基于網(wǎng)絡(luò)控制的多工位真空成型機(jī)的研究與開發(fā)

1、基于網(wǎng)絡(luò)控制的多工位真空成型機(jī)的研究與開發(fā)Research and Development of multi-station vacuum thermoforming machine Based on Network-control高宗貴 張建國(中國揚(yáng)子集團(tuán)滁州裝備模具制造有限公司 安徽滁州 239064)）摘要：研究并開發(fā)了一種集網(wǎng)絡(luò)控制、氣壓比例吸泡及脫?？刂啤⒁簤罕壤刂?、伺服控制等先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代化集成制造系統(tǒng)-多工位真空成型機(jī)，可廣泛用于火車內(nèi)飾件、汽車內(nèi)飾件和冰箱（柜）內(nèi)膽的批量生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制 比例吸泡及脫模 液壓比例控制 伺服控制 多工位真空成型機(jī)Abstract:

2、 This article researched and developed a modern complex manufacture system-multi-station vacuum thermoforming machine, which is combined with more advanced technologies, such as network-control、pneumatic-proportion-sucked blowing、hydraulic-proportion-control and servo-control etc. It is widely used

3、for manufacturing train inner decoration、car inner decoration and refrigerator inner liner in large quantity.Keywords: network-control,servo-control,pneumatic-proportion-sucked blowing,hydraulic-proportion-control, multi-station vacuum thermoforming machine0 引言隨著世界制造業(yè)的轉(zhuǎn)移，中國現(xiàn)已成為全球汽車、家電產(chǎn)品的制造基地。真空成型機(jī)是生

4、產(chǎn)火車內(nèi)飾件、汽車內(nèi)飾件和冰箱（柜）內(nèi)膽等產(chǎn)品的重要設(shè)備。目前，我國的生產(chǎn)企業(yè)仍采用自動(dòng)化程度較低的單工位、三工位、四工位真空成型機(jī)，在這些設(shè)備中：控制操作界面采用按鈕或?qū)Ｓ脜?shù)單元，連線繁雜，故障率高，且產(chǎn)品參數(shù)不能儲(chǔ)存和拷貝，人機(jī)對話智能化差；加熱系統(tǒng)采用大分區(qū)溫控表直接反饋控制，溫控性能差；運(yùn)動(dòng)控制采用氣動(dòng)或液壓常規(guī)控制，震動(dòng)劇烈，影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，該類設(shè)備更換一次模具需要耗時(shí)3-4小時(shí)，嚴(yán)重制約了企業(yè)生產(chǎn)效率，無法適應(yīng)市場需求。我們在消化、吸收國外先進(jìn)的真空成型設(shè)備技術(shù)，并結(jié)合多年來積累的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種集網(wǎng)絡(luò)控制、氣壓比例吸泡及脫?？刂啤⒁簤罕壤刂?、伺服控制等先進(jìn)技術(shù)

5、于一體的現(xiàn)代化集成制造系統(tǒng)-多工位真空成型機(jī)，它實(shí)現(xiàn)了火車內(nèi)飾件、汽車內(nèi)飾件和冰箱（柜）內(nèi)膽一次成型生產(chǎn)的自動(dòng)化、柔性化、精密化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)控制的智能化、數(shù)字化、產(chǎn)成品的優(yōu)質(zhì)、高效等全局優(yōu)化的生產(chǎn)過程。本多工位真空成型機(jī)的開發(fā)成功將有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。1 多工位真空成型機(jī)的整體結(jié)構(gòu)及工作原理 本設(shè)備主要由機(jī)械部分、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)及真空系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)等部分組成。設(shè)備機(jī)械總裝圖如圖1-1所示。圖11 多工位真空成型機(jī)機(jī)械總裝圖工作原理簡述為：把堆放整齊的料片置于堆料小車上，進(jìn)入上料工位；吸盤下降開始上料，上料到位后，接料對中裝置接料并定位，輸送夾鉗夾住

6、料片；在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下夾鉗將料片按節(jié)拍輸送到預(yù)熱加熱成型工位，然后臺(tái)面板上升，吸泡倉下降，開始吸泡，成型模具上升，抽真空成型，成型結(jié)束后再由夾鉗將內(nèi)飾件或內(nèi)膽送到旋轉(zhuǎn)輸送車上，通過旋轉(zhuǎn)輸送車送到切邊機(jī)處，依次剪切內(nèi)飾件或內(nèi)膽四邊；內(nèi)飾件或內(nèi)膽切邊結(jié)束后，下料機(jī)械手將內(nèi)飾件或內(nèi)膽送到下料皮帶線上，完成一個(gè)工作循環(huán)。詳見圖1-2 系統(tǒng)控制框圖。 工控機(jī)（參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、通訊）切邊控制、下料機(jī)（PLC2）成型控制（PLC1）加熱控制成型控制伺服電機(jī)保證將產(chǎn)品送到剪板機(jī)作四面切邊，每次送料位置由工控機(jī)給定上料控制預(yù)熱控制板料輸送到位根據(jù)長度、寬度變化放置板料在平臺(tái)由下料機(jī)械手送料結(jié)束板材夾緊吸盤下降下加熱

7、板上升上加熱板下降輸板車前進(jìn)減速吸料吸泡倉下降臺(tái)面板上升加熱板預(yù)加熱吹壓縮紅外控測裝置根據(jù)工控機(jī)設(shè)定加熱參數(shù)對加熱板進(jìn)行控溫吸盤架上升模具上升吸泡動(dòng)作到減速位垂料檢測水平運(yùn)動(dòng)到對中吸泡時(shí)間到結(jié)束吸泡倉第一次消真空模具抽真空時(shí)間控制釋放板料結(jié)束上加熱板上升下加熱板下降吸泡倉正壓輔助成型控制消真空控制側(cè)推到位吸泡倉2次消真空厚度檢測，是否 重料？板料松開是模具導(dǎo)塊脫模比例閥脫模吹氣吸泡倉升輔助夾料機(jī)械手夾料輸送風(fēng)機(jī)倉口打開控制否消除重料側(cè)推回位模具下降風(fēng)機(jī)冷卻控制夾料機(jī)械手夾料輸送頂升到位吸泡升到位圖1-2 系統(tǒng)控制框圖2 多工位真空成型機(jī)各主要部分的結(jié)構(gòu)及說明2.1 機(jī)械部分本設(shè)備的機(jī)械部分主要

8、由自動(dòng)上料機(jī)、板料輸送部分、預(yù)熱部分、加熱部分、成型部分、旋轉(zhuǎn)輸送車+切邊機(jī)、自動(dòng)下料機(jī)等部分組成。(1) 自動(dòng)上料機(jī)自動(dòng)上料機(jī)設(shè)置兩個(gè)（左右）堆料裝置及兩次對中裝置，左右兩個(gè)堆料裝置能夠滿足快速上料，即一邊生產(chǎn)，另一邊可完成上料。兩次對中裝置可滿足料片精確對中，保證料片隨后的輸送流暢。 (2) 板料輸送部分輸送部分采用四組夾鉗機(jī)構(gòu)。每組夾鉗機(jī)構(gòu)由上下兩塊夾料板組成，下夾料板上設(shè)有若干夾料釘，并在氣缸的作用下向上翻轉(zhuǎn)并夾住板料，其機(jī)械結(jié)構(gòu)截面如圖2-1所示圖2-1 夾鉗機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)截面圖四組夾鉗機(jī)構(gòu)相互串聯(lián)，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)，在變頻帶抱閘電機(jī)減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下輸送板料；在夾鉗機(jī)構(gòu)的周圍還采用循環(huán)冷

9、水系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以確保機(jī)構(gòu)要高溫環(huán)境下不產(chǎn)生變形，這些新穎合理的結(jié)構(gòu)均有效保證了：夾鉗機(jī)構(gòu)夾料牢固可靠，并有效防止掉料現(xiàn)象。另外，由變頻帶抱閘電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，由編碼器測定輸送距離的設(shè)計(jì)。徹底改變了傳統(tǒng)鏈條輸送不穩(wěn)定、不精確和易磨損的缺點(diǎn)。（3）預(yù)熱部分、加熱部分預(yù)熱部分、加熱部分由鋼結(jié)構(gòu)架體、上加熱板組件、下加熱板組件以及加熱板運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌組成。由一臺(tái)S7-300 CPU完成對整機(jī)預(yù)熱和加熱的控制，其控制界面圖如圖2-2所示。加熱板的通斷百分比通過工控機(jī)預(yù)先設(shè)置并根據(jù)實(shí)際加以修改，從而實(shí)現(xiàn)對加熱板通斷百分比及加熱時(shí)間的比例控制，而且每塊加熱板均可單獨(dú)控制，方便了不同產(chǎn)品的調(diào)節(jié)。 圖2-2 S

10、7-300 CPU對整機(jī)預(yù)熱和加熱控制界面圖（4）成型部分本設(shè)備的成型部分主要由頂架、吸泡倉、臺(tái)面板升降架、下模架、自動(dòng)快速換模裝置等部分組成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 圖2-3 成型部分機(jī)械結(jié)構(gòu)圖在此真空成型技術(shù)裝備的核心單元中，我們在消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入的研究和創(chuàng)新。主要開發(fā)設(shè)計(jì)了自動(dòng)快速換模裝置、氣壓比例吸泡及脫?？刂?、液壓比例控制等先進(jìn)技術(shù)，具體表述如下：自動(dòng)快速換模裝置自動(dòng)快速換模裝置包括真空成型機(jī)成型線前部的兩臺(tái)換模小車和成型箱內(nèi)均勻排布的兩列滾珠組件。需更換模具時(shí)，打開成型箱門并將待換模具（包括模具臺(tái)面板）推到成型箱內(nèi)下模臺(tái)上，再將程序調(diào)至換模狀態(tài)，系統(tǒng)即

11、自動(dòng)開始執(zhí)行并完成換模，整個(gè)過程僅需約15分鐘。 采用比例吸泡與比例脫模技術(shù)。為了保證產(chǎn)品（最大成型面積2005mm×1005mm）的質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用了比例吸泡與比例脫模的組合控制技術(shù)。吸泡和脫模氣壓均由比例壓力閥控制，比例壓力閥的參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品的不同進(jìn)行調(diào)整，由電控系統(tǒng)任意設(shè)置，并在顯示器上顯示。這樣不僅重復(fù)精度高，而且能實(shí)現(xiàn)無級(jí)可調(diào)，以滿足產(chǎn)品的成型及脫模要求。液壓比例控制技術(shù)。對于密封箱及下模架的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)采用液壓比例流量閥來控制相應(yīng)液壓缸的換向及速度。這樣使系統(tǒng)元件大大減少，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，而且液壓缸加減速任意可調(diào)，使密封箱和下模架運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無沖擊，并能保證較高的重復(fù)精度，從

12、而保證了整體運(yùn)行的穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的合格率，比例流量閥的輸入?yún)?shù)由工控機(jī)設(shè)定并顯示；同時(shí)其運(yùn)動(dòng)位置的檢測采用接近開關(guān)組件，在調(diào)整范圍內(nèi)任意位置均可以測定。（5）旋轉(zhuǎn)輸送車+切邊機(jī)成型后的內(nèi)飾件或內(nèi)膽由輸送機(jī)構(gòu)將其送至旋轉(zhuǎn)輸送車上，然后送至切邊機(jī)，依次對四邊進(jìn)行剪切（由配置的高精度間歇分割器實(shí)現(xiàn)90度的旋轉(zhuǎn)）。旋轉(zhuǎn)輸送車的運(yùn)行采用英國CT伺服控制技術(shù)，該伺服系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件，技術(shù)先進(jìn)，能夠高速、穩(wěn)定、精確地完成內(nèi)飾件或內(nèi)膽四邊的輸送定位。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4 旋轉(zhuǎn)輸送車+切邊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖（6）自動(dòng)下料機(jī)自動(dòng)下料機(jī)主要由架體、導(dǎo)軌、下料機(jī)械手和下料皮帶線等組成，內(nèi)飾件或內(nèi)膽四邊經(jīng)切

13、邊機(jī)剪切結(jié)束后，由下料機(jī)械手傳送至下料皮帶線上，再通過皮帶線輸送到成品區(qū)。2.2 電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)采用目前最先進(jìn)的控制技術(shù)。包括氣動(dòng)、液壓元件的模擬量輸入、輸出控制，電機(jī)的伺服控制，溫度的實(shí)時(shí)控制以及系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制。通過對現(xiàn)場各控制元器件的數(shù)據(jù)量和狀態(tài)量采集與給定，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控。（1）系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制本系統(tǒng)共有360個(gè)輸入信號(hào)，700個(gè)元器件需要控制，結(jié)合工藝特點(diǎn)，我們應(yīng)用MPI及PROFIBUS-DP兩層網(wǎng)絡(luò)控制。最上端采用MPI網(wǎng)絡(luò)，包括2臺(tái)PLC以及1臺(tái)工控機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，即：PLC之間通過GD數(shù)據(jù)包交換數(shù)據(jù)，每臺(tái)PLC與工控機(jī)之間通過CP5611板卡交換數(shù)

14、據(jù)，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；面向現(xiàn)場的每臺(tái)PLC采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接了分布在現(xiàn)場ET200B和ET200L子站以及帶DP口的伺服控制器，根據(jù)需要靈活放置，相互通訊只需要2芯線，這種結(jié)構(gòu)具有抗干擾性強(qiáng)、配置靈活、控制簡潔的特點(diǎn)。工控機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，本次界面設(shè)計(jì)更具人性化，界面提供操作員登錄、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警、工藝動(dòng)態(tài)流程顯示、配方管理、用戶權(quán)限管理等多種操作功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖2-5圖2-5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖（2）電氣控制技術(shù)要點(diǎn) a、模具抽真空及脫模吹氣閥的控制:由傳感器、測量單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)（如圖2-6），執(zhí)行機(jī)構(gòu)為DC24V電機(jī),通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制閥

15、的流量。現(xiàn)場傳感器模擬量輸入模塊采集數(shù)據(jù)程序執(zhí)行工控機(jī)設(shè)定數(shù)據(jù)A/D輸出模塊D/A 判斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋值 圖2-6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閉環(huán)圖b、根據(jù)真空成型機(jī)工藝對加熱的要求，即：加熱面分區(qū)控制要求精度高、區(qū)域小、可調(diào)性強(qiáng)，系統(tǒng)加熱控制采用自行研究的集成電路板通過掃描巡回檢測方法，完成每塊加熱板的溫度控制。每塊集成電路板與PLC連接控制8塊加熱板，每個(gè)加熱板（溫控區(qū)）導(dǎo)通率（加熱功率）在工控機(jī)上獨(dú)立可調(diào)，由測溫儀檢測參考點(diǎn)溫度，從而實(shí)現(xiàn)400個(gè)溫區(qū)溫度的獨(dú)立調(diào)整和控制。在節(jié)能和電網(wǎng)保護(hù)方面：加熱采用上下兩部分，加熱趨勢為一個(gè)正弦、一個(gè)余弦處理，其優(yōu)點(diǎn)在于加熱起動(dòng)后，電網(wǎng)電流變化小，電氣元件在電網(wǎng)中的沖

16、擊也小，損耗減小c、帶DP卡的伺服控制器以PROFIBUS總線與系統(tǒng)連接，用于切邊工位的箱膽四邊定位控制。本系統(tǒng)應(yīng)用的CT伺服具有可開發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過對伺服控制智能模塊的應(yīng)用程序的編制實(shí)現(xiàn)伺服定位功能。2.3液壓系統(tǒng)主要包括液壓站、各種相應(yīng)的控制閥以及管路系統(tǒng)等組成。其液壓系統(tǒng)原理如圖2-7所示。圖2-7 液壓系統(tǒng)原理圖2.4氣動(dòng)及真空系統(tǒng)氣動(dòng)系統(tǒng)主要由過濾器、減壓閥、油霧器等氣源處理元件以及控制成型過程中的控制脫模和壓空的各種氣控截止閥、比例閥和常規(guī)閥以及氣動(dòng)管路系統(tǒng)等組成。成型過程中的脫模控制采用比例閥進(jìn)行比例控制，使得脫模速度獲得連續(xù)比例可調(diào)，以取得較好的脫模效果。真空系統(tǒng)采用擋板閥和

17、節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)快慢速的轉(zhuǎn)換，其速度可以調(diào)節(jié)。真空泵和真空罐的組合，減小了真空泵的功率，能耗低。2.5水循環(huán)系統(tǒng)水循環(huán)系統(tǒng)主要包括給模具加熱的熱水循環(huán)系統(tǒng)和給板料周邊的夾料裝置、液壓站等冷卻的冷水系統(tǒng)。熱水循環(huán)系統(tǒng)的熱水由模溫機(jī)提供，加熱溫度由模溫機(jī)直接控制。模溫機(jī)組總功率約33.5KW；冷水系統(tǒng)的冷卻水由冷水機(jī)組提供，冷水機(jī)組由2臺(tái)制冷量約68000kcal/h的制冷機(jī)及水泵、水箱等組成。冷卻水管路采用不銹鋼材料。2.6潤滑系統(tǒng) 采用由電動(dòng)潤滑泵、遞進(jìn)式分配器及相應(yīng)軟硬管路等部分組成的遞進(jìn)式（PRG）集中潤滑系統(tǒng)（選用南京貝奇爾公司產(chǎn)品）。集中潤滑的使用可以起到降低零部件的磨擦阻力，減少表面磨損

18、，降溫冷卻，防止腐蝕，減震及密封作用。3 結(jié)束語本樣機(jī)已經(jīng)河南新飛電器有限公司、博西華（西門子）制冷有限公司單位試用，用戶均表示：該多工位真空成型機(jī)經(jīng)試用，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，加工的產(chǎn)品合格率達(dá)98%以上，生產(chǎn)效率大大提高；且設(shè)備適應(yīng)范圍廣，產(chǎn)品參數(shù)可以修改和保存，智能化水平非常高。本設(shè)備的成功開發(fā)與制造，為公司帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 汪德濤編 潤滑技術(shù)手冊 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 19982 孫桓 機(jī)械原理第五版M 高等教育出版社 19993 高錦張 塑性成形工藝與模具設(shè)計(jì)M 機(jī)械工業(yè)出版社 20014 TAN TZU Indexing Drives 高精度間歇分割器 臺(tái)灣潭子精密機(jī)械公司 20015 成大先主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 化學(xué)工業(yè)出版社 20026 日本SMC公司 氣