張宏翔 佟河亭 牟葆田

摘要：為提高電熱毯生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，本文基于Creo三維建模軟件對(duì)電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線中的切割分離設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。給出了電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線中切割分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，同時(shí)為保證各部分機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，對(duì)定位裝置、夾緊裝置、抬升裝置和分離裝置氣動(dòng)控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。研究結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)解決了生產(chǎn)線中對(duì)電熱毯的自動(dòng)化切割和分離工作，而且切割分離設(shè)備與前后自動(dòng)化單元的銜接，形成了完整的自動(dòng)化生產(chǎn)線。提高了生產(chǎn)的準(zhǔn)確性，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，減少了人工成本，提高了生產(chǎn)效率。該研究為電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和自動(dòng)化水平的提高提供了實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn); 切割; 分離; 氣動(dòng)回路控制

眾所周知，電熱毯[1-2]是常見的取暖和驅(qū)寒用品，是一種直接取暖的電熱器具[3]，與空調(diào)、電暖器產(chǎn)品相比，電熱毯更為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和便捷，在我國(guó)中小城市和廣大農(nóng)村具有極大的需求量[4]。電熱毯的制作過(guò)程是將雙層布料及電熱線[5]縫合在一起，通電時(shí)實(shí)現(xiàn)正常發(fā)熱工作[6]。目前，我國(guó)取得電熱毯產(chǎn)品生產(chǎn)許可證的廠家有200多家，年生產(chǎn)量可達(dá)5 000萬(wàn)床左右，主要品牌包括彩虹、琴島、小綿羊等[7]。生產(chǎn)企業(yè)以小型企業(yè)為主，占企業(yè)數(shù)量的97%，大多數(shù)小型企業(yè)為家庭式作坊生產(chǎn)，人數(shù)多在5～20人之間[8]。傳統(tǒng)的電熱毯制作需要大量的人工操作，效率低，人工成本高，工人在生產(chǎn)時(shí)存在較大的安全隱患。從多次進(jìn)行國(guó)家監(jiān)督抽查工作來(lái)看，也存在不合格企業(yè)的不合格產(chǎn)品[9]。因此，電熱毯全自動(dòng)和安全的生產(chǎn)線成為各個(gè)廠家的迫切需求。目前，市場(chǎng)上的電熱毯生產(chǎn)裝置通常只有一個(gè)加工單元[10]，包含下料、布線、焊接等多道工序，需要人工協(xié)助完成電熱毯的分離，并且只能完成單一規(guī)格的電熱毯，生產(chǎn)效率低下。因此，本文基于Creo2.0三維建模軟件[11]，設(shè)計(jì)了電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線中的切割分離設(shè)備單元。本電熱毯生產(chǎn)線能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，由多個(gè)加工單元組成，每個(gè)單元依次完成生產(chǎn)工序，并且自動(dòng)完成電熱毯的分離工作，同時(shí)，也可以根據(jù)需求生產(chǎn)不同規(guī)格的電熱毯，極大提高了生產(chǎn)效率，保證了電熱毯的生產(chǎn)質(zhì)量。該設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 電熱毯切割分離設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線是由放置底布單元、布線單元、放置頂布單元、超聲波焊接單元、切割分離單元及針盤循環(huán)單元等組成。電熱毯的每道工序都是在針盤[12]上完成，針盤通過(guò)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)過(guò)各個(gè)單元完成相應(yīng)的工作，最終實(shí)現(xiàn)電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)。通常情況下，為提高生產(chǎn)效率，在放布料時(shí)放置一張相當(dāng)于兩個(gè)電熱毯面積的布料，最后加工出兩張電熱毯，所以在超聲波焊接后需要對(duì)其進(jìn)行切割，得到兩張電熱毯;此處電熱毯外料是無(wú)紡布[13]，切割刀具的高度直接影響切割效率和質(zhì)量，過(guò)高或過(guò)低容易碰撞針盤，或無(wú)法將電熱毯完全切割開;當(dāng)切割完成后，需將電熱毯從針盤上分離，使針盤通過(guò)循環(huán)單元送至初始加工單元進(jìn)行下一循環(huán)使用。

1.1 電熱毯切割分離設(shè)備工作原理

電熱毯切割分離設(shè)備主要由針盤、切割裝置、夾緊裝置、定位裝置、分離輸送裝置、抬升裝置和機(jī)架組成。切割分離設(shè)備整體模型如圖1所示。其工作原理：當(dāng)電熱毯完成上一單元的加工后，針盤在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)入切割分離工位，當(dāng)傳感器[14]檢測(cè)到針盤到位時(shí)，針盤減速停止，此時(shí)定位裝置的氣缸[15]工作，推動(dòng)針盤到達(dá)預(yù)定位置，完成針盤定位工作;定位完成后，4個(gè)夾緊裝置氣缸完成對(duì)針盤的夾緊，之后抬升裝置中的氣缸工作，頂起電熱毯中間需要切割的部分，該部分與針盤分離，便于進(jìn)行切割，其它部分仍靠針固定，而刀具裝置在線性滑軌和同步帶[16]的作用下，完成對(duì)電熱毯的切割工作;切割完成后，針盤繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，分離裝置前端將電熱毯從針盤上分離出來(lái)，通過(guò)皮帶裝置將電熱毯輸送出去，針盤進(jìn)入下一單元，完成電熱毯的切割與分離動(dòng)作。

1.2 電熱毯切割分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)

1.2.1 抬升裝置

抬升裝置是由固定在機(jī)架上的鋁合金型材、氣缸及頂起件組成。抬升和切割裝置模型如圖2所示。由圖2可以看出，在完成定位夾緊以后，進(jìn)行切割之前，氣缸接收到信號(hào)，使活塞桿伸出，頂起件抬升，從而頂起電熱毯的切割部位與針盤完成分離，便于進(jìn)行切割工作。

頂起件是一種U型鋸齒狀排列的槽類零件，而針盤是一種鏤空結(jié)構(gòu)。當(dāng)頂起件抬升時(shí)，鋸齒恰好處于針盤鏤空部位，對(duì)針盤沒(méi)有作用力，只頂起需進(jìn)行切割部分的電熱毯，使之與針盤分離。在整個(gè)切割過(guò)程中，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡處在U型槽內(nèi)，避免了刀具對(duì)針盤的破壞，提高了切割的正確性。

1.2.2 切割裝置

切割裝置[17]橫跨固定在機(jī)架上，作用是將電熱毯橫向切割。切割機(jī)構(gòu)由固定在型材機(jī)架上的線性滑軌裝置、固定在滑塊上的刀具、刀具電機(jī)及同步帶裝置組成，通過(guò)連接件，將同步帶和滑塊固定在一起。切割裝置模型如圖3所示。當(dāng)抬升裝置完成動(dòng)作后，刀具電機(jī)接受信號(hào)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，同步帶輸送裝置中的減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)同步帶傳動(dòng)，滑軌裝置中滑塊橫向移動(dòng)，帶動(dòng)所連刀具對(duì)電熱毯進(jìn)行切割。

1.2.3 分離裝置

分離裝置是由前端分離件、帶輪輸送裝置、固定在輸送裝置下方的氣缸提升裝置及機(jī)架組成，分離裝置模型如圖4所示。分離設(shè)備是將切割好的電熱毯從針盤中分離出來(lái)。電熱毯與針盤的連接方式是通過(guò)針盤中一排排的針將電熱毯固定在上面。通過(guò)人工分離所需時(shí)間長(zhǎng)，分離效率低，針盤的針很可能對(duì)工人造成誤傷，影響整個(gè)生產(chǎn)線的工作。相比之下，利用機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)化分離，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本，減少工人的誤傷。

電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線完成切割工作后，針盤在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分離裝置時(shí)，前端的分離件類似一個(gè)“鏟子”，提升裝置的氣缸行程增大，使分離機(jī)構(gòu)角度增大，分離件的前端會(huì)插入針盤中間鏤空部分，電熱毯運(yùn)動(dòng)的初始位置如圖5所示。由圖5a可以看出，隨著針盤的移動(dòng)，電熱毯前端會(huì)被“鏟”離針盤。由于針盤中間鏤空，存在加固的橫梁，所以分離裝置的分離件前端不能一直插入針盤鏤空部分;由圖5b可以看出，當(dāng)針盤向前運(yùn)動(dòng)一段距離，分離件尚未與針盤橫梁發(fā)生干涉時(shí)，電熱毯前端已被“鏟”離針盤，這時(shí)提升裝置的氣缸行程復(fù)位，整個(gè)分離裝置傾角恢復(fù)到原始角度，使分離裝置的分離件與針盤分離，避免與針盤橫梁發(fā)生碰撞，這時(shí)電熱毯通過(guò)帶輪輸送裝置輸送出去，完成對(duì)電熱毯的分離工作，針盤在電機(jī)作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入下一單元。

2 氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)

為了保證各部分機(jī)構(gòu)能夠按照生產(chǎn)順序完成相應(yīng)的動(dòng)作，需對(duì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)氣動(dòng)控制回路進(jìn)行設(shè)計(jì)[18]。氣動(dòng)控制原理圖[19]如圖6所示。

2.1 定位裝置氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

定位裝置氣路工作原理：當(dāng)針盤進(jìn)入切割分離單元后，通過(guò)固定在前端的傳感器檢測(cè)到信號(hào)，讓針盤停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電磁換向閥中2DT通電，氣源裝置出來(lái)的壓縮氣體通過(guò)減壓閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥進(jìn)入氣缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)氣缸活塞桿帶動(dòng)定位裝置氣缸向上移動(dòng)，使定位氣缸達(dá)到與針盤平齊高度。同時(shí)，有桿腔氣體通過(guò)單向節(jié)流閥和電磁換向閥排出;隨后電磁換向閥中4DT通電，壓縮氣體進(jìn)入定位裝置氣缸的無(wú)桿腔，活塞桿左移，推動(dòng)針盤到達(dá)預(yù)定位置，完成針盤的定位工作，有桿腔氣體通過(guò)單向節(jié)流閥和換向閥排出。在完成夾緊及切割動(dòng)作后，1DT和3DT通電，兩氣缸復(fù)位。

2.2 夾緊裝置氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

夾緊裝置氣路工作原理：當(dāng)針盤完成定位工作后，電磁換向閥中8DT通電，壓縮氣體通過(guò)減壓閥、電磁換向閥和單向節(jié)流閥進(jìn)入夾緊裝置氣缸，使4個(gè)氣缸活塞桿同時(shí)伸長(zhǎng)，完成對(duì)針盤的夾緊工作。當(dāng)切割完成后，電磁換向閥7DT通電，使4個(gè)氣缸活塞桿復(fù)位，松開針盤。

2.3 抬升裝置氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

抬升裝置氣路工作原理：當(dāng)針盤完成定位后，電磁換向閥中5DT通電，壓縮氣體通過(guò)減壓閥、電磁換向閥、單向節(jié)流閥進(jìn)入抬升機(jī)構(gòu)氣缸中的無(wú)桿腔，使活塞桿及與之連接的抬升機(jī)構(gòu)中的氣缸連接件向上運(yùn)動(dòng)，使電熱毯切割部分與針盤分離，方便進(jìn)行切割。當(dāng)完成切割動(dòng)作后，電磁換向閥中5DT通電，活塞桿收縮，并帶動(dòng)抬升機(jī)構(gòu)回到初始位置。

2.4 分離裝置氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

分離機(jī)構(gòu)氣路工作原理：當(dāng)電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線進(jìn)行分離工作時(shí)，電磁換向閥中9DT通電，氣體經(jīng)過(guò)減壓閥、電磁換向閥和單向節(jié)流閥進(jìn)入分離機(jī)構(gòu)氣缸，活塞桿上移，整個(gè)分離機(jī)構(gòu)傾角變大，前端分離部件插入針盤中;延時(shí)2 s后，電磁換向閥7DT通電，氣體進(jìn)入氣缸的有桿腔，氣缸活塞桿回縮，分離裝置角度減小，前端分離部件將電熱毯從針盤中“挑”出，完成電熱毯的分離工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于電熱毯的加工還沒(méi)有完整的全自動(dòng)化生產(chǎn)線，需要人工去切割和分離，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)效率低，本文基于Creo三維建模軟件，對(duì)電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線中的切割分離設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此生產(chǎn)線是由多個(gè)加工單元組成，不僅提高了生產(chǎn)效率，還能觀察各個(gè)單元加工的實(shí)際情況，方便對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中，切割分離設(shè)備解決了在生產(chǎn)線中對(duì)電熱毯的自動(dòng)化切割和分離工作，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間，減少了人工成本，保證了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量;切割分離設(shè)備與前后自動(dòng)化單元的銜接，形成了完整的電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線。在設(shè)計(jì)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)一些需要改進(jìn)的地方，在電熱毯完成分離之后，需要人工將電熱毯從生產(chǎn)線中取走包裝，所以在下一步的生產(chǎn)研究中應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計(jì)一套裝置，直接將加工完的電熱毯輸送離開生產(chǎn)線，自動(dòng)完成對(duì)電熱毯的包裝，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。該設(shè)計(jì)對(duì)電熱毯自動(dòng)化生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和自動(dòng)化水平的提高具有重要意義。

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