双板复合机的设计与试验

郭鹏，梅雪川，陈杰，郭如峰

（1.国机智能（苏州）有限公司，苏州215134；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640；3.国机智能科技有限公司，广州510700）

0 引言

双板复合技术广泛运用于金属材料、高分子材料和无机材料等领域，尤其是近几年我国加快住宅产业现代化，建筑与装修行业对复合板材的需求越来越大。由于复合板材规格尺寸工整，易于成型；加上板材尺寸规格多样性好，可以装备式安装，施工效率高；最能做到生产工业化，产品标准化，规格模数化，易于控制产品质量和生产质量[1]。因此，我国对板材复合的技术需求和生产需求越来越大。但目前国内的复合板材生产行业广泛存在的问题是板材复合性能较低，主要体现在生产自动化程度不高，且板材尺寸与重量较大，人工操作难度较大导致板材复合强度与精度较低，在保证板材复合性能时常导致生产效率低下，反之生产效率提高后复合板材的性能下降[2]。

针对双板复合的加工技术需求，本文设计了一套双板复合机，该复合机复合精度高，可对多种规格的板材进行定位和复合加工，且可实现全自动化生产，可应用于工业自动化生产线现场。

1 双板复合机设计

本文中所述的双板复合的双板一种为装配时在内侧做固定连接的板材（以下称为底板），另一种为表面装饰用板材（以下称为面板）。

板材复合工艺，即需要将多块面板整齐有序地粘合到事先涂好粘接剂的底板上，复合时面板与面板之间需留有规定间隙，且要保证底板和面板复合后的重合误差不超过规定值；如图中的示例，所示为底板与4块面板的复合工艺尺寸示例图。

根据上述的板材复合工艺，对双板复合机进行设计，其重点在于保证板材复合的精度，同时使该设备可以对多种规格的板材进行全自动化复合加工。故在板材复合前，需对底板和面板进行定位；且将底板作为基准件，对面板进行移载与底板复合，在移载过程中对面板位置进行调整保证板材的复合精度。

2 双板复合机主要结构

该双板复合机主要由底板定位装置、面板定位装置、龙门机械臂、面板吸取工装和控制系统组成，其三维模型如图2所示。底板与面板在其定位装置上进行定位，龙门架架置在底板定位装置与面板定位装置上方，面板吸取工装安装在龙门机械臂末端，根据系统下达的指令，龙门工装对面板进行吸取后，将面板精确地与底板定位装置上的底板进行加压复合，完成板材的复合加工。

图1 复合工艺尺寸示例图

图2 双板复合机三维模型

2.1 底板定位装置

底板定位装置主要由辊筒式输送机、板材定位模块等组成，如图3所示。板材的定位和夹紧均在输送机上完成，由于部分板材的质量较重，若使用皮带输送机运输板材，板材与皮带接触面积过大从而板材的摩擦力过大，影响板材的定位精度；同时为了便于在输送线内布置定位机构，故选用辊筒式输送机运输板材[4]。配有地脚调节器以调节辊道的水平高度。板材定位模块由横向定位模块与纵向定位模块组成，横向定位模块由顶升阻挡机构和勾爪机构组成，如图4所示；纵向定位模块由辊道侧边的限位机构组成，如图5所示，可保证底板正常通过辊道，同时保证横向的定位精度。

该底板定位装置多规格的底板进行定位夹紧，每种规格的板材有相应的定位夹紧机构，部分机构在不同规格板材间可以共用，每一规格板材的定位夹紧机构中的气缸组成相应的气缸模组；当板材上料规格进行切换时，通过控制系统控制气缸模组进行切换，实现不同规格底板的兼容。

图3 底板定位装置

图4 板材横向定位方式

图5 面板材纵向定位方式

2.2 面板定位装置

该面板定位装置由基座、动力辊道模块、横向定位模块和纵向定位模块等组成，如图6所示。

图6 面板定位装置

通过多组顶升阻挡机构和勾爪机构有更多的排列组合实现更多规格的面板进行定位夹紧，且面板生产线不需向前继续上料，在辊道最前端采用的是固定的定位板进行阻挡定位。

2.3 龙门机械臂

在板材复合的过程中，需要将面板从面板定位装置中抓取，移动到底板定位装置上方与底板施压复合，完成上述动作至少需要两个自由度，可选择二自由度龙门机械臂作为工件移载机构[5]。

龙门式机械臂采用龙门式搭建，由X轴模块和Z轴模块组成，如图7所示。X轴与Z轴通过导轨连接。X轴采用齿轮齿条组合，通过一个伺服电机独立驱动；Z轴模块采用滚珠丝杆直线模组[6]。龙门机械臂具备X、Z两个方向自由度，面板吸取工装可在行程范围内沿这两个方向运动。

图7 二自由度龙门机械臂

2.4 面板吸取工装

该面板吸取工装主要包括工装机架、左吸盘模块、右吸盘模块、接触式定位块、吸盘对气缸、吸盘组滚珠丝杠副、吸盘模块滚珠丝杠副、吸盘移动导轨和吸盘模块移动导轨组成，如图8、9所示。

图9 面板吸取工装前视图

面板需要通过龙门机械手进行移载后，与底板进行复合，如图8所示，成品上的面板与面板之间间隙需保持2mm，因此每种面板在移载过程中，需要进行间隙调整，且对于每个规格的产品，面板的调整间隙都有所不同，导致各个吸盘之间调整的间隙都有所不同，需要采用伺服电机配合滚珠丝杆进行不同尺寸的间隙调整。

面板吸取工装中，通过连接板将两排的吸盘两两连接，组成8对吸盘对；将左侧的吸盘对1～4组合为左吸盘模块，右侧的吸盘对5～8组合为右吸盘模组块。

板材间距调整可分为三个层次，第一层为吸盘对的间距调整，第二层为吸盘组的间距调整，第三层为吸盘模块的间距调整，如图10所示。

图10 吸盘间距调整示意图

3 控制系统设计

3.1 控制原理

根据双板复合机需要实现的板材定位、吸取和复合等动作，且这些动作的动力源均为电机驱动和气缸驱动，动作重复性和稳定性要求较高，故选用可编程控制器（PLC）进行控制[7]。通过对各个电机和气缸的控制，实现底板定位装置、面板定位装置、龙门机械臂、面板吸取工装的运作。在底板定位装置和面板定位装置中安装有反射传感器，根据需要定位的板材规格和定位组件来布置传感器，反射传感器负责检测板材的初步到位情况和定位夹紧状态，并将采样信号反馈给PLC系统，若出现错误则发出警告[8]。同时在面板吸取工装上安装有压力传感器，其作用是在底板和面板进行复合的过程中，复合的压力值达到所设定阈值时，则停止复合[9]。并且通过触摸屏界面与PLC控制系统进行通讯，实现人机交互操作。

3.2 控制系统硬件设计

本系统采用西门子S7-1200系列PLC，其具有四个100kHz高速脉冲输出，该PLC稳定性好、支持多种通讯方式，可以很好地满足工艺控制要求[10]。PLC控制系统由变频器调频的方式控制三相异步电动机，由脉冲的方式控制伺服电机，实现各机构的精确位置控制；使用定时器实现电磁阀的准时关闭，从而实现各气缸的准时动作。PLC通过以太网线与触摸屏通讯，实现人机交互[11]。本系统的硬件配置如图11所示。

图11 控制系统硬件配置

3.4 板材复合流程

该双板复合机进行板材复合的流程示意图如图12所示。

图12 板材复合流程图

4 成品复合精度试验

4.1 设备试验

利用本文设计的双板复合机制作多件成品，选用激光跟踪仪进行各个成品面板之间的间隙，从而得出设备的复合精度。

使用徕卡AT901-MR型激光跟踪仪进行检测，测量范围50m，ADM绝对测距仪测距精度为全量程半径内不超过10um。

表1 机器人自动粘贴双面胶试验条件

4.2 参数检测

通过激光跟踪仪，对每块面板到底板一侧距离进行检测，测试方式如图13利用固定好的激光跟踪仪（激光跟踪仪距离成品一边距离为L），移动靶镜位置测量靶镜到激光跟踪仪的距离L1-L3，则可计算出各个面板到底板一边的距离L1-L3。

图13 板材复合精度测试示意图

检测试验数据表2所示。

4.3 参数计算及结果分析

重复定位精度。本设备采用数控机床的重复定位精度计算方法[12]：在相同条件下重复运行设备，测量每次的定位值δ0、δ1、δ2……，然后求出这些定位值中的最大差值，求最大差值的1/2，取±后即为重复定位精度。

表2 性能参数检测数据

根据试验结果，计算重复定位精度为：

（1）L1定位精度：

（2）L2定位精度：

（3）L3定位精度：

面板的间隙精度选取最大值，因此复合板定位精度为±0.185mm≈±0.2mm。

5 结语

本文针对双板复合自动化生产的需求，设计了一种全自动化双板复合机。该双板复合机主要的主要优点有：

（1）可实现全自动化生产，消除了人工操作对板材复合精度的影响；

（2）对多种规格的板材进行精准定位，提高了现有板材定位装置的兼容性；

（3）实现一次性对多块板材进行复合加工，复合板定位精度为±0.2mm，大幅提高了生产效率，可应用于工业自动化生产线现场。