板材烘房设计

郭如峰，梅雪川，林粤科，叶敏

（1.国机智能科技有限公司，广州510700；2.国机智能（苏州）有限公司，苏州215134）

0 引言

烘房主要对工件进行特定条件下的恒温固化或水分烘干，广泛应用于涂料和外表面的固化，食品及各类产品的水分烘干[1]。目前的烘房常采用人工作业方式进行上下料，工作效率低下；由于人工上下料，使得无法进行精准控制烘干周期[2]；且一般的烘房容量都较小或者结构不合理，导致空间利用率低[3]。近年来，随着智能控制技术和传热学的深入研究，关于烘房温度的智能控制技术已经在理论上相当成熟，但对烘房结构优化设计较少[4]。当复合板材采用室温晾干的方式使粘接剂固化时，常需要10 个小时甚至以上才能达到所需的粘接强度[5]。

针对两种不同板材的粘接复合加工后需要对复合板材进行恒温固化，本文设计了一套自动化立体循环式板材烘房，该烘房系统自动化程度高，生产加工效率高，结构通用性强，温度控制稳定，可应用于工业自动化生产线现场；并通过板材粘接实验验证系统的性能可靠性。

1 烘房总体设计

根据两种不同板材的复合加工生产线的恒温固化需求，进行烘房系统的设计。由于烘房处于复合加工生产线中部，在恒温固化工序前，复合板材需要进行两种不同板材复合、复合板通过式保压；在恒温固化工序后，复合板材需要进行堆垛下料；所以要求烘房能够直接与前后的生产线进行连接，再综合考虑占地面积与存储量，将烘房设计为立体循环式烘房，且烘房上、下料口在同一条线上[6]。

该自动化立体循环式板材烘房主要由烘房房体、主体模块、下平移模块、上平移模块、温度调节模块和控制系统组成，其三维模型图如图1 所示。主体模块、下平移模块和上平移模块皆安装于烘房房体内部；控制系统位于烘房房体外部，安装有人机交互界面。当烘房系统启动时，入口输送带将板材输入至烘房内部，经过烘房内部的装置运作，板材经过一次循环后从出口输送带输出，完成板材的恒温固化[7]。

图1 烘房系统三维模型

1.1 烘房房体

烘房房体由聚氨酯材料组成，该材料密封性能和保温性能良好[8]。其结构如图1 所示，尺寸为长5.5m，宽5m，高4m；供热方式是采用热蒸汽为热源，波浪形暖气片将蒸汽热能扩散到烘房房体内部，再运用鼓风机使蒸汽加速均匀扩散。蒸汽的入口区域高度为4m，出口区域高度为0.05m，蒸汽管道管口DN50。

1.2 主体模块

主体模块主要由入口输送带、边升装置、中升装置、若干托架和出口输送带等组成，如图2 所示。入口输送带将复合好后的板材输送到入口最下端的托架上；托架用来盛放需要恒温固化的板材，本文所设计的烘房中左侧托架共22 层，右侧托架共20 层（左侧托架层数-2）；已经恒温固化好的板材通过出口输送带输送。左部的边升装置与前后两个中升装置组成左侧上升单元，负责左部托架的规律性上移动作；同样的，右部的边升装置与前后两个中升装置组成右侧下降单元，负责右部托架的步进式下移动作；上述装置的动力源为带刹车三相异步电机。

图2 主体模块

1.3 下平移模块

下平移模块主要由基座、可升降输送带装置，导轨装置，动力装置等组成，如图3 所示。可升降输送带装置通过气缸控制输送带模组的升降，其中输送带模组无干涉的嵌入在托架网格的间隙内，由三组伺服电机驱动；导轨装置由滑轨和托架承载台组成，动力装置通过带刹车三相异步电动机链轮机构的传动，使托架在导轨装置上向左或向右平移。

图3 下平移模块

图4 下平移动作顺序框图

1.4 上平移模块

上平移模块与下平移模块的原理和结构相似，主要由基架，托抬装置，导轨装置和动力装置等组成，如图5 所示。托抬装置主要由四组气缸实现对托架的托抬和松降；动力装置的动力输出过程为：伺服电机通过行星减速机进行减速和增大转矩，再由齿轮齿条组合的传动，使托架在导轨装置上向左或向右平移。

图5 上平移模块

图6 上平移动作顺序框图

2 控制系统设计

2.1 控制原理

烘房系统的各个动作通过PLC 控制系统实现，该PLC 系统能够与MES 系统进行通讯，接收生产信息，再反馈实时设备状态；通过对各个电机和气缸的控制，实现主体模块、上平移模块和下平移模块内的运作；在烘房内分布安装有十组温度传感器采集温度信息，并将采样信号反馈给PLC 系统进行温度校准，通过控制热蒸汽阀门的开口大小使烘房内保持恒温；并且通过触摸屏与控制系统进行通讯，实现人机交互。

2.2 控制系统硬件设计

根据功能需求，烘房的控制系统需要实现电机精确位置控制的有：主体模块中左侧上升单元和右侧下降单元中的带刹车三相异步电动机，下平移模块中带刹车三相异步电动机和上平移模块中的伺服电机。需要实现气缸的准时控制的机构有：下平移模块中可升降输送带装置的升降气缸，上平移模块中托抬装置的气缸。

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，可以很好的满足工艺控制要求[9]。PLC 由变频器调频的方式控制带刹车三相异步电动机，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。本系统的硬件配置如图7 所示。

温度传感器采集关于温度的模拟信号，PLC 进行A/D 信号转换后，通过PLC 内部的PID 运算指令对温度数据进行PID 运算；再通过D/A 转换将PID 运算结果转换为模拟量，驱动温度调节装置完成温度的调节，从而实现温度的自动控制，并可以在触摸屏上查看实时温度值[10]。

图7 控制系统硬件配置

2.3 工件运转流程

工件在烘房系统中的运转流程主要分为六个步骤：①工件在左下侧工位进行上料，②上料完成后工件上移到达左上侧工位，③工件从左上侧工位后移到达右上侧工位，④工件从右上侧工位下移到达右下侧工位，⑤工件从右下侧工位左移到达左下侧工位，⑥工件在左下侧工位进行下料；其示意图如图8 所示。

图8 工件运转流程

3 粘接强度验证实验

3.1 实验原理

本试验利用本文设计的立体循环式烘房进行板材粘接复合后的恒温固化实验，通过对粘接强度进行测试来验证烘房的性能。根据两种不同板材复合后的恒温固化要求，采用粘接剂为聚氨酯胶水，先使用恒温烘箱对复合板材进行了恒温固化条件确定试验，得出的结果是当恒温固化温度为50±1℃，恒温固化时间为20±1min 时可获得最大粘接强度[11]。现在使用立体循环式烘房系统进行粘接强度验证实验，根据上述恒温固化条件下恒温固化复合板材的粘接强度，判断该立体循环式烘房的功能优劣。

3.2 实验设备

粘接剂采用聚氨酯胶水，聚氨酯胶水在烘箱中初固（50℃、20min）的粘接强度为1.6 MPa，且实验所选用的复合板材工件的断裂强度为12.6MPa，远大于粘接剂的粘接强度[12]。实验条件和实验装置如表1 所示。

表1 粘接强度验证试验条件

3.3 实验过程

（1）制实验样件：将板材均切割成100mm×50mm，选用共制10 组样件；在板材1 上绘制胶线，按尺寸换算到样件为2 道胶条，胶条长度80mm。如图9（a）所示。

图9

（2）用1ml 小针筒抽取胶水，在板材1 上按胶线施胶，控制每组样件的涂胶量均为1ml。如图9（b）所示。

（3）对板材1 和板材2 施加20kg 的砝码进行压合形成复合板材；由于拉力机固定工件的需要，基板与瓷砖错位粘接复合，如图10 所示。

图10 样件压合后形成的复合板材

（4）先将烘房加热至50℃再进行上料，上料时顺序为前后两次上料间隔一层托架。

（5）从烘房中取出样件，静置冷却。上拉力机测试，测试板材1 和板材2 在粘接面上发生剪切滑移错位时拉力的大小，如图11 所示。

图11 拉力机测试剪切力大小

（6）测得10 组拉力数据如表2 所示。

表2 各样件拉力测量值（N）

3.4 实验数据处理与分析

已知各组样件的复合面积为80mm×50mm，根据下列公式计算粘接强度：其中F 为拉力值，S 为复合面积（粘接面积）。计算得各样件粘接强度如表3 所示。

表3 各样件粘接强度（MPa）

绘制粘接强度的散点图如图12 所示，可以观察到，数据点均分布于初固粘接强度1.6MPa 上方，且数据点波动幅度不大。

图12 粘接强度散点图

根据上述数据计算其平均值和标准差如下，可知样件的粘接强度平均值高于初固强度1.6MPa，满足板材复合要求；且方差较小，所测得的样件粘接强度准确度较高[11]。

试验表明：立体循环式烘房在恒温固化温度为50±1℃，恒温固化时间为20±1min 时，所有复合板材样件进行恒温固化后的粘接强度均高于聚氨酯胶水在相同条件下的初固粘接强度1.6 MPa，样件粘接强度平均值为1.7392 MPa，满足该板材粘接复合的强度要求；可知在相同的恒温固化条件下，立体循环式烘房在恒温固化大批量产品时，能够达到小型烘箱固化的效果，功能性良好。

4 结语

（1）设计了一套自动化立体循环式烘房系统，对其机械结构和工作原理进行了详细设计和分析，对其控制系统进行了设计和描述。

（2）运用自动化立体循环式烘房进行板材粘接复合后的恒温固化实验验证，结果为：该烘房系统在设定恒温固化温度50±1℃，恒温固化时间为20±1min 时能够达到板材复合要求的胶水初固粘接强度。烘房对产品的恒温固化效果能够满足生产要求。

（3）该烘房系统通用性强，可用于多种规格板材的恒温固化；较之于室温晾干固化方式，加热恒温固化可大大缩短工序时间；双列循环恒温固化及同步上下料提高工作效率，立体双列式结构节省大量空间；能够实现全自动化工作，可应用于工厂实现自动化生产。