煲膽滾邊整形機器人研發與設計*

陳家輝，聶健壕※，陳朝大，翟東麗，董潮偉，陳鎮濤，吳 濤，陳業威

（1.廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞 523000；2.廣東省機械研究所有限公司，廣州 510700）

0 引言

在現代工業生產進程中，自動化生產已經成為了時代的突出主題。隨著工業化的不斷發展，自動化技術已經被廣泛的使用在無人車間、無人生產流水線之類的自動化生產線上。電飯煲是日常家居生活必不可少的一種家電，而其煲膽作為電飯煲的核心，擁有巨大的市場需求[1]。

目前對于較多的中小型電飯煲企業來說，電飯煲內膽滾邊工序多為手動加工完成，而傳統的手動控制滾邊加工速度慢，人工成本高，加工質量參差不齊。常見的滾邊質量問題有表面波浪形、褶皺、包不住、未壓實等現象產生[2]，已經不能滿足工廠對于煲膽生產效率及經濟性的要求。而將煲膽滾壓的生產變成自動化作業，能夠解放大量的生產力，并且讓作業變得更為安全高效。自動化技術的發展讓這種改造成為可行。隨著PLC 的發展，以其作為控制器，能夠有效地完成自動化作業的要求。目前市面上的電飯煲內膽自動滾邊機器人其滾邊參數多為不可調固定參數[3-4]，不具備根據內膽直徑及材料進行滾邊參數修改的功能。對滾邊技術的研究在汽車工業領域相比電飯煲行業更為深入[5-9]，給本文的電飯煲內膽整形機器人的研發提供了寶貴的參考經驗。

本文利用西門子S200 系列PLC 作為控制核心對煲膽加工進行全自動控制，并且使用MCGS 作為上位機的人機交互界面，對滾邊加工過程進行實時監控。監控界面允許操作人員即使不在機器運作區域，也能夠掌握加工進度，對現場設備進行操控，保障了操作人員的安全性。

1 滾邊整形機器人總體結構設計

煲膽滾邊整形機器人總體結構設計如圖1 所示。包括了驅動系統、控制系統、下壓機構、滾壓機構和工作臺。

圖1 整形機器人總體結構

（1）驅動系統。驅動系統是由三相異步電機和同步帶輪組成。通過同步帶輪帶動胎膜旋轉。而刀具的進給是由氣泵提供動力給氣缸，氣缸推桿與刀架連接，從而帶動刀具完成進給。

（2）控制系統。控制系統由PLC、電源、繼電器、電機驅動、上位機觸摸屏、電控柜等構成，控制系統將各個滾壓模塊、下壓機構、模具轉動模塊的運作關聯起來，使得自動滾邊整形得以實現。

（3）下壓機構。下壓機構負責在滾邊整形過程中將電飯煲的鍋膽壓緊固定在模具上，由氣缸帶動圓盤下壓，壓緊后圓盤可隨胎膜的轉動而轉動。

（4）滾壓機構。滾壓機構設有兩把填刀和一把滾刀，其中分布在左右兩側的填刀起滾壓整形作用，只能前后進給；位于后方的滾刀則是用來滾邊的，能夠前后或者斜向進給。

（5）工作臺。工作臺是一個850 mm×850 mm 的鋼架，能夠支撐起各個機構，不讓裝置加工時產生抖動，影響滾邊加工質量。

整個裝置的協作是通過電控箱來操控的，它將分配電機的轉動、滾壓機構的進退刀、下壓機構這幾個部分的動作時機，使各個機構協調完成煲膽的滾壓整形。

2 滾壓參數調節

滾邊整形加工工藝屬于較為特殊的工藝，滾邊后要求電飯煲內膽上邊緣卷邊表面光滑、無明顯凹凸壓痕。選擇不同的工藝參數，得到的滾邊整形效果將相差甚遠[10]。

2.1 不同直徑內膽參數調節

本文研發的電飯煲內膽整形機器人可以實現對不同規格的合金鋁材內膽（直徑為12～30 cm）進行滾邊工藝整形加工，從而提高了滾邊機器人的通用性。具體的實現方法是通過靈活更換胎模，以及控制3 個刀架的進刀量、進刀速度和角度來調節滾刀的位置。刀架的進給量可以通過調節氣缸推桿的行程進行調控，氣缸的行程最大可達65 cm。

2.2 滾邊參數調節

機器人在滾邊過程中需要控制好滾壓部位的速度和角度，速度過快可能會造成零部件起皺。同時由于滾輪硬度大于內膽胎膜硬度，需要防止滾輪進入沖壓零部件切入點位置不當與胎膜造磕碰。此外，如果進給速度過慢，則會降低生產效率，對能源與人員等待成本浪費[11]。

滾邊機器人的滾邊效果由兩把梯形填刀的進給速度，和一把U型滾刀的傾斜角度及進給速度決定，如圖2所示。

圖2 填刀、滾刀外形結構

兩把填刀安裝位置為左右對稱，起滾壓整形作用，只能前后進給。位于后方的滾刀則是用來滾邊的，能夠前后及斜向進給。并且滾刀的滑塊與平臺平面的夾角可以通過螺母的鎖緊位置來調節滾刀的傾斜角。因此，可以實現滾邊切入角度也可調，可調范圍為45°～75°（圖3）。刀具材質采用高速鋼，氣缸導桿與刀具導軌上部連接，帶動刀具前后移動完成滾邊壓邊整形加工。

圖3 滾刀傾角調節示意圖

2.3 滾邊力參數的控制

滾邊力的控制方式形式主要有4 種：普通剛性滾邊、彈簧彈性滾邊、氣動伺服調壓滾邊和電動伺服調壓滾邊[12]。綜合考慮4 種滾邊力的優缺點，采用氣動調壓可以實現過載自動保護，能避免氣缸推力過大使刀具透過內膽與內膽模具產生毀壞性碰撞。因此，本文對滾刀上的滾邊力控制是通過壓力控制閥調節空氣壓縮機和氣缸組成的氣動壓力回路來進行控制的，如圖4所示。

圖4 滾刀氣動控制系統

本文加工的電飯煲內膽材質是厚度約為1 mm 的鋁合金，林巨廣等[13]提出滾邊力對鋁合金材質進行包邊工藝加工參數測定的經驗，以及經過多次的樣機測試，當滾刀接觸內膽加工部位邊緣時設定其平均預滾邊力為750 N，隨著刀具的進給逐步增加滾邊力，當滾邊力增加到平均滾邊力為1 450 N 時，便可得到較好滾邊加工效果。

3 控制系統設計

控制系統由PLC、電源、繼電器、電機驅動、上位機觸摸屏、電控柜等構成。控制系統將滾壓模塊、下壓機構、模具轉動模塊運作關聯起來，使得自動滾邊整形得以實現。

3.1 下位機設計

要實現機器人的滾邊整形功能需要7個輸入信號，10個輸出信號。本文所用的西門子6ES7214-1AD23-0XB8型號的PLC就能夠滿足控制要求，西門子6ES7214-1AD23-0XB8能提供的14 個輸入和10 個輸出端口。不需要進行額外的擴展，就能夠完成任務需求，PLC的I/O地址分配表如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 人機界面設計

在人機界面設計上，本文選擇了昆侖通泰TPC1061Ti MCGS 觸摸屏作為系統的上位機人機交互界面。為了符合現實生產的要求，在觸摸屏上設計了3 種工作模式可以選擇，分別是手動單步運行模式、單周期運行模式和連續運行模式，如圖5所示。按鈕可控制轉置啟動、停止、急停，以及有正常運轉時的綠燈，停止時的紅燈和報警時的閃爍燈。

圖5 人機界面設計

（1）單步模式。可以使用按鍵來操作每一個獨立的動作，機器人每次按下一次按鍵只會完成一個步驟的動作，再按一次，完成接下來的一個步驟，以此類推。采用這種方式能夠讓機器人重置到原位。

（2）單周期模式。機器人啟動之后，會完成一整套的動作流程，從開頭的第一步直到最后一步復位停止。

（3）連續模式。機器人在原位開始啟動，按照流程動作，從開頭的第一步到最后一步復位之后，不間斷地繼續下一個周期，周而復始。直到操作者按下停止按鍵，滾邊整形機器人才會停止工作。

4 滾邊整形機器人實驗驗證

本文搭建了滾邊整形機器人的實物樣機平臺，如圖6 所示。通過安裝調試檢驗，本文設計的電飯煲內膽滾邊整形機器人能夠實現內膽的自動滾邊整形，連同內膽的上下料裝卸用時，其整形速度為每分鐘完成4 個內膽的滾邊整形加工工序。滾邊效果如圖7 所示。經過樣機實驗驗證，當滾邊機器人取如表2 所示參數時滾邊效果最佳。當然在實際的滾邊作業中，每臺滾邊機器人的裝配都會存在誤差，其最優的滾邊參數可能與此數據會有偏差，因此需要預生產后通過檢測來逐步調試完善。

圖6 滾邊機器人實物平臺

圖7 滾邊效果

表2 滾邊參數選擇

5 結束語

本文開發的電飯煲內膽滾邊機器人采用立式結構型式，該滾邊整形機器人能夠使刀具的進給量以及刀具的切入角度具有較大的可調余地，滾刀壓入角、滾刀進給速度、胎模轉速等工藝參數可隨時進行更改。設計的模具可靈活更換，使得裝置可適用于不同規格大小的煲膽滾邊整形，可同時實現滾壓和翻邊加工，從而提高了自動化程度，保證了加工成品的質量的同時有效縮減了加工時間，節約了用人成本，并且讓滾邊整形作業變得更為安全高效。