净化隔断板自动生产线面板安装装置设计

牛虎利 王渊 郑帅杰 张嘉钰

摘 要：为了解决净化隔断板生产过程中人工安装面板效率低、质量差、劳动强度大等问题，设计了一种全自动面板安装装置。主要包括上料装置、送料装置和面板固定装置3部分，利用气缸、直线模组和电动旋转台驱动整个装置将待安装面板送至吸盘架上，然后采用真空吸盘完成面板的固定。先后用ANSYS workbench对关键零部件进行有限元仿真分析，用UG对净化隔断板面板自动安装一体化装置进行运动仿真分析。结果显示，所设计的装置大大提高了面板的安装效率和安裝质量，降低了工人的劳动强度;所采用的零部件的刚度和强度能够满足实际生产要求。自动化装置的安装效率约为人工安装的7.35倍。具有通用性强、结构简单、自动化程度高等优点，提高了净化隔断板的生产效率，顺应了生产线的自动化、无人化的发展趋势。

关键词：机械设计;面板;自动;设计;安装装置;有限元

中图分类号：TP23 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04009[HJ1*2]

文章编号：1008-1534（2020）04-0266-07

Abstract：In order to improve the efficiency and quality of manual panel installation and solve the problem of high labor intensity in the production process of purification partition board， a full-automatic panel mounting device was designed. It mainly includes three parts： loading device， feeding device and panel fixing device. The whole device was driven by cylinder，linear module and electric rotary table to send the panel to the suction cup frame， and then the panel was fixed by vacuum suction cup. ANSYS Workbench was applied to conduct the finite element simulation analysis on the key parts，and UG was used to carry out dynamic simulation analysis on the integrated device of automatic installation of purification partition board panel. The results show that the designed device greatly improves the installation efficiency and quality of the panel， and reduces the labor intensity of workers; the stiffness and strength of the parts used meet the actual production requirements， and the installation efficiency of the automatic device is about 7.35 times of that of the manual installation. The design of the device has the advantages of strong universality， simple structure and high degree of automation. Furthermore， it also improves the production efficiency of purification partition board and conforms to the development trend of automatic and unmanned production line.

Keywords：machine design; panel; automatic; design; installation device; finite element method

净化隔断板是一种新型的建材产品，具有轻质、环保、保温效果好、便于运输等优点。近年来，净化隔断板主要应用于生物医药、电子、新能源洁净车间等场所的构建，年需求量多达5 000万m2。它是一种类似于三明治结构的建筑板材，由上下板、边框和芯材填充物层层黏合而成，如图1所示。

净化隔断板自动生产线流程为上下面板成型—下面板涂胶—放置边框—放置下玻镁板—下玻镁板涂胶—填充岩棉—放置涂胶后的上玻镁板—上面板安装—产品下线压合—烘干—得到成品。

目前，净化隔断板自动生产线中面板的安装工位没有自动安装设备，仍采用人工手动安装，不仅效率低，而且车间环境恶劣，工人需穿着防护服、手套等开展工作。为了降低人工生产的成本，提高企业的经济效益

[1-5]，研究一种新型可靠的大型工件安装变位装置已迫在眉睫[6-10]。针对这种情况，设计了一种适用于长度为800～3 000 mm，宽度为300～ 1 140 mm 的净化隔断板面板自动安装装置，实现了上料、传送、面板安装过程的全自动化。

1 整体方案设计与运动过程

1.1 方案设计

根据现实需要，设计合适的机械结构，选取合适的零件，完成整体方案设计[11]，并对该装置进行力学和运动学性能研究[12]。该装置主要分为上料装置、面板固定装置、传送装置，其结构如图2所示。其中上料装置主要由传送架、电机、气缸、限位挡板组成;面板固定装置主要由真空吸盘、流利条、铝型材、挡板、固定架组成;送料装置主要由钢架、直线模组、电动旋转台组成。

1.2 运动过程

工作时，面板經送料装置的传送与挡板碰撞之后会停止运动，在气缸的作用下将其输送到装有定位挡片的吸盘架的上方（气缸推动的面板不可直接在真空吸盘表面进行运动，所以此时在水平位置上有略高出真空吸盘水平面的流利条与面板下表面进行接触，将干摩擦转化为滚动摩擦），当面板输送到装有定位挡片的真空吸盘架上方时，吸盘架整体上升，使得吸盘表面与面板下表面进行接触，进而完成吸取动作;被真空吸盘吸取固定后的面板需要运动到指定位置。该过程由丝杠模组来完成，丝杠模组将吸盘架整体进行竖直和水平方向运动;通电后的电动旋转台能够精确控制吸盘架进行180°的翻转运动，然后在通过直线模组进行竖直和水平方向的运动从而完成面板的安装。其整体安装流程如图3所示。

2 安装装置机械结构设计

2.1 上料装置设计

装置的主要功能是将待安装的面板推送到送料装置上，然后由送料装置进行面板的安装。该装置包括气缸、面板、推板、传送架等，其结构设计如图4所示。

对气缸缸径的选型与计算。

气缸需推动质量为20 kg的玻镁板，其负载力F≈200 N，F=nPS。F为所需要的输出力;P为系统压力;S为活塞面积;n为安全系数（一般气缸水平使用取0.7，垂直使用取0.5）;P=0.5 MPa;n=0.7，S=F/（nP）。

参照SMC标准气缸的缸径，并经过与实际生产的结合考虑，最终选择气缸缸径为63 mm，行程为1 200 mm（定制）的CA2L50-100Z型气缸。

2.2 面板固定装置设计

装置主要由真空吸盘、流利条、铝型材、挡板、固定架组成，其结构如图5所示。工作时气缸将面板推送到抓取位置，放置在流利条下安装有真空吸盘的铝型材的吸盘架上，吸盘架向上运动，同时吸盘开始工作，待真空吸盘表面与面板下表面接触之后，吸盘将面板紧紧地吸附在吸盘表面，对面板进行固定。

2.2.1 真空吸盘选型

面板在安装过程中需要进行180°旋转，随着面板旋转角度的变化，面板所需要的吸力也随之改变，面板在旋转角度为0°≤a≤90°时，面板的受力示意图如图6所示。分析可得面板能保证不从吸盘脱落所需最小吸力满足以下关系：

式中：f为面板所受到的摩擦力;F为面板所受到吸盘的吸力;G为面板所受的重力;a 为面板与水平面的夹角;m为面板质量，取13.3 kg;μ为面板与吸盘之间的摩擦系数，取0.4;g取10 N/kg;旋转角度取0°≤a≤90°。

当面板的旋转角度为90°

由式（3）可得面板所需吸力F的大小。

采用Matlab工具编程软件为面板翻转过程处理一些数据，得到面板翻转过程中所需的最小吸力F与旋转角度a之间的关系如图8所示。

由图8可以看出，当面板与水平面夹角a为 0°～90° 时，所需吸力随角度的增加而增加;当面板与水平面的夹角a为90°～158.27°时，所需吸力随角度的增加而减小，当面板与水平面的夹角a为 158.27°～180° 时，所需吸力随角度的增加而增加。综上所述，面板在翻转过程中，最小吸力的最大值发生在 a=90° 时，能保证面板不从吸盘上脱落，此时F= 332.5 N 。故吸盘对面板的总吸力F必须大于332.5 N，才能保证面板不从吸盘上脱落。

经对吸盘性能、参数的了解，综合考虑，决定采用18个PFGPF-H40型号的单层真空吸盘对面板进行固定，其吸盘参数为真空吸盘直径：Φ40;真空吸盘的吸力：30 N/个;真空吸盘个数：18个;吸盘的总吸力：F=30×18=540 N >332.5 N。

2.2.2 铝型材吸盘架的选型与校核

在选用APS工业铝型材时，综合考虑铝型材的受力情况。通过APS铝型材选型手册选用APS-8-4040-W的铝型材，然后对该铝型材进行校核检验，根据铝型材的结构特点，利用ANSYS Workbench对铝型材进行有限元仿真分析[13-16]，得到铝型材的网格划分、变形、应力云图如图9—图11所示。

由图10可知，在极限工况下，铝型材的最大形变发生在铝型材的两端，且最大形变量为0.055 mm，远远小于其允许最大形变量1 mm，设计满足实际生产及极端工况要求。

由图11可知，在极限工况下铝型材的最大等效应力发生在铝型材固定端的两端，且最大应力为 1.538 6 MPa ，远远小于其许用应力180 MPa，设计满足实际生产及极端工况要求。

2.3 送料装置设计

该装置由钢架、直线模组、电动旋转台组成，结构如图12所示。竖直和水平运动均由直线模组来实现。其型号为DK210-CL10-S1000-G3，其中直线模组主要由电机和丝杆组成。

2.3.1 直线模组丝杠的校核计算

根据其负载对直线模组的丝杠进行校核，丝杠许用轴向负载计算：

式中：P为丝杠许用轴向负载（N）;α为安全系数，取 0.5 ;E为杨氏模量，取2.08×105 N/mm2;d为丝杠轴底径;L为安装距离;I为丝杠轴截面最小惯性矩;n取4。代入数据计算得到丝杠的轴向负载可以达到1 000 N，而使用过程中丝杠的轴向负载为485 N，所以满足使用要求。

2.3.2 电动旋转台

电动旋转台和吸盘支架连接，在工作中将吸盘架进行180°旋转，该步骤是面板安装的核心步骤，其装置如图13所示。

通过对其性能和特点的分析，最终选用型号为ZXR200MA的电动旋转台，具体参数如表1所示。

电动旋转台具有以下特点：有标准的接口，可实现自动控制;电动旋转台承载能力较大，寿命较长;传动部件的内部结构使得台面可以任意正向旋转或反向旋转;运动过程平稳，空回极小;定位精准、安装方便;可更换多种电机，适应性广。对该电动旋转台的性能参数和特点进行分析可得，其可以满足使用要求。

3 仿真结果分析

利用UG软件对净化隔断板面板自动安装一体化装置，对整个运动安装过程进行运动仿真分析，得到其时间与位移及时间与旋转角度的关系图像如图14—图16所示。

通过UG的运动仿真分析可知，该装置结构设计合理、运行可靠，运行过程中没有出现干涉等现象。

图14—图16分别表示在安装过程中，面板在X，Y方向的位移以及旋转角度随时间变化的图像。用UG进行仿真时给定X，Y方向的初速度为400 mm/s，旋转台的转速为25（°/s），当面板Y方向的位移重新降为0时，整个面板安装完毕，如图15所示，所用时间为12.2 s。而经实际车间调研得知，目前采用人工安装需要用时30 s左右。工人每天的工作时长为8 h，而净化隔断板面板自动安装一体化装置可进行24 h连续作业，综合计算分析可得，该装置的安装效率约为人工的7.35倍。

4 结 语

研发了一种可以实现净化隔断板面板自动安装的装置，设计了总体方案和整机结构，实现了面板的自动上料、安装等功能，解决了生产现场存在的效率低、劳动强度大等问题。该装置以传动架作为上料装置，用线性模组和旋转台来实现面板的移动和翻转，用真空吸盘作为面板的固定装置对面板进行固定，具有以下优点。

1）效率高。根据线性模组和旋转台的性能参数，用UG进行运动仿真，得到其安装速度为 12.2 s/个 ，约为人工的7.35倍。

2）自动化程度高。采用线性模组和电动旋转台作为该装置的主要驱动设备，实现了面板安装的自动化，大大降低了工人的劳动强度。

3）通用性强。通过调节面板固定装置的大小以及该装置上真空吸盘的数量，可实现长度为800～ 3 000 mm ，宽度为300～1 140 mm范围内面板的安装，也可作为类似净化隔断板面板的板材的安装装置。

4）对面板损伤小。该裝置用真空吸盘代替传统机械手，大大降低了传统机械手夹取面板时对面板的损坏几率。

5）结构简单。相对于普通的六轴机械手，该装置采用线性模组和电动旋转台作为主要驱动，结构更加简单，无复杂的机械结构，成本较低，工人维护方便，后期维护保养成本也相对较低。

净化隔断板面板自动安装一体化装置将传统的手工安装转化为机械自动化安装，解决了传统人工进行面板安装效率低、质量差、对工人身体危害大的问题，具有现实意义和推广应用价值。

该装置体积较大，对厂房的空间要求较高，不适合小厂房的使用，虽实现了自动化但并未实现智能化。后续将着重改进装置的体积，并实现该智能化，以适应生产线智能化，顺应发展的需要。

参考文献/References：

[1]廖松柏，胡润祥，秦淑君.机械硫化机电机驱动后充气翻转改进设计[J].橡塑技术与装备，2015，41（19）：53-55.

LIAO Songbai， HU Runxiang， QIN Shujun. Improved design of motor driven rear inflated flip of mechanical vulcanizing machine [J]. China Rubber/Plastic Technology and Equipment， 2015， 41 （19）： 53-55.

[2]朱金达，牛虎利，刘兆奂，等.钢筋连接套自动包装机设计[J].河北工业科技，2019，36（2）：103-106.

ZHU Jinda， NIU Huli， LIU Zhaohuan， et al. Design of automatic packaging machine for steel connecting sleeve[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2019，36 （2）： 103-106.

[3]姜洪旗，王广超，孙文，等.大型模块制造用可移动机械翻转装置的设计[J].机械工程师，2018（10）：153-156.

JIANG Hongqi， WANG Guangchao， SUN Wen， et al. Design of movable mechanical turnover device for large module manufacturing[J]. Mechanical Engineer， 2018 （10）： 153-156.

[4]张新聚，李亚男.摩托车单向器自动装配机气动系统设计[J].河北工业科技，2018，35（3）：204-209.

ZHANG Xinju， LI Yanan. Design of pneumatic system of automatic assemble machine for motorcycle one-way clutch[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2018，35 （3）： 204-209.

[5]NIU S G， XUE L， ZHOU G Y. Study of elevator flexible sheet metal processing production line based on open CNC system[J]. Applied Mechanics & Materials， 2014， 620： 364-367.

[6]彭立强，孙静瑶，王立新.全景天窗汽车车身刚度分析及优化设计[J].河北工业科技，2019，36（5）：352-356.

PENG Liqiang， SUN Jingyao， WANG Lixin. Stiffness analysis and optimization design of panoramic sunroof car body[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology， 2019，36（5）：352-356.

[7]尹强，彭辉，易静姝，等.陶瓷衬垫组翻转装置的方案设计研究[J].武汉轻工大学学报，2018，37（5）：84-88.

YIN Qiang， PENG Hui， YI Jingshu，et al. Research on program design for the overturn device of ceramic backing group[J]. Journal of Wuhan Polytechnic University，2018，37（5）：84-88.

[8]许怡赦，朱永波.平面金属薄板饰件精加工智能产线上下料装置设计[J].制造技术与机床，2019（12）：70-73.

XU Yishe， ZHU Yongbo. Design of smart-production-line feeding devices for finishing flat metal sheet decoration[J]. Manufacturing Technology and Machine Tool， 2019 （12）： 70-73.

[9]陈殿生，郑万军，黄宇，等. 弹跳机器人翻转机构的设计与优化[J]. 机械工程学报，2011，47（1）：17- 23.

CHEN Diansheng， ZHENG Wanjun， HUANG Yu， et al. The design and optimization of a hopping robot′s tipping mechanism[J]. Journal of Mechanical Engineering， 2011，47（1）：17-23.

[10]KE Jiangyan， LIU Zaiming. Further research and development of machining automatic production line integrated experimental platform[J]. Teaching Practice， 2010（8）： 101-103.

[11]李敏.全向剪叉自行式高空作業平台的开发[D]. 南京：南京航空航天大学，2013.

LI Min. The Development of Omni-directional Scissor Self-propelled Aerial Working Platform[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2013.

[12]张祯奇，段君艳，米新征.基于西门子PLC控制的一种分模机[J].机械设计，2019，36（sup1）：367-370.

ZHANG Zhenqi， DUAN Junyan， MI Xinzheng. A parting machine based on Siemens PLC control[J]. Journal of Mechine Design， 2019，36 （sup1）： 367-370.

[13]徐丽明，陈俊威，吴刚，等.梳刷振动式枸杞收获装置设计与运行参数优化[J].农业工程学报，2018，34（9）：75-82.

XU Liming， CHEN Junwei， WU Gang， et al. Design and operating parameter optimization of comb brush vibratory harvesting device for wolfberry [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34 （9）： 75-82.

[14]吕鲲，闫明辉，贺丽芳.玻璃上片台翻转机构设计与运动优化[J].机械传动，2015，39（11）：54-58.

LV Kun， YAN Minghui， HE Lifang. Mechanism design and motion optimization of the flip mechanism of glass loading machine [J]. Journal of Mechanical Transmission， 2015，39 （11）： 54-58.

[15]柯庆镝，李杰，吕岩，等.基于结构和性能相似度分析函数的机械产品优化设计方法[J].中国机械工程，2019，30（5）：586-594.

KE Qingdi， LI Jie， LYU Yan， et al. Optimization design method for mechanical products based on structural and performance similarity analysis functions[J]. China Mechanical Engineering， 2019， 30 （5）： 586-594.

[16]张学军，刘家强，史增录，等.残膜回收机逆向膜土分离装置的设计与参数优化[J].农业工程学报，2019，35（4）：46-55.

ZHANG Xuejun， LIU Jiaqiang， SHI Zenglu， et al. Design and parameter optimization of reverse membrane and soil separation device for residual film recovery machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35 （4）： 46-55.