。近年來，福建省多次提出“機器換工”，鼓勵企業應用科學技術發展的成果，進行技術改造升級，推行工業機械化、智能化、自動化，逐步取代一部分的傳統生產方式,解決生產過程中存在的企業招工難、留人難，勞動強度大、工作環境差、安全隱患多等問題[2-3]。

通過查閱相關資料和圖書，發現我國翻轉機技術經過20多年的發展取得一定的成績，主要有L型、C型、U型翻轉機和座式翻轉機等比較有代表性的翻轉機結構類型。通過對國內外翻轉機進行對比，文中對防火板自動化生產線中的翻轉問題進行研究，設計一種“Θ”型翻轉機，包含翻轉系統、電路控制系統、氣動系統，以解決防火板的自動翻轉問題，讓生產更加連貫、更加方便、更加安全，更加穩定，進而解決勞動力、勞動強度、安全隱患等問題。

2 新型防火板生產過程

某一型號的新型防火板如圖1所示，其尺寸為長×寬×高（2 440 mm×1 220 mm×40 mm），重量為135 kg左右，要求雙面拋光。

圖1 防火板

該型號的新型防火板生產過程：下料（水泥、木屑、膠水、氧化鎂、復合材料）、攪拌、上料（舉升機）、送料、模型成型（壓力機）、加熱、擠壓、保壓【300 t×4】、推出（推出裝置）、風干（風干機）、縱切（縱切裝置）、橫切（橫切裝置）、正面磨沙（磨沙機）【厚度、光整度、平整度】、翻轉（翻轉機）、反面磨沙（磨沙機）、封邊（機）、檢驗（裝置）、裝箱（打包）。在自動化生產線中，對防火板進行正反面磨砂，要設計翻轉機解決翻轉問題。

3 翻轉機結構設計

3.1 翻轉機技術要求

3.1.1 技術參數

翻轉重量≤300 kg，翻轉長度≤2 500 mm，翻轉寬度≤1 300 mm，翻轉高度≤100 mm；翻轉速度約40 s（單向）；翻轉角度為180°；翻轉傳動方式為機械式傳動；翻轉功率為2.2 kW；設備尺寸為2 800 mm×1 800 mm×2 000 mm。

3.1.2 結構特點

可實現180°翻轉，可將正面翻成反面，或將反面翻成正面，循環工作。承重托輥機構與夾緊機構可根據實際使用調整間距，加緊牢固，運轉平穩可靠。

3.2 翻轉機的結構設計與動作過程

根據翻轉機技術參數、結構特點，進行相關參數計算，輥子（托棍）、電機、鏈條等標準件選型、配置，通過CAD軟件對翻轉機進行設計。翻轉機結構示意圖如圖2所示，翻轉主架俯視圖如圖3所示，支撐座機構示意圖如圖4所示，機架俯視圖如圖5所示。根據設計圖紙制造翻轉機，得到生產線上翻轉機實物，如圖6所示。

圖2 “Θ”型翻轉機結構示意圖

圖3 翻轉主架俯視圖

圖6 “Θ”型翻轉機實物圖

生產線上，前導工序拋光機對防火板第一面拋光完成后，防火板進入翻轉程序，啟動托輥動力電機53，防火板從板材進口54進入，托棍轉動將防火板輸送到翻轉架51的托輥52中，輸送到位后托棍動力電機53停止運行，打開夾緊機構的開關，氣缸61進氣帶動推桿62、壓板63下移，壓緊防火板，啟動翻轉動力電機21，通過鏈傳動帶動翻轉輪4旋轉，進而帶動翻轉架51轉動，翻轉180°時限位裝置7起到限位作用，翻轉架51停止翻轉，氣缸61放氣帶動推桿62、壓板63上移，隨即再次啟動托棍電機53，托棍電機53帶動托輥52轉動將防火板從另一側板材口送出，輸送防火板到后導工序拋光機第二面拋光[4-6]。

圖4支撐座機構示意圖

圖2 、圖3、圖4、圖5標記說明：機架1、支撐座支撐臺1-1、可調杯腳1-2，翻轉動力機構2、翻轉動力電機21、減速機22、雙排鏈輪23、雙鏈條24，支撐座3、支撐軸31、擋圈32、支撐輪端蓋33、支撐輪34、軸承35、支撐架36，翻轉輪4，翻轉主架5、翻轉架51、托輥52、托輥動力電機53、板材進口54，夾緊機構6、氣缸61、推桿62、壓板63，限位裝置7。

圖5 機架俯視圖

4 翻轉機控制系統設計

根據要求，本節簡要介紹以三菱可編程控FX3U-64MR型基本單元為核心，設計翻轉機PLC控制系統的方法。

4.1 PLC選型

在翻轉機控制系統選型時，PLC有控制性好、編程方便、運行可靠等優點，所以采用日本三菱公司生產的FX3U-64MR/ES-A型基本單元。通過使用種類豐富的功能擴展板及特殊適配器，可滿足要求，且性價比比較高。該PLC主要技術性能指標為整體式結構，繼電器型輸出，其輸入點數為32點，輸出點數為32點，存儲器容量64 kB，輸入電壓為AC 220 V，內置DC 24 V的電源其電流可達600 mA，可以為輸入傳感器提供電源[7]。

4.2 PLC控制系統設計

按照翻轉機的工藝要求，結合控制系統的特點，并把成本控制在較低水平上，選擇確定PLC的型號，科學有效地選擇控制方案，分配好輸入、輸出點。系統的位置檢測用限位開關實現，在行程終點設置限位開關，當限位開關接通和斷開被檢測到就把信號傳遞下一個控制接口，從而控制翻轉機翻轉的動作，PLC控制中心把檢測信號迅速接收反饋。根據翻轉機的需要，共設置輸入點32個、輸出點數14個。根據設備后續擴展功能需要，FX3U支持IO口及多種智能模塊的擴展，可以方便進行設備的升級換代。

該控制系統的PLC輸入、輸出I/O分配表如下頁表1所示，I/O接線簡圖如下頁圖7所示，設備操作面板如下頁圖8所示。考慮到設備和生產過程的特點，該控制系統主要完成最為常用的自動回原點、手動、自動三種工作方式；而單步、單周期兩種工作方式很少使用，僅預留物理接口。

圖7 PLC I/O接線簡圖

圖8 設備操作面板示意圖

表1 PLC I/O分配表

輸入端接按鈕開關、限位開關、熱繼電器觸點等實現控制指令發出、位置檢測和過熱保護等功能。輸出端接驅動信號燈實現信號報警燈指示，控制變頻器實現對翻轉電機、托輥電機速度控制以適應不同工藝要求，實時調整生產的節拍速度，及控制電磁閥實現氣缸的驅動等[8]。

4.3 編制控制程序

控制程序分為緊急停止、信號指示部分；手動部分，回原點部分，自動部分。

急停和信號指示部分程序為系統提供緊急保護和信號指示。緊急停止實現緊急情況控制系統的禁止輸出和狀態轉移，并且對相關的輸出、狀態進行復位。其緊急停止代碼如圖9所示。

圖9 緊急停止代碼

手動部分、回原點部分、自動部分控制的工業控制中常見的順控控制流程。在各大品牌PLC順控指令中，三菱的步進指令最為簡潔便利。該系統設計采用三菱PLC的IST方便指令可以很好地處理這種動作過程復雜的順控控制。不需要使用的工作方式需要通過M8000的常閉觸點進行屏蔽，該控制系統對單步和單周期進行了屏蔽。IST結構如圖10所示；初始化代碼如圖11所示。

圖10 IST結構

圖11 工作方式初始化

根據翻轉機的動作過程，繪制出自動流程圖，同時繪制出回原點流程和手動流程，如圖12所示。

圖12 自動、回原點和手動流程圖

5 翻轉機氣壓系統設計

根據翻轉機在翻轉防火板過程中氣壓系統壓板夾緊防火板順序動作過程的要求，設計由氣缸驅動氣動控制回路，氣動原理圖如圖13所示。

圖13 氣動原理圖

當雙電控二位五通閥的電磁閥1V1、1V2、3V1、4V1得電而電磁閥1V2、1V2、3V2、4V2失電時，閥芯處于接通狀態，壓縮空氣進入氣缸左氣腔，推動氣缸活塞向右運動；由夾緊元件壓板對防火板進行夾緊。當翻轉到位，電磁閥1V1、1V2、3V1、4V1失電，電磁閥1V2、2V2、3V2、4V2得電，壓縮空氣進入氣缸右氣腔，左氣腔排氣，氣缸活塞退回，壓板松開防火板，完成一個循環動作[9]。

6 結論

1）對翻轉機的動力、傳動、翻轉、輸送進行分析，根據企業的實際需求，巧妙應用“Θ”型翻轉輪，設計出一種“Θ”型翻轉機。這個翻轉機結構簡單，能實現180°翻轉，在生產線中起到承上啟下的重要作用。解決手工翻轉防火板，浪費人力、物力等問題，與原手工翻轉模式相比，節省了人力、物力，提高生產效率，實現自動翻轉防火板，性價比較高，適合企業的需求。

2）應用CAD軟件對翻轉機中的主要零部件進行設計，采用PLC控制和氣動控制對防火板的翻轉、夾緊問題，能夠實現防火板的翻轉、定位、夾緊，實現了翻轉機順序動作的自動化。

3）落實福建省實施新一輪企業技術改造專項行動計劃，符合福建省提出的“機器換工”要求，為企業應用新技術、新工藝、新裝備進行技術改造提供參考。