雙板復合機的設計與試驗

郭鵬，梅雪川，陳杰，郭如峰

（1.國機智能（蘇州）有限公司，蘇州215134；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640；3.國機智能科技有限公司，廣州510700）

0 引言

雙板復合技術廣泛運用于金屬材料、高分子材料和無機材料等領域，尤其是近幾年我國加快住宅產業現代化，建筑與裝修行業對復合板材的需求越來越大。由于復合板材規格尺寸工整，易于成型；加上板材尺寸規格多樣性好，可以裝備式安裝，施工效率高；最能做到生產工業化，產品標準化，規格模數化，易于控制產品質量和生產質量[1]。因此，我國對板材復合的技術需求和生產需求越來越大。但目前國內的復合板材生產行業廣泛存在的問題是板材復合性能較低，主要體現在生產自動化程度不高，且板材尺寸與重量較大，人工操作難度較大導致板材復合強度與精度較低，在保證板材復合性能時常導致生產效率低下，反之生產效率提高后復合板材的性能下降[2]。

針對雙板復合的加工技術需求，本文設計了一套雙板復合機，該復合機復合精度高，可對多種規格的板材進行定位和復合加工，且可實現全自動化生產，可應用于工業自動化生產線現場。

1 雙板復合機設計

本文中所述的雙板復合的雙板一種為裝配時在內側做固定連接的板材（以下稱為底板），另一種為表面裝飾用板材（以下稱為面板）。

板材復合工藝，即需要將多塊面板整齊有序地粘合到事先涂好粘接劑的底板上，復合時面板與面板之間需留有規定間隙，且要保證底板和面板復合后的重合誤差不超過規定值；如圖中的示例，所示為底板與4塊面板的復合工藝尺寸示例圖。

根據上述的板材復合工藝，對雙板復合機進行設計，其重點在于保證板材復合的精度，同時使該設備可以對多種規格的板材進行全自動化復合加工。故在板材復合前，需對底板和面板進行定位；且將底板作為基準件，對面板進行移載與底板復合，在移載過程中對面板位置進行調整保證板材的復合精度。

2 雙板復合機主要結構

該雙板復合機主要由底板定位裝置、面板定位裝置、龍門機械臂、面板吸取工裝和控制系統組成，其三維模型如圖2所示。底板與面板在其定位裝置上進行定位，龍門架架置在底板定位裝置與面板定位裝置上方，面板吸取工裝安裝在龍門機械臂末端，根據系統下達的指令，龍門工裝對面板進行吸取后，將面板精確地與底板定位裝置上的底板進行加壓復合，完成板材的復合加工。

圖1 復合工藝尺寸示例圖

圖2 雙板復合機三維模型

2.1 底板定位裝置

底板定位裝置主要由輥筒式輸送機、板材定位模塊等組成，如圖3所示。板材的定位和夾緊均在輸送機上完成，由于部分板材的質量較重，若使用皮帶輸送機運輸板材，板材與皮帶接觸面積過大從而板材的摩擦力過大，影響板材的定位精度；同時為了便于在輸送線內布置定位機構，故選用輥筒式輸送機運輸板材[4]。配有地腳調節器以調節輥道的水平高度。板材定位模塊由橫向定位模塊與縱向定位模塊組成，橫向定位模塊由頂升阻擋機構和勾爪機構組成，如圖4所示；縱向定位模塊由輥道側邊的限位機構組成，如圖5所示，可保證底板正常通過輥道，同時保證橫向的定位精度。

該底板定位裝置多規格的底板進行定位夾緊，每種規格的板材有相應的定位夾緊機構，部分機構在不同規格板材間可以共用，每一規格板材的定位夾緊機構中的氣缸組成相應的氣缸模組；當板材上料規格進行切換時，通過控制系統控制氣缸模組進行切換，實現不同規格底板的兼容。

圖3 底板定位裝置

圖4 板材橫向定位方式

圖5 面板材縱向定位方式

2.2 面板定位裝置

該面板定位裝置由基座、動力輥道模塊、橫向定位模塊和縱向定位模塊等組成，如圖6所示。

圖6 面板定位裝置

通過多組頂升阻擋機構和勾爪機構有更多的排列組合實現更多規格的面板進行定位夾緊，且面板生產線不需向前繼續上料，在輥道最前端采用的是固定的定位板進行阻擋定位。

2.3 龍門機械臂

在板材復合的過程中，需要將面板從面板定位裝置中抓取，移動到底板定位裝置上方與底板施壓復合，完成上述動作至少需要兩個自由度，可選擇二自由度龍門機械臂作為工件移載機構[5]。

龍門式機械臂采用龍門式搭建，由X軸模塊和Z軸模塊組成，如圖7所示。X軸與Z軸通過導軌連接。X軸采用齒輪齒條組合，通過一個伺服電機獨立驅動；Z軸模塊采用滾珠絲桿直線模組[6]。龍門機械臂具備X、Z兩個方向自由度，面板吸取工裝可在行程范圍內沿這兩個方向運動。

圖7 二自由度龍門機械臂

2.4 面板吸取工裝

該面板吸取工裝主要包括工裝機架、左吸盤模塊、右吸盤模塊、接觸式定位塊、吸盤對氣缸、吸盤組滾珠絲杠副、吸盤模塊滾珠絲杠副、吸盤移動導軌和吸盤模塊移動導軌組成，如圖8、9所示。

圖9 面板吸取工裝前視圖

面板需要通過龍門機械手進行移載后，與底板進行復合，如圖8所示，成品上的面板與面板之間間隙需保持2mm，因此每種面板在移載過程中，需要進行間隙調整，且對于每個規格的產品，面板的調整間隙都有所不同，導致各個吸盤之間調整的間隙都有所不同，需要采用伺服電機配合滾珠絲桿進行不同尺寸的間隙調整。

面板吸取工裝中，通過連接板將兩排的吸盤兩兩連接，組成8對吸盤對；將左側的吸盤對1～4組合為左吸盤模塊，右側的吸盤對5～8組合為右吸盤模組塊。

板材間距調整可分為三個層次，第一層為吸盤對的間距調整，第二層為吸盤組的間距調整，第三層為吸盤模塊的間距調整，如圖10所示。

圖10 吸盤間距調整示意圖

3 控制系統設計

3.1 控制原理

根據雙板復合機需要實現的板材定位、吸取和復合等動作，且這些動作的動力源均為電機驅動和氣缸驅動，動作重復性和穩定性要求較高，故選用可編程控制器（PLC）進行控制[7]。通過對各個電機和氣缸的控制，實現底板定位裝置、面板定位裝置、龍門機械臂、面板吸取工裝的運作。在底板定位裝置和面板定位裝置中安裝有反射傳感器，根據需要定位的板材規格和定位組件來布置傳感器，反射傳感器負責檢測板材的初步到位情況和定位夾緊狀態，并將采樣信號反饋給PLC系統，若出現錯誤則發出警告[8]。同時在面板吸取工裝上安裝有壓力傳感器，其作用是在底板和面板進行復合的過程中，復合的壓力值達到所設定閾值時，則停止復合[9]。并且通過觸摸屏界面與PLC控制系統進行通訊，實現人機交互操作。

3.2 控制系統硬件設計

本系統采用西門子S7-1200系列PLC，其具有四個100kHz高速脈沖輸出，該PLC穩定性好、支持多種通訊方式，可以很好地滿足工藝控制要求[10]。PLC控制系統由變頻器調頻的方式控制三相異步電動機，由脈沖的方式控制伺服電機，實現各機構的精確位置控制；使用定時器實現電磁閥的準時關閉，從而實現各氣缸的準時動作。PLC通過以太網線與觸摸屏通訊，實現人機交互[11]。本系統的硬件配置如圖11所示。

圖11 控制系統硬件配置

3.4 板材復合流程

該雙板復合機進行板材復合的流程示意圖如圖12所示。

圖12 板材復合流程圖

4 成品復合精度試驗

4.1 設備試驗

利用本文設計的雙板復合機制作多件成品，選用激光跟蹤儀進行各個成品面板之間的間隙，從而得出設備的復合精度。

使用徠卡AT901-MR型激光跟蹤儀進行檢測，測量范圍50m，ADM絕對測距儀測距精度為全量程半徑內不超過10um。

表1 機器人自動粘貼雙面膠試驗條件

4.2 參數檢測

通過激光跟蹤儀，對每塊面板到底板一側距離進行檢測，測試方式如圖13利用固定好的激光跟蹤儀（激光跟蹤儀距離成品一邊距離為L），移動靶鏡位置測量靶鏡到激光跟蹤儀的距離L1-L3，則可計算出各個面板到底板一邊的距離L1-L3。

圖13 板材復合精度測試示意圖

檢測試驗數據表2所示。

4.3 參數計算及結果分析

重復定位精度。本設備采用數控機床的重復定位精度計算方法[12]：在相同條件下重復運行設備，測量每次的定位值δ0、δ1、δ2……，然后求出這些定位值中的最大差值，求最大差值的1/2，取±后即為重復定位精度。

表2 性能參數檢測數據

根據試驗結果，計算重復定位精度為：

（1）L1定位精度：

（2）L2定位精度：

（3）L3定位精度：

面板的間隙精度選取最大值，因此復合板定位精度為±0.185mm≈±0.2mm。

5 結語

本文針對雙板復合自動化生產的需求，設計了一種全自動化雙板復合機。該雙板復合機主要的主要優點有：

（1）可實現全自動化生產，消除了人工操作對板材復合精度的影響；

（2）對多種規格的板材進行精準定位，提高了現有板材定位裝置的兼容性；

（3）實現一次性對多塊板材進行復合加工，復合板定位精度為±0.2mm，大幅提高了生產效率，可應用于工業自動化生產線現場。