（机械电子工程专业论文）不锈钢锅体生产线高温物料传输系统优化设计.pdf

摘要 摘要 物料自动传输技术在冲压生产线等方面有巨大的需求，冲压加工广泛应用于汽 车、航空、家电等工业领域，其加工过程就是对原材料进行冲压拉伸、折弯、裁剪 制成产品或半成品，其加工方式是冲床驱动模具的凸模对送到凹模的材料进行冲压 拉伸或折弯、裁剪加工，主要用于批量生产，如用人工操作加工，就具有劳动强度 高和危险性高的特点，也无法充分发挥生产线的效率。铝一不锈钢复合底不锈钢锅 是一种节能和提高加热均匀性的厨具新产品，铝一不锈钢复合底不锈钢锅在制造过 程中需要将锅体加热并输送到压力机上进行不锈钢锅体、铝导热体以及不锈钢底板 的焊接。高温物料的自动传送涉及传输速度与节能问题有其特殊性。 本文针对铝一不锈钢复合底不锈钢锅体高温物料的自动传输系统，重点进行了 不锈钢锅底生产流水线的自动上下料方案设计、生产流水线的p l c 控制系统设计、 上下料机械手结构及控制程序设计与开发。首先基于高温物料生产线的节能减耗优 化设计，根据压力焊机的生产节拍优化设计高温物料生产线的配置，采用传送带快 速传送工件到上料机械手附近，用机械手夹持工件快速移动。其次，高温物料的上 下料机械手结构和控制过程优化，上料机械手的顺序动作均采用气缸加压力控制阀 及行程开关实现，并用定位块配合压力控制阀来完成压焊机的工件定位要求；下料 机械手用三轴数控运动实现，伸缩臂动作、升降臂动作、地面移动均使用伺服电机 作动力源，转臂动作用旋转气缸加行程开关来实现，夹持工件动作用直线移动气缸 加压力控制阀来实现。接着，根据高温物料传输系统所处的高温、高噪声环境进行 系统稳定性和绝热性结构和控制方案设计，减少整个系统的控制环节。最后，采用 p l c 控制系统实现高温物料自动上下料系统的优化控制，提高流水线的柔性生产能 力，实现上下料的各种动作，减少高温物料传输过程的热量耗散。 关键词：物料传送系统；自动化；p l c ；机械手；堆垛程序 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t a u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yh a sa h u g ed e m a n di nt h ep r e s sp r o d u c t i o nl i n e s ， a n ds t a m p i n gi sw i d e l yu s e di na u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，e l e c t r o n i c sa n do t h e ri n d u s t r i e s s t a m p i n gp r o c e s s i n gi ss t r e t c h i n g ，b e n d i n g ，c u t t i n go rs e m i - f i n i s h e dp r o d u c t sf o rr a w m a t e r i a l s ，a n dp r o c e s s i n gm e t h o di s t e n s i l eo rb e n d i n g ，c u t t i n gp r o c e s s i n gf o rp u n c h d r i v e nd i e ，i sm a i n l yu s e df o rm a s sp r o d u c t i o n ，s u c ha st h eu s eo fm a n u a lp r o c e s s i n g ， w h i c hh a v eh i g hl a b o ri n t e n s i t ya n dh i g h - r i s kc h a r a c t e r i s t i c sa n dc a n tg i v ef u l lp l a yt o t h ee f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o nl i n e s a l u m i n u m - s t a i n l e s ss t e e lc l a db o t t o ms t a i n l e s ss t e e l p o ti st h en e wk i t c h e np r o d u c t sw h i c hs a v ee n e r g ya n di m p r o v et h eh e a t i n gu n i f o r m i t y ， i nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw h i c hr e q u i r e st oh e a tt h ep o t ，t h e nt ot r a n s f e rt ot h ep r e s s t ow e l dt h es t a i n l e s ss t e e lp o t ，a l u m i n u mc o n d u c t o r sa n ds t a i n l e s ss t e e lf l o o r t h e a u t o m a t i ct r a n s f e ro fh i g h - t e m p e r a t u r em a t e r i a l sh a si t sp a r t i c u l a r i t yo ne n e r g yi s s u e s a n dt r a n s m is s i o ns p e e d i n t h i sp a p e r ，i tf o c u s e so na u t o m a t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n gd e s i g no fas t a i n l e s s s t e e lp o tp r o d u c t i o nl i n e s ，p l cc o n t r o ls y s t e md e s i g no fp r o d u c t i o nl i n e ，s t r u c t u r eo f l o a d i n ga n du n l o a d i n gm a n i p u l a t o ra n dc o n t r o lp r o g r a md e s i g n f i r s t l y ，b a s e do no p t i m a l d e s i g no ns a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o no fh i g ht e m p e r a t u r e m a t e r i a l p r o d u c t i o nl i n e ，i tt r a n s f e r st h ew o r k p i e c et ot h ev i c i n i t yo ft h er o b o u s eb yu s i n g c o n v e y o r ，a c c o r d i n gt ot h ec o n f i g u r a t i o no fh i g h - t e m p e r a t u r em a t e r i a l sp r o d u c t i o nl i n e s e c o n d l y ，t h eo r d e ro ft h ef e e d i n gr o b o tm o v e m e n t si si m p l e m e n t e db yu s i n gp r e s s u r e c o n t r o lv a l v ea n dt r a v e ls w i t c h ，a n dc o m p l e t e dt h er e q u i r e m e n t so ft h ew o r k p i e c e p o s i t i o n i n gb yu s i n gt h ep r e s s u r ec o n t r o lv a l v ep o s i t i o n i n gb l o c kw i t hp r e s s u r ew e l d e r ； c u t t i n gm a c h i n eh a n di sc o m p l e t e db yu s i n ga x i sn cm o v e m e n t ：t e l e s c o p i cm o v e m e n t ， l i f t i n ga r mm o v e s ，t h eg r o u n da r eu s i n gt h es e r v om o t o rf o rm o b i l ep o w e rs o u r c e ，a r o t a t i n gc y l i n d e ra r mm o v e m e n t si sc o m p l e t e db yu s i n ga d d i t i o n a ll i m i ts w i t c h ，a n dt h e w o r k p i e c em o v e si sc o m p l e t e db yu s i n gw i t hal i n e a ri n c r e a s ec y l i n d e rp r e s s u r ec o n t r o l v a l v e t h e n ，d e s i g ns t a b i l i t y ，t h e r m a li n s u l a t i o ns t r u c t u r ea n dc o n t r o la c c o r d i n gt ot h e h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hn o i s ee n v i r o n m e n ti nt h em a t e r i a lt r a n s f e rs y s t e m f i n a l l y ，i t i i a b s t r a c t a c h i e v e so p t i m a lc o n t r o lo fa u t o m a t i cl o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e m ，i m p r o v e st h el i n e s o ff l e x i b l ep r o d u c t i o nc a p a c i t y ，c o m p l e t e sav a r i e t yo fa c t i o n sa n dr e d u c e st h eh e a t d i s s i p a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e rm a t e r i a lb yu s i n gp l cc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d ：m a t e r i a ld e l i v e r ys y s t e m ；a u t o m a t i o n ；p l c ；m a n i p u l a t o r ；s t a c k i n gp r o c e s s i i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) i v c o n t e n t s ( i ne n g l i s h ) v i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1t h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h 1 1 2e v e l o p m e n tt r e n d so fm o t i o nc o n t r o ls y s t e m 2 1 2 1c u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fd o m e s t i cs t e e l p r o d u c t i o n m a c h i n i n gt e c h n o l o g yp r o d u c t s 2 1 2 2c u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fa u t o m a t i cf e e d i n gt e c h n o l o g y 3 1 3s o u r c ea n dc o n t e n to f t h es u b j e c t 7 1 ：；1s o u r c e o f t h es u b j e c t 7 1 3 2c o n t e n to f t h es u b j e c t 8 c h a p t e r 2d e s i g no fa u t o m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e ma b o u ts t a i n l e s ss t e e lp a nb o d y p r o d u c t i o nl i n e 9 2 1t h es t a t u so ft r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dn e ws y s t e m 9 2 2d e s i g no fn e wt r a n s m i s s i o ns y s t e mf o rp r o d u c t i o nl i n e 11 2 3t h es p e c i f i cd e s i g no ft h en e wt r a n s m i s s i o ns y s t e m 12 2 3 1d e s i g no f c o n v e y o r 1 3 2 3 2d e s i g no f m a n i p u l a t o r 1 3 ：! 4s u m m a r y 17 c h a p t e r 3c o n t r o lp r o g r a m m i n gd e s i g no fn e wt r a n s m i s s i o ns y s t e ma b o u ts t a i n l e s s s t e e lp a n b o d yp r o d u c t i o nl i n e 18 3 1o v e r v i e w i n t r o d u c t i o n 18 3 2c o n t r o lp r o c e s so ft h en e wt r a n s m i s s i o ns y s t e mc o n t r o lp r o c e s s 2 0 3 2 1i n t r o d u c t i o no f t h el i n e 2 0 3 2 2s y s t e mt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s 2 1 3 2 3c o n t r o la l g o r i t h m s 2 2 v i c o n t e n t s 3 2 4c o n t r o la n df a u l ta l a r m 2 3 3 3c o n t r o ls y s t e md e s i g n ( p l c ) 2 4 3 3 1d e s i g np r i n c i p l e so fp l cs y s t e m 2 4 3 3 2h a r d w a r ed e s i g no fp l cc o n t r o ls y s t e m 2 5 3 3 3s e l e c t i o no f t h ep r o j e c t 。sh a r d w a r e 2 7 3 4s u m m a r y 2 8 c h a p t e r4p l cp r o g r a md e s i g no ft h en e wt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 9 4 1t h ep r o c e s so fn e wt r a n s m i s s i o ns y s t e m 2 9 4 2c o n t r o lp r o g r a m m i n go fm a n i p u l a t o r 3 2 4 3c o n t r o lp r o g r a m m i n go fc u t t i n gs t a c k i n gr o b o t 3 5 4 4i m p l e m e n t a t i o no ft h ew o r k p i e c es t a c k i n g 3 8 4 4 1s t a c k i n gm e t h o d 3 8 4 4 2s t a c k i n gp r o c e s s 4 0 4 5s u m m a r y 4 3 s u m m a r ya n dp r o s p e c t 4 4 r e f e r e n c e s 4 6 p a p e rl i s t 4 9 s t a t e m e n to fo r i g i n a lc r e a t i o n 5 0 c o p e r i g h ts t a t e m e n t 5 0 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 1 v i i 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 不锈钢消费量飞速增长。现代社会生活，不锈钢制品已进入了人们生活消费、 工业消费等众多领域，进入2 l 世纪以来，不锈钢制品的产能和需求高速增长，到 2 0 0 4 年全球不锈钢产能已经达到2 4 0 0 多万吨，预计到2 0 1 0 年全球不锈钢产能将达 到3 0 0 0 万吨，近年来我国不锈钢产业得到了快速持续的发展，成为全球不锈钢生产 增长最快和不锈钢消耗量最大的国家之一，1 9 9 9 年前我国的不锈钢产量仅3 0 万吨， 到了2 0 0 6 年全年不锈钢产量约4 1 3 万吨，据测算2 0 1 0 年我国的不锈钢产量将达到 5 6 0 万吨，据统计近1 0 年我国不锈钢表观消费量( 钢材产量+ 进口材量出口材量) 年增长率超过世界平均增长率的近3 倍，可见无论是全球来看还是据我国来看，不 锈钢的消费量是飞速增长的。 中国乃至亚洲不锈钢消费潜能巨大，市场前景广阔。2 0 0 3 年世界主要国家或地 区不锈钢人均表观消费量排名如表1 1 所示： 表1 1 世界主要国家或地区不锈钢人均表观消费量排名表 t a b l e1 1t h ew o r l d sm a j o rn a t i o n a lo rr e g i o n a la p p a r e n tc o n s u m p t i o n o fs t a i n l e s ss t e e lp e rc a p i t ar a n k i n g s 1234567891 0111 2l31415 由 加 中 国意大西班美英国南泰 巴 印 厶 韩国日本德国法国 拿 国大非国西度 口利 牙国 大 湾陆 3 52 3 52 2 81 7 21 4 6 1 2 81 0 17 37 253 33 131 60 5 k gk gk gk gk gk gk gk gk gk gk gk gk gk gk g 从表1 1 中可以看出，中国乃至亚洲，不锈钢的消费潜能是巨大的，而且中国 有1 3 多亿人口，中国本身就具有非常巨大的消费潜能。不锈钢在汽车工业、水工业、 建筑业、家电业、环保工业、食品业、医疗业、工业设施等领域的需求量也将大幅 上升。还有就是我国广大的农村市场，当家庭方面使用的不锈钢制品餐具、厨具、 卫生用品等进入我国8 亿农民不锈钢消费领域将成为不锈钢制品的巨大市场。 广东工业大学硕士学位论文 不锈钢制品厂家数量发展迅猛，厂家林立。全国不少于上万家不锈钢制品生产 企业，广东是全国最大的日用不锈钢制品加工和消费基地，不锈钢制品生产加工企 业数量达到近千家，年加工不锈钢接近1 0 0 万吨，是一个具有数百亿元产值、数十 万从业人员的行业，其加工技术基本代表了国内发展水平【l 】。为了提高不锈钢制品 的耐腐蚀性、光洁度和获得装饰性外观，提高产品质量档次，增加产品附加值，满 足客户要求必须对不锈钢制品生产流水线进行优化设计。 不锈钢制品加工属于典型的劳动力密集型产业，其加工过程绝大多数以手工操 作完成，其加工过程中存在高温、高粉尘、高噪声、高危险、高能耗作业环境，环 保矛盾、能源矛盾、劳资矛盾越来越明显，特别是劳资矛盾，进入2 0 0 7 年以后，日 趋尖锐化。一方面现在世界能源紧缺，油价、煤价飞涨，节能减排已成为当今社会 的主题；另一方面，随着我国社会经济的不断发展、环境保护意识和劳动保护意识 的加强使这一产业的劳资问题越来越明显，矛盾越来越突出。因此，我国的不锈钢 制品企业明显受到劳动力短缺的困扰，尤其是在珠三角地区开始从局部缺工向大面 积缺工扩散。 基于以上不锈钢制品的生产规模、不锈钢制品市场的巨大发展前景以及我国不 锈钢制品企业当前出现的问题，本文针对我国现代不锈钢制品企业的生产模式特别 是物料传输流水线进行研究，进而对现在企业生产模式所存在的问题进行优化设计， 同时找出我国当前社会劳动力发展所能接受的自动化程度，使企业的生产方式与当 前社会劳动力发展水平基本吻合。这对于企业来说能带来一定的经济效益，同时可 以一定程度的缓解劳资矛盾，而且对于我国不锈钢制品的发展前景具有重大意义。 1 2 国内外研究现状和趋势 1 2 1 国内外不锈钢制品生产加工技术现状与趋势 日用不锈钢制品主要采用不锈钢薄板为原料，其加工过程一般经过落料、成形 拉伸冲压、裁切、轧花、冲压焊+ 、光整研抛等工艺过程，国外从冲压到光整抛磨采 用具有高度自动化的生产线，由于日用不锈钢制品的品种多、批量小造成了不锈钢 制品加工成本居高不下失去了竞争力，从上世纪九十年代开始国外不锈钢制品加工 业逐渐向中国转移，国内采用的加工设备以单台设备为主，每台机械都需要人工操 作，能够发挥手工操作的灵活性，冲压加工也是用人工上下料，能够解决当地的就 2 第一章绪论 业问题消化大量的农村剩余劳动力，并且成本较低具有明显的价格优势。但是不锈 钢制品的研磨抛光加工严重依赖于熟练工人，由于劳动条件恶劣，加工过程中产生 的粉尘造成了局部空气污染，高污染、高温、高危险的工作环境，以及熟练工人短 缺成为制约不锈钢制品加工产业发展的主要因素。部分企业为了本企业的发展，也 从国外引进了一些全自动化的生产设备及生产线，但由于设备的调试、维修、保养 成本高，不但没带来更好的经济效益，反而使生产成本进一步提高，这与我国相对 较低的用工成本相比没有任何优势，只能停放在厂房的某一个角落，这种生产的自 动化使企业处于两难的境地。此外，随着地区社会经济的发展、环境保护意识和劳 动保护意识的加强使这一产业的能源问题、劳资问题越来越明显，矛盾越来越突出。 由此可见，对于日用不锈钢制品加工行业，如果不能尽快解决制约行业发展的这些 关键技术问题，找出适应现在生产需要的生产方式，做到节能环保，提高生产自动 化水平，否则，就会失去中国巨大的不锈钢制品市场乃至世界的不锈钢制品市场。 1 2 2 物料自动传输技术的现状与发展概况 物料自动传输技术在冲压生产线等方面有巨大的需求，冲压加工广泛应用于汽 车、航空、家电等工业领域，其加工过程就是对原材料进行冲压拉伸、折弯、裁剪 制成产品或半成品，其加工方式是冲床驱动模具的凸模对送到凹模的材料进行冲压 拉伸或折弯、裁剪加工，主要用于批量生产，如用人工操作加工，就具有劳动强度 高和危险性高的特点，若是非静液压冲压加工，还具有高噪声的特点，因此，随着 地区经济不断发展，劳动保护意识不断增强，冲压加工送料朝着自动送料技术方向 发展。 我国现代工业起步较晚，且劳动力成本是我国工业发展在国际市场竞争的优势， 主要是利用劳动力优势发展劳动力密集型企业。在冲压加工方面，为了降低生产成 本，主要是用人工进行操作，随着我国经济的不断发展，人本意识不断增强，自动 送料技术的研究也在不断的发展1 2 j 。 送料机构根据送料动力的不同，可分为机械、液压、气动三大类，最初始阶段 以机械式为主，机械式送料机构易于实现，维护、调试安装简单方便，具有送料准 确可靠、机构冲击与振动少、噪声低、稳定性好等优点，首先得到了广泛的应用， 但机械送料机构一方面调整相对困难，且机构复杂，自动化程度不高，基本处于半 手工状态，另一方面，其可改造性差，不能适应中小批量的生产；第二阶段是以气 3 广东工业大学硕士学位论文 动式和液压式为主，在冲压加工线上以气动为主，气动送料机构具有结构简单、灵 巧轻便、通用性强、机构反应迅速的优点【3 j 。可实现较高的自动化程度，基本上脱 离了手工操作，由于气动送料机构是采用压差式气动原理工作，故机构工作噪声较 大，且由于空气可压缩性大，很难做到准确定位，需要精确定位还要配备机械式定 位机构，因此只能适用于定位精度要求不高的生产情况；现阶段，已发展到了伺服 电机、伺服气缸驱动阶段，并与单片机、p l c 、p c 机相结合，可实现全数字控制， 传送快速准确，定位精度高，响应速度快，可控性好，柔性好，能快速适应不同类 型产品的输送，如基于p l c 的气动机械手、基于p l c 的伺服电机机械手、基于p l c 的气动与伺服电机组合模式的机械手。下面介绍冲压生产自动送料的发展概况及发 展趋势。 ( 1 ) 冲压生产自动送料发展概况 1 ) 压力机普通送料机构 目前冲压生产线的配置中应用较为广泛的是开式单点压力机加装辊轮送料机 ( 或气动送料机) ，这种生产线可以做单工序或多工序的连续冲压，操作性良好； 另一种开式双点压力机加装多工位送料装置，搭配开卷装置、校平装置等组成的用 于多工位连续冲压的生产线【4 】，由于占地面积和工序间的搬运都明显减少，在生产 中应用呈现逐渐增多的趋势。 2 ) 机械手加穿梭小车式自动化输送系统 目前，国内汽车工业中生产轿车外覆盖件和大型内衬件的自动化冲压生产线， 由于还没有大型多工位压力机的投入，所以自动化生产主要还是以配备常规的机械 手加穿梭小车或机器人输送系统的串列式冲压线为主，它主要由c n c 上料、取料 机械手和穿梭小车组成【5 】，如图1 1 所示。 图1 1 机械手加穿梭小车式自动化冲压生产线 f i g 1 1t h es h u t t l ec a rr o b o ta u t o m a t i o np u n c hl i n e 4 第一章绪论 3 ) 多工位压力机的自动化送料机构 多工位送料系统是一个类似移动臂的装置，主要作用是把冲压件从一个工位移 到另一个工位。一组模具内的每- - n 模具的冲压工作都在同一台压力机内完成。多 工位送料移动杆沿着模区移动，它们是主要结构件，移动冲压件的端拾器就安装在 这些结构件上【6 1 。在汽车车身冲压厂，根据送料的传动方式，多工位送料系统主要 有：机械送料、电子送料和组合式送料【5 】。 ( 2 ) 冲压生产自动送料发展趋势 随着我国冲压行业的发展，冲压设备性能与世界的接轨，冲压生产自动化程度 的进一步提高，对冲压生产的送料技术也提出了越来越高的要求，以满足与冲压设 备的配套【7 1 。 1 ) 压力机多工位化 单机联线生产通用性较好，适合柔性生产，占用资金少，完全可以满足我国生 产中高档轿车所需要的零件质量要求；大型多工位压力机，与单机联线的冲压生产 线相比较，除了占地面积少外，还有生产效率高，生产节拍可达1 6 - 2 5 次分钟， 是手工送料流水线的4 , - - , 5 倍，是单机联线自动生产线2 3 倍等优点。大型多工位 压力机集机械、电子、控制和检测技术为一体，全自动化、智能化，整个系统只需2 3 人进行监控。当模具更换时，只需输入需要更换模具的编号，其余工作自动完成， 整个换模时间只需5 分钟，换模的同时可以对多工位压力机的运行特性作智能化调 整。当两者生产规模相同时，多工位压力机设备投资可减少2 0 - - - 4 0 ，能量消耗 减少5 0 , - - 7 0 ，冲压件综合成本可节约4 0 5 0 【8 1 。 2 ) 高速高精度化 高速化和精密化一直是冲压生产追求的目标。日本d i m a c 公司生产的n c 伺 服辊轮送料机，生产性能高，能实现连续高速送料，最高速度可以达到1 6 5 m m i n ， 送料步距和送料厚度调节方便，结构简单，经济实用；送料精度随送料次数及送料 长度不同而有所不同，最高精度在o 0 1m m 左右。而且可以设定夹紧和松开时间， 动作方式为辊柱作圆周运动，不会有咬死现象9 1 。图1 2 所示为该公司g l 系列辊 轮送料机。 广东工业大学硕士学位论文 图1 2g l 系列n c 伺服辊轮送料机 f i g 1 2g ls e r i e sn c s e r v or o l lf e e d e r 在我国也有多家生产这种辊轮送料机的厂家( 如深圳力豪等) ，但是核心技术 一般是由国外引进，因此，自主开发更高精度更高速度的送料机将会是我们今后的 发展目标10 1 。 3 ) 柔性自动化 汽车工业的强势发展，市场竞争的日益激烈，利用最少的设备来生产尽可能多 的冲压制件，间接的降低生产成本成为各个厂家竞相追求的目标之一。米勒万家顿 公司在最新一代用于摆杆式多工位压力机上的摆动横杆式输送( s w i n g a r m - t r a n s f e r ) 的基础上开发出快速横杆式输送系统( s p e e d b a r ) 。这种输送系统介于常规机械 手系统( f e e d ) 和多工位压力机横杆式输送系统之间，既灵活简便又快速高效，适 用于串列式冲压生产线。提高了与欧美国家的多工位压力机生产模具的匹配能力， 从而实现了模具和端拾器在多工位压力机和串列式冲压线两种设备之间的互换，为 国内的冲压生产与欧美汽车工业接轨奠定了基础【1 1 1 。 4 ) 交流伺服系统化 电气电子技术的发展，计算机控制技术以及现代控制理论的应用，交流伺服驱 动技术飞速发展。交流伺服自动送料的动力来自交流伺服电动机，具有柔性化、智 能化的特点，工作性能和工艺适应性很强。在我国，较先进的自动送料装置是深圳 力豪公司的n c h f 系列三合一伺服系统送料机，它适合于各种五金、电子、电器、 玩具及汽车零件之连续冲压加工，送料矫正，准确耐用；可任意设定送料长度，操 作容易【1 2 1 ，如图1 3 所示。但是，在该送料机中所用的伺服电机、伺服驱动器、驱 6 第一章绪论 动控制系统等都是从国外如日本等发达国家引进，设备的维修维护成本较高，不利 于普及与推广。 一 一 黧 灞獭缓湖 灞瑟 麓曛i ! 门 。 “ 。i p ：罐 图l 3 三合一伺服系统 f i g 1 3t r i p l es e r v os y s t e m 综上可知，冲压加工送料朝着自动送料技术方向发展。针对不锈钢锅体生产线 高温物料自动输送系统，本课题采用基于p l c 的气动与伺服电机组合模式的机械 手，实现了全数字控制，传送快速准确，定位精度高，能快速适应不同类型产品的 输送。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题的来源 本项目得到广东省教育部产学研结合项目：日用不锈钢制品加工关键技术开发 与应用( n o 2 0 0 7 8 0 9 0 1 0 0 0 1 4 ) 的资助。 项目的合作单位万事泰不锈钢制品有限公司，座落在中国禅宗六祖故乡广 东省云浮市新兴县境内，公司创立于1 9 9 3 年，是粤西地区生产不锈钢餐厨具的十强 企业之一，被当地政府列为龙头企业和工业示范“窗口”，不锈钢制品的生产技术处 在我国的领先地位，产品主要销往欧美市场，2 0 0 6 年产值达2 2 6 4 0 万元，出口创汇 2 5 8 2 万美元，是广东工业大学的产学研基地之一。 铝一不锈钢锅复合锅是万事泰不锈钢制品有限公司的主要产品之一，在对万事 泰及相关企业调研的基础上，发现复合锅体3 n - v 过程采用人工传递，手工上下料， 不但劳动条件恶劣，而且造成了残次品率较高、能源材料浪费等问题。本课题主要 7 广东工业大学硕士学位论文 是针对铝一不锈钢复合锅底加工生产流水线进行改造优化设计，铝一不锈钢的复合 锅体压焊，是不锈钢锅生产的重要环节，其加工过程是点焊之后经加热窑炉均匀加 热到6 0 0 0 c 左右，再到摩擦压力机进行压力焊以保证铝材与不锈钢锅体的密切接触， 压焊时的温度确保在5 0 0 0 c 以上，这一加工环节是典型的高温、高噪声、高危险的 加工环节，目前企业都是使用人工进行操作。本课题针对这一生产线的生产现状， 从节能减排、降低能耗、优化人力资源方面，以及提高生产效率，降低生产成本方 面进行设计研究，找出适应目前生产力的生产流水作业方案，为目前企业解决能源 问题、劳资问题，形成本硕士研究课题不锈钢锅体生产流水线传输系统优化设 计研究。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题主要从以下3 个方面开展了研究工作：1 ) 提出改造工件传送方式方案， 降低损耗：2 ) 优化送料节拍，提高压力焊机的利用率，节约能源；3 ) 优化人力资 源，缓解劳资问题，高温、高危险、高噪声环境，用机械自动化代替人工操作。 8 第二章不锈钢锅体生产线高温物料自动传输系统的方案设计 第二章不锈钢锅体生产线高温物料自动传输系统的方 案设计 2 1 目前不锈钢锅体高温物料传输现状及其问题 本课题在对不锈钢制品加工行业生产线物料传输调研的基础上，主要以万事泰 不锈钢制品有限公司的铝一不锈钢复合锅底不锈钢锅加工生产线为例，进行高温物 料传输的现状分析和自动传输方案设计。铝一不锈钢复合锅底不锈钢锅是一种节能 结构设计，在不锈钢锅底设置铝与不锈钢复合层，一方面是提高导热效率，另一方 面提高锅底受热的均匀性改善食品烹饪品质，克服不锈钢局部受热使食物烧焦、锅 底发黑的缺点，使食品受热均匀，己成为高档不锈钢锅煲的典型结构。为了提高导 热的效率、均匀性和牢固性，在铝导热板夹层与不锈钢板之间必须焊接牢固达到冶 金结合，其采用的焊接工艺包括预焊、加热、压力焊等过程，因此需要对加热状态 的坯料进行传输，其输送的速度、节拍等不仅涉及到制品的焊接质量，而且影响到 加工过程的热能损耗，尤其是一旦产生铝导热板夹层与不锈钢材料结合强度达不到 要求，将会产生废品造成更大浪费。 目前的铝一不锈钢复合锅体生产流程如图2 1 和2 2 所示，铝一不锈钢复合锅 体在加热炉加热后，经加热炉的传送带送到加热炉出口，在出炉口的工人1 用铁叉 把不锈钢锅体推到滑道的另一端，工人2 把不锈钢锅体用铁叉钳钳起锅体，放到压 力焊机的冲压模具上，并定好位，收起铁叉，用脚踩下压力焊机工作开关进行冲压 焊接，冲压焊接完毕，工人3 把压焊好的锅体用钳子取下，并整齐摆放在拉料小车 上。流水线布局描述如图2 1 所示：加热炉与压力焊机之间大概有1 0 米的距离，加 热炉与压力焊机之间通过开放式滑道进行传送，滑道和出炉口交接的一端有一个手 持铁叉的工人1 工作，负责把加热好的不锈钢锅用铁叉沿着滑道推到另一端，滑道 和压力焊机交接的一端有有一个手持铁叉的工人2 工作，负责把工人1 推过来的不 锈钢锅用铁叉钳送到压力焊机进行压焊，压力焊机的另一个方向，即工人2 的对面 还有一个工人3 工作，负责把冲压好的不锈钢锅取下，并整齐摆放在拉料小车上。 9 广东工业大学硕士学位论文 现有生产过程主要出现的问题包括：1 ) 1 0 左右掉出滑道需要返工；2 ) 人工 送料无法精确控制时间和节拍，一方面降低了压力机的利用率浪费能源，另一方面 由于复合锅体的等待造成了热量耗散；3 ) 简单的重复动作、高温、高噪声环境劳动， 条件恶劣，这三方面都与节能相关的内容。 复合底不锈钢锅焊接过程中的坯料传输主要采用人工与滑槽相结合的坯料传送 方式，生产过程中约1 0 左右的高温坯料会掉出滑道需要重新回炉，增加了热能损 耗；人工送料无法精确控制时间和节拍，坯料输送节拍与压力机节拍难以配合恰当， 造成加工周期增大，压力机效率降低耗能增加，另外，由于锅体坯料出炉等待时间 延长造成了热量耗散增加或焊接不良品率增加。针对这一状况，研究不锈钢复合底 煲加热压焊自动化生产线，优化设计高温坯料自动上下料装置，研制上下料机械手 结构、高温坯料夹持机构及其控制系统，使高温坯料传输系统的输送速度、节拍与 摩擦压力机相协调，通过加工节拍控制减少空行程时间，尽量减少高温坯料在外界 空气中的暴露时间，避免热量耗散，可以较大程度地降低在复合锅底焊接加工过程 中的能量损耗。 m k _ _ _ _ _ - - 一 熔接焊项焊 二三层书槲以点接合 j 一 巾 _ _ j _ 一 加热到5 0 0 度 图2 1 复合锅底生产工艺过程 f i g 2 1p r o d u c t i o np r o c e s so fc o m p o s i t eb o t t o mo ft h ep o t 1 0 第二章不锈钢锅体生产线高温物料自动传输系统的方案设计 手持铁 的工人3 图2 - 2 原有生产线工作俯视图 f i g 2 - 2t o pv i e wo fe x i s t i n gp r o d u c t i o nw o r kl i n e 针对以上问题，本文在对工件从加热后的出炉到压焊后的堆垛这一过程的高温 物料输送系统进行自动化改造的基础上，采用p l c 来控制下料堆垛机械手，实现了 下料堆垛的各种工序动作，通过改善这个装置有以下优点：改造工件的传送方式，降 低损耗；优化送料节拍，提高压力焊机的利用率，节约能源；优化人力资源，缓解 劳资问题，高温、高危险、高噪声环境，用机械自动化代替人工操作。 2 2 不锈钢锅体高温物料自动传输系统方案 针对目前不锈钢复合底煲加热压焊生产线人工传送坯料、高温坯料裸露时间较 长导致热能大量损耗这一状况，研究不锈钢复合底煲加热压焊自动化生产线，优化 设计高温坯料自动上下料装置，研制上下料机械手结构、高温坯料夹持机构及其控 制系统，使高温坯料传输系统的输送速度、节拍与摩擦压力机相协调，通过加工节 拍控