（机械制造及其自动化专业论文）球内胆成形技术研究.pdf

硕士论文球内胆成形技术研究 摘要 皮制球生产过程包括炼胶、制皮、穿孔、粘球头、球内胆成形、硫化、检验、缠纱、 贴皮、打印图案商标、外观检验，包装入库等十多道工序，其中部分工序机械化程度较 高，但有些工序主要由工人手工完成。球内胆成形工序是皮制球生产过程中的主要工序 之一，由于球内胆成形过程操作步骤较多，动作复杂，目前尚没有实现机械化、自动化， 生产仍然以人力手工作业为主，产品质量不高，成品率低，生产率低，劳动强度大。目 前的生产现状严重制约了我国球类出口量和国际化品牌的建立，因此需要研制新型机械 化球内胆成形设备，提高制球生产的产品质量和技术水平。 本文根据球内胆成形原理，将复杂的球内胆成形操作分解为合模，加压，开模，取 球胆，上胶皮等动作。通过分析比较，将原先在一个工位上进行的复杂操作分解到四个 工位上进行，通过驱动装置实现模具小车在各工位间的间歇运动。各工位同时动作，缩 短了等待时间，提高了球内胆生产效率。通过对球内胆成形设备合模工位、加压成形工 位、开模工位和驱动装置结构的设计、驱动与控制，保证了球内胆成形动作快速、准确 的完成。球内胆成形设备结构简单、安全可靠，实现了机、气、电一体化控制，解决了 球内胆加工中效率低、安全性不高、工人劳动强度大等关键问题。 本文分析球内胆出现皱褶的原因，通过在成形模具中板转轴处增加摩擦阻力机构， 降低了模具中板合拢对胶皮产生的冲击，还利用合模装置增加抹平动作，进一步提高了 胶皮加压成形前的平整度，在提高生产率同时，消除了手工操作等人为因素对产品质量 的影响，提高了成品率。 通过有限元对成形模具进行静力和疲劳寿命分析，找到模具结构薄弱点，提出相应 的改进措施，增加了模具的使用寿命，降低了企业的生产成本。 关键词：制球，结构，球内胆成形，疲劳分析 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t l e a t h e rb a l lp r o d u c t i o n p r o c e s si n c l u d i n gr u b b e rm i x i n g ，l e a t h e r , p e r f o r a t i o n ，s t i c k y b a l l e n d ，b l a d d e rf o r m i n g ，v u l c a n i z a t i o n , i n s p e c t i o n ，f r i c t i o ns p u ny a m ，s t i c kf ls k i n ，p r i n t i n g b r a n dp a t t e m ，v i s u a li n s p e c t i o n , p a c k a g i n ga n d w a r e h o u s i n g ，s u c h a sm o r et h a nt e n p r o c e d u r e ， s o m eo fw h i c hp r o c e d u r ea h i g h e rd e g r e eo fm e c h a n i z a t i o n , b u ts o m es t i l ll a b o r - i n t e n s i v e p r o c e s s t h eb l a d d e rf o r m i n gp r o c e d u r ew h i c hi ss t i l lm a n u a l b a s e dh u m a n , l o wp r o d u c t q u a l i t y , l o wp r o d u c t i v i t y , g r e a tl a b o ri n t e n s i t y , i so n eo ft h em a i np r o c e d u r e s t h ev o l u m eo f e x p o r t sa n di n t e r n a t i o n a lb r a n d so fc h i n a sa r es e r i o u s l yr e s t r i c t sb yt h ec u r r e n tp r o d u c t i o n s i t u a t i o n t h e r e f o r e ，n e wm e c h a n i z a t i o no fa u t o m a t i o ne q u i p m e n t si sn e e d e dt oi m p r o v et h e p r o d u c tq u a l i t ya n dt h et e c h n o l o g yl e v e lo fb a l l b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb l a d d e rm o l d i n gp r i n c i p l e ，v a r i o u ss p o r t sp r o g r a m sa r e c o m p a r e d ，s e t t i n gan e w b l a d d e rf o r m i n ge q u i p m e n t ，w h i c hi si n c l u d i n gd i ec l o s i n gw o r k i n g p o s i t i o n ，p r e s s u r ef o r m i n gw o r k i n gp o s i t i o n , d i eo p e nw o r k i n gp o s i t i o na n da r t i f i c i a lw o r k i n g p o s i t i o n t h ea g e n c ym o v e sa tt h es a m et i m et os h o r t e nt h ew a i t i n gt i m ea n di n c r e a s et h e p r o d u c t i v i t yo ft h eb a l ll i n e r t h eb l a d d e rf o r m i n ge q u i p m e n tr e s o l v e dt h ek e yp r o b l e m s t h r o u g ht h ei n t e g r a t e de l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r 0 1 b a s e do nt h ea n a l y s e st h ee m e r g e n c eo ft h eb l a d d e rs e a mp u c k e ro fr e a s o n s ，f r i c t i o n r e s i s t a n c em e c h a n i s mo fd i ei sd e s i g n e dt or e d u c et h ei m p a c to f f o l d i n gm e d i u mp l a t e a n d t h et e n s i o nm e c h a n i c a lo p e r a t i o no fd i ec l o s i n ge q u i p m e n ti sa d d e dt oi m p r o v et h ef l a t n e s so f r u b b e ra n dt h ep r o d u c tq u a l i t yo fb l a d d e r t h es t a t i ca n a l y s i sa n df a t i g u el i f ea n a l y s i so fb l a d d e rd i ea l ec o m p l e t e db yf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，i no r d e rt of m dt h ew e a k p o i n t s a p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sw h i c h c a ni n c r e a s ed i el i f ea n dr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t so f e n t e r p r i s eh a v eb e e np u tf o r w a r dt o i m p r o v et h eb l a d d e rd i e k e yw o r d ：b a l lm a n u f a c t u r e ，s t r u c t u r e ，b l a d d e rf o r m i n g ，f a t i g u ea n a l y s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕士论文 球内胆成形技术研究 1 绪论 体育运动用皮制球主要包括足球、篮球、排球和手球，按生产工艺不同可分为手缝 球和胶粘球两大类。手缝球是用多股线把各种不同造型的球片缝制成形，胶粘球则用橡 胶把各层次的材料黏合而成。其结构都分内层、中间层和外层三层。内层是球内胆，用 以贮存压缩空气使球体产生弹性；中间层是以纤维为主要材料的结构层，作用是控制球 的膨胀变形；外层是皮革，作为保护层与人体接触，并起到装饰的作用。除皮制球外还 有橡胶球，两者的区别是外层选材不同。橡胶球以橡胶作外层，其弹性、触感( 头感、 手惑、脚感) 和使用寿命都差于皮制球。所以国内外重大体育比赛，均采用皮制球，而 橡胶球仅作为练习使用【1 1 。球类运动以其参加人数之多、范围之广、影响之大堪称世界 数一数二的全球性运动项目，球类运动的休闲和娱乐特性使其受到了人们广泛的喜爱 2 - 3 1 。据国际篮联的统计，全世界经常打篮球的人超过2 亿。可见球类运动项目参与率之 大，因此球类的消耗量非常大。无论是皮制球还是橡胶球内层球内胆都是不可缺少的， 而且球内胆的质量很大程度上决定了球类的使用寿命和使用舒适度。 1 1 我国皮制球业的发展概述 自2 0 世纪2 0 年代初至4 0 年代末期，在长达2 0 多年的时间里，皮制球发展不快， 品种不多，款式单调，构造简单。生产上多以手缝8 片篮球为主，手缝1 2 片足球、排 球占很小比例。这些球大部分圆度不佳、弹力不稳、薄厚不均、重量不匀、手感不好， 而且一律都是有口球，导致其很大的一个缺点就是密闭性差，容易跑气。新中国成立以 来，制球业的发展很快。产品从少到多，由粗到精，变仿制为自行设计，由低档逐步向 高档演变。目前我国生产的皮制球外观艳丽，圆度精确，抗冲击力强，耐水耐磨。我国 皮制球的制作演变过程可分为以下五个阶段【4 j ： 第一阶段，解放初 - 1 9 5 6 年为发展阶段。在这一时期由于全国城乡都普遍开展起球 类运动，皮制球的需求量猛增。全国各地生产皮制球的小厂、小社如雨后春笋般地开办 起来。主要生产篮、排、足球，品种以篮球为主，这些球都是手工缝制的有口球，在造 型和结构上和过去没有多大变化。可称为新中国的第一代皮制球。 第二阶段，1 9 5 7 - - 1 9 7 0 年为提高阶段。1 9 5 7 年后我国生产的皮制球已进入国际市 场，为牢固地占领国际市场，皮制球面临着如何提高质量、增加花色品种，达到国际标 准的严峻考验。为此，去掉了几十年依赖长嘴球胆和球口，变有口球为无口球，改用气 针注气，并做到在缝制中收口无痕，彻底解决了球体重心不均的现象。5 0 年代末至6 0 年代初，皮制球开始向胶粘工艺方向发展，重点以篮球、排球为主，也制作部分足球。 1 绪论 硕士论文 第三阶段，1 9 7 1 年 1 9 7 9 年为赶超国际水平阶段。为学习国外经验，我国曾多次 派人员到国外实地考察，并把他们的产品带回国内解剖、分析、研究，从性能，制造工 艺，外观色泽上和我国产品进行对比，找到了差距，然后逐项加以改进。我国自行设计 制作了3 2 片防水球，有的球类已经达国际标准。如上海生产的“火车 牌排球，此球 经国际排球规则委员会进行2 9 0 0 0 多次性破坏冲击试验，最终被国际排联批准为国际比 赛用球。但是1 9 7 0 年到1 9 7 9 年，国际制球业也飞速发展。尤其是美国、德国、日本、 韩国和我国台湾省等国家和地区，利用雄厚的资金和技术不断推陈出新，基本垄断世界 市场。一些国际知名体育用品公司抓住时机加速发展，扩大国际市场占有率，迅速提高 知名度。随即诞生了美国的n i k e 、s p a l d i n g 、w i l s o n ，德国的a d i d a s ，日本的 m o l y e n 、m i k a s a 和美津浓，英国的m i t a ，韩国的n a s s a u 等世界知名品牌。 第四阶段，1 9 8 0 年1 9 9 7 年，制球业进入了崭新阶段。皮制球向外观美方向发展， 在印花图案和球面装饰上下了很大功夫。各种不同外观图案、花色的体育用球层出不穷。 当时，国内已有生产皮制球专业企业三十余家，至八十年代末国内皮制球年产量选4 0 0 余万只。其中出口2 0 0 万只，但主要出口到不发达的第三世界中的国家和地区，真正能 进入美国、西欧和日本市场的只占全部出口量的1 0 - - 1 5 。到1 9 9 7 年我国球类出口量达 到4 2 7 4 5 万个，创汇7 8 7 8 万美元。 第五阶段：1 9 9 8 年至今，制球业生产设备进入改革创新阶段。随着机械化程度和人 们消费水平的不断提高，各行业的设备、工艺都在不断地改进，生产能力不断地提高， 制球业的设备也有了突飞猛进的改变，如球内胆绕线机取代了手工在球胆表面地绕上不 同规格的线，比手工绕线更加均匀、便捷。然而，我国制球业具有起步和进入市场较晚， 结构体系不尽合理，企业营销规模分散，标准化程度低，品牌效应差等原因，在一定程 度上制约了这个行业的进一步发展。 1 2 世界皮制球的发展现状 世界皮制球产区近年来也有所变化。工业发达国家在皮制球发展上速度不快，甚至 有所下降。而发展中国家的皮制球产量则大幅度上升。导致这种情况的主要原因之一是 工资成本问题。工业发达国家的机械化程度较高，而皮制球特别是手缝球的生产方式， 仍属于劳动密集型生产，劳动力仍占主要地位，他们一般工资成本占生产成本的3 0 - - - 5 0 。而发展中国家工资水平较低，例如，我国制球工业工资成本部分仅占生产成本的 4 - - 5 。因此，发达国家需要大量进口皮制球，这就为发展中国家的皮制球生产创造了 有利的发展条件。另一方面，鉴于发展中国家的廉价劳动力因素，发达国家的制球公司 纷纷在国外设立工厂，这对发展中国家的制球业发展和技术进步，起到了很大的推动作 用。但是有两个例外，一个是联邦德国阿迪达斯体育用品公司出品的手缝5 号大足球， 2 硕士论文球内胆成形技术研究 久负盛名，增产较快，多年来一直居世界首位。另一个是日本“米卡沙生产的胶粘球， 由于设备先进，机械化强度高，产量多，质量好，在国际市场上竞争力很强。 1 3 我国皮制球存在的问题 进入新世纪，全球体育用品业的形势和格局发生了深刻的变化，各大品牌围绕科技 创新、规模扩张、知识产权、贸易保护和品牌战略为核心的市场竞争日趋激烈。高新技 术和新型材料的广泛应用，有效地促进了运动成绩提高的同时，又形成了新的技术垄断， 旨在分割世界资源的品牌并购改变了全球市场的格局。特别是2 0 0 5 年8 月，阿迪达斯以 3 8 亿美元的代价并购锐步，形成了耐克、阿迪两强对抗的格局。欧洲、美国、日本三大 体育用品市场仍在低谷徘徊，中国市场进一步成为世界品牌争夺的制高点。随着世界性 产业转移步伐加快，亚洲、南美等地区的制造业迅速发展。低成本、大数量的“中国制 造”如运动鞋、运动服装、健身器材等进入国际市场，对繁荣、推动进口国的贸易、促 进消费发挥了积极的作用。但同时，遭受“反倾销”等非技术壁垒的贸易摩擦时有发生， 越来越多的国际品牌在进一步巩固原有领地的同时，开始把触角伸向我国顶级赛事、国 家队，甚至是省市队，使国内品牌的生存发展空间受到进一步打压【6 】。 在当前品牌化时代，品牌的重要价值主要包括两个方面：一是体现在特定商品身上 的实用价值，必须以其优良的品质为消费者首肯；二是能够满足人们精神需要的附加价 值。品牌已成为企业在市场竞争中生存和发展的基石，是需要企业长期维系的核心竞争 力。打造国内外知名品牌，是国内制球业的梦想。我国制球业具有起步和进入市场较晚， 企业营销规模分散，品牌效应差，标准化程度低等原因，在一定程度上制约了这个行业 的发展。制球业属于劳动密集型产业，在我国具有一定的比较优势，虽然起步较晚，但 速度较快，许多世界知名的体育用品都是在中国生产的。现在中国已成为球类制造大国， 然而，却不是品牌强国，用自己品牌打入国际市场的产品还是凤毛麟角【7 叫。 目前我国的制球业仍然面临诸多问题。我国制球业的标准标龄长、标准低、与国际 要求相差过远；企业生产规模小，分散经营现象严重，企业多数没有建立现代企业管理 制度，缺乏国际竞争力；面临国际制球业市场转移扩张压力，各国际知名品牌纷纷在我 国设立专卖店、生产厂家，部分产品已经在国内外市场产生了积极的反响，并对我国制 球业产生了很大的威胁；缺乏自主品牌意识与创新意识，在中国，大多数制球企业却主 要依靠模仿或承担国外品牌的生产加工任务，获得利润；技术投入不够，科技含量低， 产品品种单一，以劳动密集型加工为主，严重削弱了企业的竞争力等问题。 从长远的角度看，在中国市场逐步同世界接轨后，中国廉价劳动力的优势将逐步消 失，掌握新的技术，在制造上推陈出新，改善自身的设备，尽可能的提高机械化程度， 从而提高产能和效率，才是中国制球业的发展方向。 i 绪论硕士论文 1 4 论文主要研究内容 企业制球工艺包括：炼胶、制皮、穿孔、粘球头、球内胆成形、硫化、检验、缠纱、 贴皮、打印图案商标、外观检验，包装入库等十多道工序。 炼胶：将混合了硫磺粉的生胶放在炼胶机中，用辊子碾压，使其混合均匀。 制皮：将炼好的胶，压成胶皮，并根据球的规格裁剪胶皮的尺寸。 穿孔：在胶皮上穿球头- i l ( 气嘴座孔) 。 粘球头：在球头孔处涂抹胶水并粘球头( 即气嘴座，球内胆与外界气体的连通口) 。 内胆成形：将粘有球头的胶皮放在球内胆成形模具上，按一定的规则折叠三次后， 由手工将模具推入压力机内，加压成形，形成中空的球内胆皮囊。 硫化：将球内胆放在硫化模具中充气、加热，使胶皮中的硫磺与橡胶起化学反应， 成为硫化橡胶。经过硫化处理后，胶皮获得良好的弹性，从而提高了强度。 检验：对硫化后的球内胆进行气密性检验。将充入一定压力气体的球内胆浸入水中， 有气泡的则为废品，无气泡产生的球内胆才可以进入下面的程序。 缠纱：在球内胆表面缠绕浸过胶水的棉纱，以增加球内胆的抗压能力。 贴外表皮：球内胆表面粘贴八片胶皮。 贴商标：在球的外表面粘贴公司商标。 检验：进行外观及抽样质量检查。 包装入库：将球类产品按种类、型号包装入库。 球内胆成形工序是制球生产过程中的主要工序之一，首先将一片约i m m 厚的长方形 胶皮片平放在展开的成形模具里，与模具一起按照一定的规则和顺序折叠，再将模具推 入压力机内加压成形，然后再将模具从压力机中拉出，展开模具并取出成形的球内胆。 整个成形过程由熟练的技术工人操作也需要l o 秒左右的时间。随着机械技术的不断发 展，制球业的机械化程度提高了，但球内胆成形加工仍然以人力手工作业为主，工人劳 动强度大，产品的质量受人为因素影响较大，球内胆的成品率和生产效率低。在成形模 具推入、搬出压力机的过程中，增大了意外事故发生的概率。因此迫切需要对球内胆成 形技术进行研究，提高球内胆成形设备的机械化和自动化程度，提高生产效率和成品率。 本课题的主要研究内容包括以下几个方面： 1 、球内胆成形设备总体方案研究。根据现有球内胆成形技术和产能要求，确定球 内胆成形设备的技术路线和工艺流程布局，选择合适的成形设备总体方案。 2 、各工位操作动作方案的设计与实现。主要内容包括：通过机械装置使模具按照 一定规则和顺序合拢，此动作以下简称“合模 ，将平铺在模具上的胶皮片也按一定的 层次折叠；压力机加压成形；通过机械装置使模具展开，此动作以下简称“开模”，取 4 硕士论文球内胆成形技术研究 出压制成形的球内胆；步进间歇驱动装置的设计，实现各工位动作时，模具静止在工位 上，各工位动作结束后模具沿导轨运动到下一个工位。 3 、球内胆成形设备气动系统。综合考虑到气动驱动取材方便、环境污染小、成本 低、简化机械结构等优点，以及各工位的动作特点，选用气动设备为驱动途径，用气缸 给各动作提供动力，使用电磁阀、节流阀等气动控制元件来控制各个气缸的运动。 4 、球内胆成形设备p l c 控制。通过p l c 编程实现成形设备中合模工位、开模工位 和驱动装置各动作的运动次序，保证各动作准确到位，并且各动作间没有运动干涉。 5 、提出球内胆成形防皱褶措施，保证产品质量。分析球内胆皱褶产生的原因，通 过改进模具结构，降低中板在自重作用下翻转合拢产生的机械冲击对胶皮引起的移动， 提高产品的质量。利用合模装置增加抹平动作，保证加压成形前胶皮的平整度，进一步 提高产品的质量和成品率。 6 、模具疲劳寿命分析计算。模具高频率的工作对模具零件的强度以及耐用性提出 了较高的要求，因此在模具有限元静力分析的基础上，对其进行疲劳寿命分析，找出模 具零件强度薄弱部位，提出改进措施。 5 2 球内胆成形设备方案研究 硕士论文 2 球内胆成形设备方案研究 球内胆成形是制球工序中非常重要的环节，充气球类都需要球内胆，因此球内胆的 生产能力和质量直接影响球类的产量和销售。本章根据球内胆生产原理，确定球内胆生 产设备方案，提高生产效率、降低工人劳动强度。 2 1 现有球内胆成形加工技术 2 1 1 球内胆的结构 球内胆充气后是带球头的球体，但充气之前由四片椭圆形胶皮和一个球头组成，如 图( 2 1 ) 所示。四片胶皮所围成的空腔充气后形成一个球体。 图2 1 球内胆结构 2 1 2 球内胆成形原理 球内胆成形原理是将一片约l m m 厚的长方形胶皮片放置在展开的模具里，按照一定 的规则和顺序折叠完成后，再放入压力机加压，在模具上、下刀口的作用下将相邻的两 层胶皮按刀口的大小粘压在一起并沿刀口外沿切断，然后打开模具取出球内胆。压力机 工作台上装有加热板，压力机对成形模具加压时可以将热量通过模具传递到胶皮上，提 高胶皮的可塑性，便于胶皮粘压成形。 6 硕士论文 球内胆成形技术研究 球内胆成形过程具体操作步骤及胶皮折叠方法如下所述，模具用细实线表示，胶皮 用粗实线表示： 第一步：展开成形模具。翻开模具上盖( 即上刀口) 和模具左、右中板，模具展开结 构示意图如图( 2 2 ) 所示。 图2 2 模具展开结构示意图 第二步：将胶皮片放置在展开的成形模具上。胶皮上的球头偏向胶皮- - 0 1 i l ，当放置 胶皮时与球头距离较远一侧放置在右中板上，即模具右中板- - 俱t j 的胶皮远长于模具左中 板一侧的胶皮，合模前胶片状态0 1 1 1 n ( 2 3 ) 所示。 2 球内胆成形设备方案研究硕士论文 图2 3 合模前胶皮状态示意图 第三步：翻转合拢模具中板。将悬垂中板两侧的胶皮包裹在左、右中板上，与中板 一起翻转合拢，合拢后的胶皮状态如图( 2 4 ) 所示。 8 硕士论文球内胆成形技术研究 l j 缈ik 。a 图2 4 中板合拢胶皮状态示意图 第四步：平铺胶皮。将模具右侧长出的胶皮再次折叠平铺到成形模具中板上，胶皮 状态如图( 2 5 ) 所示。 图2 5 胶皮折叠完成后状态示意图 第五步：合拢模具上刀口。翻转合拢成形模具上刀口，完成折叠的四层胶皮在上、 下刀1 ：3 之间。胶皮与上、下刀i ：1 状态如图( 2 6 ) 所示。 9 2 球内胆成形设备方案研究硕士论文 图2 6 合拢上刀口胶皮状态示意图 第六步：加压成形。将合拢的成形模具推入压力机，启动压力机，在压力机压力和 加热的作用下，第一层胶皮和第二层胶皮按刀口形状粘压在一起并且沿刀口外侧切断， 第三层胶皮和第四层胶皮粘压在一起并且沿刀口外侧切断，压力机热合成形结束后，球 内胆的成形动作基本完成。 第七步：取出球内胆。压力机工作结束后，拉出并展开成形模具，取出压制成形的 球内胆。取出的胶皮如图2 7 ( a ) 所示，模具刀口在压力机的压力下已将胶皮沿刀口外沿 切断，所以工人可以将粘压成形的球内胆取出。取出的球内胆如图2 7 ( b ) 所示。 1 0 硕士论文 球内胆成形技术研究 图2 7 胶皮热合成形图 2 2 现有球内胆成形方法存在的问题 成形模具质量约15 k g ，工人将一片约l m m 厚的长方形胶皮片放置在展开的成形模 具里，模具按照一定的规则和顺序折叠后将模具推入压力机内加压成形，然后将模具从 压力机中拉出，展开模具并取出成形的球内胆。加工过程中，产品的质量受到人为因素 的影响较大。工人如果没有将与模具中板一起合拢的胶皮拉平，压制成形的球内胆经常 在两端接缝处产生皱褶或夹皮。球内胆接缝处的皱褶或夹皮会在硫化工序时因两端橡胶 厚度不等，流动性变弱，胶皮内部的气泡不能充分排出，造成产品漏气检验不达标，增 大了废品率，提高了企业的生产成本，降低了企业的生产能力。球内胆加工的整个动作 过程都是由人工操作完成，工人每天工作8 小时，劳动强度大，而七个步骤由熟练的工 人操作完成也需要l o 秒钟左右。因此现有球内胆成形的生产方式劳动强度大、生产效 率低，不能满足企业的生产要求。本章主要研究球内胆成形设备总体方案，目的是提高 产品质量、降低工人的劳动强度、提高企业的生产能力。 2 3 球内胆成形设备技术、产能要求及原始数据 2 3 1 成形设备技术、产能要求 1 、提高产品质量，保证球内胆皮面平整，两端压缝处无皱褶； 2 、实现个步骤机械化操作，降低劳动强度，减少用工量； 3 、实现快速更换模具，满足不同规格尺寸球内胆的生产要求； 4 、在不改变球内胆成形原理的基础上，改进成形模具并继续使用现有的四立柱压 力机； 5 、一套成形设备有每天( 2 0 小时) 大约5 万只的生产能力。 2 球内胆成形设备方案研究 硕上论文 2 3 2 原始数据 1 、胶皮尺寸 不同种类以及同种类不同型号的皮制球，球内胆尺寸不同。为了提高胶皮的利用率， 不同规格尺寸的球内胆所用的胶皮尺寸不同，胶皮宽度3 6 0 3 8 0 m m ，胶皮厚度小于 l m m ，胶皮长度5 0 0 8 5 0 m m 。 2 、压力机 球内胆成形压力机采用四立柱压力机，结构及实际测量尺寸如图( 2 8 ) 。工作台与横 梁之间的距离可调，最大可达2 7 5 m m 。 图2 8 压力机结构、尺寸图 2 4 球内胆成形设备技术路线与工艺流程布局 根据皮制球球内胆成形设备的技术、产能要求和现有球内胆生产的具体步骤，球内 胆成形设备拟采用机械的方式实现合模和开模动作，而在模具上放置胶皮片和取球内胆 仍由人工完成，这样既减轻了工人的劳动强度，又避免了设备结构过于复杂。球内胆成 1 2 硕士论文球内胆成形技术研究 形加工操作步骤较多，按照功能不同可以分为四个主要操作步骤，放置胶皮片、合模、 加压成形、开模取球内胆。如果将这四个操作步骤集中在一台机器上，由于各步骤不可 能同时进行，因此各步骤动作待机时间较长，生产效率并没有提高。为了达到5 万只的 球内胆日产量，准备将四个主要操作步骤安排在四个工位，形成一个设备单元。胶皮片 在人工工位被工人放置在成形模具上，然后依次经过合模工位、加压成形工位、开模工 位就完成了球内胆的成形加工。为了使成形模具可以循环使用，将数个相同的设备单元 环形布置，组成一套球内胆生产设备，各单元各工位动作同时运行，实现连续生产，从 而提高了生产效率。 取球粤 鼓譬肢皮 ，台蓑 加压 残墨 开鬟 开横 加压 取孽瘴 成型杏模 鼓置肢皮 取璩誊 备摸 效j i l 肢度 如压开曩 蠢蔓 开蓑 如压 成萋 备撬 取璩腰 放置肢蛊 图2 9 四个设备单元组成的球内胆生产设备工艺流程示意图 四个设备单元组成的球内胆生产设备工艺流程如图( 2 9 ) 所示，每个设备单元有四个 工位，球内胆生产设备由1 6 个工位组成，1 6 副成形模具在球内胆生产设备上依次经过 每一个工位，完成不同的操作步骤。工位1 是人工工位，是每个设备单元的起始工位， 此工位的工作是从模具上取出压制成形的球内胆，并在模具上放置胶皮片，此工位的工 作由工人完成：工位2 是合模工位，通过机械装置将片状胶皮按成形原理进行折叠，此 工位是保证产品质量的关键；工位3 是压力机加压成形工位；工位4 是开模工位，通过 机械装置将成形模具展开。工位2 、工位3 、工位4 ，这三个工位的动作由机械完成，不 2 球内胆成形设备方案研究 硕士论文 需要工人操作看管，因此每个设备单元只需配备一名操作工。采用环形流程，各工位同 时工作，无待机时间，提高了生产效率。 2 5 球内胆成形设备总体方案 2 5 1 成形模具环形运动要求 实现模具环形运动的方案有多种，根据球内胆成形原理，以及各工位的分布情况， 对模具环形运动提出如下运动要求： 1 、各工位的机械动作开始时模具静止在工位上，当全部动作都结束后，在驱动装 置的作用下，模具运动到下一工位，因此模具的环形运动必须是间歇运动； 2 、为避免各工位模具的运动干涉，各模具在进入下一工位时，要求同步运行； 3 、模具在各工位上要有一定的定位精度，便于合模装置、压力机及开模装置工作。 2 5 2 成形设备方案 图2 1 0 模具环形运动流程方案 三种模具环形运动流程方案如图( 2 1 0 ) 所示。方案( a ) 为四边形布局，模具在每条边 上作直线运动，便于开模装置、合模装置和成形压力机的布置，但在整个运动过程中， 模具多次改变运动方向，在不同方向的导轨上运动，使模具运动导向和驱动装置变得复 杂。方案( b ) 是对方案( a ) 的改进，通过过渡圆弧连接两个不同运动方向的直线运动，模具 运动过程中不需要变换导轨，简化了运动导向及驱动装置。方案( c ) 为圆周布局，运动方 式单一，运动导向和驱动装置简单，但圆周半径小时不利于开模装置、合模装置和压力 机的布置，以及驱动装置的安装、设计。 球内胆成形设备每天的产能大约为5 万只，因此四个或五个成形设备单元组合成一 套成形设备就能满足每天不同型号球内胆的产能要求。经综合比较，方案( c ) 的圆周布置 比较经济、易于实现，故选用该方案。四个或五个成形设备单元组成的成形设备圆周半 径约2 2 m ，对开模装置、合模装置和压力机的布置、安装、设计影响不大。但是五个 设备单元组成的成形设备相邻两工位间的圆弧比四个设备单元组成的成形设备的曲率 1 4 硕士论文 球内胆成形技术研究 半径小，转弯平缓，因此五个设备单元组成的球内胆成形设备可以采用气缸直线驱动装 置驱动模具的圆周环形运动。气缸直线驱动装置更易安装、设计，因此球内胆成形设备 更加适合由五个成形设备单元组成。 五个成形设备单元组成的球内胆成形设备模具环形运动方案如图( 2 1 1 ) 所示，2 0 副 模具放置在2 0 个小车上，小车顺序首尾铰接在一起，由5 个驱动气缸推动模具小车沿 圆形导轨运动，实现步进间歇运动。 图2 1 1 成形设备模具环形运动方案 2 6 本章小结 针对球内胆成形设备技术、产能要求，本章研究确定了一种成形设备方案，该方案 提高了生产效率，降低了工人的劳动强度，具有连续作业的特点。 首先，通过对球内胆成形原理以及具体生产步骤的分析，确定了设备新的技术路线 和工艺流程布局；其次，根据新的技术路线和工艺流程，研究了几种模具环形运动方案， 分析各种方案的优缺点，通过比较选定最佳运动方案；最后，完成了球内胆成形设备的 总体方案设计。 1 5 3 球内胆成形设备技术研究颈士论文 3 球内胆成形设备技术研究 根据球内胆生产工艺要求和设备总体布局，确定各工位的机械结构、驱动装置和控 制方法。首先根据各工位动作原理确定机械结构方案，要求各动作互不干涉，结构简单、 易于控制；其次根据机械结构方案选择合适的驱动装置完成各机构的动作控制，保证各 结构动作准确到位；最后根据驱动装置确定驱动的控制方法，要求备动作按照顺序快速、 准确完成。 成形设备各工位步骤较多，动作复杂，又需要严格地按一定顺序相互配合，才能使 设备达到预期的功能要求。经综合比较分析，成形设备各工位的动作由气动设备完成驱 动，动作顺序由p ie 控制。气动设备实现对合模工位、开模工位和驱动装置各机构的 驱动；p l c 控制实现对开模工位、合模工位和驱动装置各机构动作顺序的控制。通过气 动设各与p l c 控制的相互配合，完成球内胆的生产。采用气动设备可以简化机械结构， 便于自动控制。考虑到球内胆成形设备中气动设备的寿命要高、可靠性要强，因此气动 设备是以日本s m c 公司的气动元器件为基础进行设计的。球内胆成形设备选用的是欧 姆龙公司的可编程控制器，如图( 3 1 ) 所示。 图，1 可编程控制器 硕士论文球内胆成形技术研究 3 1 合模工位 3 1 1 合模装置结构研究 合模装置，是保证球内胆成形生产效率和质量的重要环节，其设计既要满足在规定 时间内迅速完成胶皮的折叠，各动作之间衔接平顺、互不干涉，又要保证折叠的胶皮皮 面平整，压缝处没有皱褶的要求。 为保证合模工位各动作结束后胶皮的平整度，其设计包括收紧翻转机构和平铺机构 两部分。收紧翻转机构的作用是将放置在成形模具上的胶皮片收紧、拉平并包裹在成形 模具左、右中板上，翻转合拢中板，完成球内胆加工的第二、三步；平铺机构的作用是 将胶皮平铺在已经合拢的左、右中板上，完成球内胆加工的第四步。合模装置收紧翻转 机构原理图如图( 3 2 ) 所示，平铺机构原理图如图( 3 3 ) 所示。 翻转机构由大齿轮l 、小齿轮2 、翻转气缸3 、合模臂4 、合模气缸5 、合模臂拉杆 6 、转臂7 组成。模具小车在驱动装置的作用下从人工工位运动到合模工位，此时展开 的模具上已放置了胶皮片。模具小车到位后，合模气缸驱动合模臂拉杆运动，使处于张 开状态的v 形开合机构合拢，带动转臂将胶皮收紧并包裹在成形模具左、右中板下方； v 形开合机构将胶皮收紧后，翻转气缸开始动作，在大、小齿轮的共同作用下，将气缸 的直线运动转变为转臂的旋转运动，完成成形模具左、右中板翻转合拢的动作；中板合 拢动作结束后各机构复位。通过对翻转气缸动作时间的控制，使左中板的合拢时间晚于 右中板，左中板上的压条可以将右中板上的胶皮压住，为平铺机构对胶皮进行再次折叠 做准备。 平铺机构由推杆8 ，推杆抬起气缸9 、推杆支架1 0 、推杆移动气缸1 1 组成。翻转机 构各机构动作结束后，推杆抬起气缸动作，处于成形模具右中板下方的推杆抬起，位于 模具右侧剩余的胶皮也被抬起；推杆抬起动作结束后，推杆移动气缸动作，带动整个平 铺机构向左运动，将胶皮平铺在合拢的中板上；平铺动作结束后各机构复位，胶皮折叠 完成。 合模装置结构图见附录。 1 7 3 球内胆成形设备技术研究硕士论文 1 8 向 图3 2 合模装置翻转机构原理图 硕士论文 球内胆成形技术研究 图3 3 合模装置平铺机构原理图 3 1 2 合模装置气动系统 如图( 3 4 ) 所示，合模装置共有5 个驱动气缸，气缸1 驱动v 形开合收紧机构，气缸 6 、气缸9 分别驱动右、左翻转机构，气缸1 2 为平铺机构中的提升气缸，气缸1 5 为平 铺机构的移动气缸。合模装置气动系统工作过程如下：模具小车到位后发出信号，控制 电磁二位五通换向阀3 换至右位，气缸1 活塞杆缩回，带动v 形开合机构收紧；v 形开 合机构到位后发出信号，控制电磁阀二位五通换向阀4 换至左位，使气缸6 活塞杆缩回， 从而带动右翻转臂将模具右中板翻转合拢；右中板翻转合拢到位后发出信号，控制电磁 阀二位五通换向阀4 换至右位，使气缸6 活塞杆复位，右翻转臂翻转复位，同时控制电 磁阀二位五通换向阀7 换至左位，使气缸9 活塞杆缩回，从而带动左翻转臂将模具左中 板翻转合拢；左中板翻转合拢后发出信号，控制电磁阀二位五通换向阀7 换至右位，使 气缸9 活塞杆复位，同时控制平铺机构开始动作。电磁二位五通换向阀1 0 换至左位， 提升气缸1 2 活塞杆缩回，将推杆抬起；推杆抬起后发出信号，控制电磁二位五通换向 阀1 3 换至左位，使移动气缸1 5 活塞杆缩回，推杆将胶皮平铺在模具中板上，完成胶皮 1 9 3 球内胆成形设备技术研究 硕士论文 的折叠；当推杆移动到行程中点时发出信号，控制电磁二位五通换向阀3 换至右位，气 缸1 复位，驱动v 形开合收紧机构复位；当推杆移动到行程终点时发出信号，控制电磁 二位五通换向阀1 3 换至右位，移动气缸1 5 复位，控制推杆退回；推杆复位后发出信号， 控制电磁二位三通换向阀l o 换至右位，提升气缸1 2 复位，控制推杆落下。合模装置气 动控制全部动作完成。 图3 4 合模装置控制系统不意图 3 1 3 合模工位p l c 控制 气动系统的换向阀均为双控电磁换向阀，它的特点是当突然断电或断气时，具有记 忆保持功能。图( 3 4 ) 中用数字l 、6 、9 、1 2 、1 5 分别代表五个气缸；用数字o o o 、0 0 1 、 0 0 2 、o 0 3 、o 0 4 、o 0 5 、o 0 6 分别代表安装在气缸上的磁性开关；字母f 、s 分别代表 电磁换向阀的两个接线端，当f 端通电时表示气缸复位，当s 端通电时表示气缸收缩。 电磁阀的通电与否通过p l c 控制，通电时用数字l 表示，断电时用0 表示。p l c 控制 气缸动作步骤为： 第一步，打开运行开关以后气缸l 收缩并保持，即1 s = 1 ( 即控制1 气缸的电磁阀s 端 动作，下同) ； 第二步，当磁性开关0 0 1 被打开后，气缸6 收缩，即6 s = 1 ； 第三步，当磁性开关0 o o 打开后再经过o 2 s ，气缸9 收缩，即9 s = 1 ； 2 0 硕士论文球内胆成形技术研究 第四步，当磁性开关0 0 3 被打开后再经过0 5 s ，气缸6 、9 复位，即6 f = l ，9 f = 1 ； 第五步，当磁性开关o 0 3 被打开后再经过0 9 s ，汽1 2 收缩，即1 2 s = 1 ； 第六步，当磁性开关o o o 被打开后，气缸1 5 收缩，即1 5 s = l ； 第七步，当磁性开关o 0 6 被打开后，气缸1 5 复位，即1 5 f = 1 ； 第八步，当气缸1 5 完成复位以后，气缸1 2 复位，即1 2 f = l ； 这八步不断地循环重复，实现成形模具合拢所有动作的控制，完成了片状胶皮的折 叠。电磁阀各端通电顺序如表( 3 1 ) 所示： 表3 1 合模装置电磁阀各端通电顺序表 p l c 各端口对应的合模装置动作为： 输入：2 0 0 通电 1 o o 运行 0 0 1 1 气缸的上位开关 0 0 3 - 9 气缸的下位开关 0 0 5 1 5 气缸的上位开关 输出：1 0 0 0 一l 气缸收缩 1 0 0 2 6 气缸复位 1o 0 4 9 气缸复位 1 0 0 6 1 5 气缸收缩 1 1 o o 1 气缸复位 2 0 1 断电 o 0 0 一1 2 气缸的下位开关 o 0 2 6 气缸的下位开关 0 0 4 1 2 气缸的上位开关 0 0 6 1 5 气缸的下位开关 l o 0 1 6 气缸收缩 1o 0 3 9 气缸收缩 1 0 0 5 1 2 气缸收缩 1 0 0 7 1 5 气缸复位 1 1 0 1 - - 1 2 气缸复位 2 1 3 球内胆成形设备技术研究硕士论文 合模装置p l c 控制梯形图如图( 3 5 ) 所示。 第一步 第二步 第三步 第四 第五步 第六步 第七步 第八步 一卜t 伽叫d 一 2 2 2 0 2l 叫卜一 2 2 2 0 2 ，。， i 。ii t i m 卜 l 0 0 1 i t i m 0 0 2型 - i i 幽 f211 卜_ l # 0 0 4 01 1缸r oi b r o 0 6 10 0 5 一卜一卜一d l l i u ll 3j 卜 20 0 0 3型 l l 堕q 望i21 ) 卜_ i1 0 14 0j l叽0 i i r o 0 8 10 0 6 一卜一卜一3 i j 卜 20 0 i0 4型 ij l 堕壁! f2 12 卜 1 f 0 2 4 0 l l h r o i 阻o 0 9 1o 0 7 伽一卜一d i f i j 【j 卜 20 0 0 5型 - i t i 哑! f2 1 ) 卜 lf 0 0 8 0l l 丑丑o i 眈o 7 1 1 0 l v 图3 5 合模装置p l c 控制梯形图 硕士论文球内胆成形技术研究 3 2 加压成形工位 图3 6 加压成形工位 球内胆成形设备的加压成形工位采用四立柱压力机完成球内胆的加压成形动作。为 避让压力机的四立柱，导轨穿过压力机工作台与横梁之间，成形模具与小车( 以下简称 模具小车) 在驱动装置的驱动下沿导轨进出压力机工作台与下横梁之间。模具放置在小 车上，由两根导向销定位导向，实现模具相对小车的上下移动。压力机加压时，工作台 向上运动，工作台上的加热块将成形模具从小车上抬起与横梁一起完成模具加压动作； 工作台向下运动复位时，成形模具在重力和导向销的作用下回落n d , 车上。选用