摘要：目前钣料人工去毛刺的方法存在加工效率慢、打磨质量不稳定的缺点，为了解决这个问题，设计了一款自动去毛刺机。该机器依据辊筒输送机的结构进行机械设计，并借助机械传动等基础知识，通过SolidWorks编程软件进行设计。首先，阐述了该设备的设计原理及技术特点；其次，对该设备的机械结构组成进行了介绍；然后建立了PLC控制系统及介绍关键电器元件的作用；最后，在SolidWorks软件上进行测试设备的实际性能，结果表明，自动去毛刺机能够有效地去除钣料上的毛刺，并实现自动化加工的要求。与传统手工去毛刺工艺相比，该设备具有加工效率高、去除毛刺质量稳定等特点，且可以节省劳动力，为企业降低用工成本。
关键词：去毛刺,辊筒输送,机械传动,PLC控制系统,自动化
0引言
在家电行业中，产品上的毛刺是最常见的质量缺陷，用户在使用产品时极易被产品上的毛刺伤害到，造成用户流血的安全事故，所以产品在出厂前必须去毛刺处理。据统计，目前市场上用户对家电产品的毛刺质量缺陷投诉率仍占了20%以上，分析其原因是产品上的毛刺靠人工打磨去除不干净造成的。毛刺是钣材由剪钣机开料时产生的，通常在钣材的分离断面处出现，而去毛刺是指利用器具将钣材利边上的毛刺去除掉，是一种工艺手段，通常在钣材加工的前工序平板阶段进行，因为平板阶段的毛刺是直线的，不存在零件成型后的拐弯和抹角，更容易加工去除干净。
通过对国内外家电企业市场调研，去毛刺方法通常是采用人工手持器具对钣材断面上的毛刺进行磨削，不但加工效率慢，而且打磨质量难以保证，其原因在于员工手持器具时间长，容易疲劳，导致打磨效率低下；再者打磨质量取决于员工的技能及责任心，如经验丰富的老员工比生手新员工的打磨效率及质量要高，因此毛刺质量缺陷仍有20%以上的投诉率。
为解决人工去毛刺效率低下，质量不稳定的问题，本文设计了一种自动去毛刺机，此种设备具有运作高效、加工质量稳定的特点，彻底解放了员工双手，减轻了员工的劳动强度；其次提升了产品的质量，由毛刺引起的投诉率也有望降至2%以内，今后将会替代人工去毛刺的工艺手段，同时还可以被其他行业借鉴，从人工操作时代升级到自动化生产。
1设计原理与技术特点
设计原理主要采用辊筒输送机构来输送钣料，利用PLC控制器，通过电机、链轮、链条和齿轮的传动配合，实现钣料自动化去毛刺的目的。此结构具有输送能力强、运送灵活的特点，可以实现不同规格钣料的输送需求，满足不同场合的使用要求。其主要技术特点如下。
（1）生产效率高
人工打磨和机器生产效率对比：相同条件下，按8 h/天计，相同尺寸1 000 mm×1 000 mm×0.6 mm钣料，人工打磨约完成400件，人均加工效率约50件/h，而使用自动去毛刺设备，则完成了3 000件，人均加工效率达到了375件/h，由此可见，自动去毛刺机的加工效率远高于人工加工效率。
（2）适用性广
在家电产品中，通常有不同尺寸与规格的材料需要加工，尺寸有长的、宽的、厚的及薄的，对目前大部分企业的五金原材料来料尺寸进行了解分析，宽度1 219 mm是最常规的卷料来料宽度，最大尺寸的平板料来料尺寸为2 000 mm×1 219 mm，最小的板料尺寸为400 mm×200 mm，因此设计机架的入料平台及出料平台尺寸为3 000 mm×2 000 mm，对于宽度尺寸200~2 000 mm之间及厚度尺寸0.4~3 mm之间的钣材均能加工，普通的家电制造企业均能使用此款设备，适用性非常广。
（3）打磨质量稳定
以往采用人工打磨毛刺的方式，不同的员工打磨出来的质量不一样，白班与晚班打磨出来的质量也有差异，极易受员工熟悉程度及环境等因素的影响，报废率也一直居高不下，质量很难得到保证。自机器代替人工打磨后，不再受员工技能、环境等因素的影响，使钣料打磨出来的品质上升，解决了人工打磨质量不稳定，产品报废率高的痛点。
（4）安全性高
在安全性方面，对于运动部件，如齿轮、链条、链轮、辊组、磨头等能运动的部件，应加装防护罩，避免员工由于不小心而触碰到运动部件，造成工伤事故。本文为了读者能够清楚地了解去毛刺机的内部构造，均把防护罩去除了，但在实际生产中，防护罩是必不可少的，必须加装上去。
2机械结构组成
2.1基本构成
制造此机构的主要材料有方管、圆管和A3钢板等，将和轴承、弹簧、齿轮、链轮、链条、胶辊、电机、打磨机、内六角螺钉等标准元件组装而成。图1所示为自动去毛刺机整机示意图，其中电机为原动机，固定在机架上，带动链条驱动入料辊组转动，带动入料平台上的钣材经过打磨装置，再由出料辊组将打磨好的钣料输送到出料平台上，完成第一张来料的毛刺打磨工作。机架由方管焊接组装而成，在整机中起着骨架的作用。入料平台和出料平台，都是由众多可以滚动的圆管安装在机架上而组成。实现圆管可以滚动的原理是根据其内孔的直径，两端面焊上与内孔同等直径大小的轴承，再根据轴承内径尺寸选用内六角螺钉的规格，将圆管锁在机架的两块固定板上，圆管的上、下、左、右平移运动被限制了，但能进行360°旋转运动。所有圆管表面需要裹一层胶皮，可以避免圆管表面凸点或毛刺刮花产品表面。此时推动放在入料平台上的钣料移动，被触及的圆管便会滚动起来，同样起到保护被打磨钣料表面外观的作用。考虑到家电制造企业来料尺寸规格多、材料厚度不唯一的状况，灵活运用了可调节装置，如弹簧、螺杆、滑块等元件组合，可以根据不同宽度和厚度的来料尺寸进行调节，以满足加工最大范围内的钣料，以符合众多企业的生产实际情况。
2.2核心机构
图2所示为核心机构组成，分为传动动力组和打磨动力组。传动动力组主要部件由电机、链轮、链条和齿轮组成，其工作传动路径如图2箭头方向所示，首先由安装在电机上的链轮带动链条转动，再由链条带动入料辊组及出料辊组的链轮转动，运动轨迹沿等腰三角形往返运动，实现力的传递。链条由于是金属材质，在长时间转动状态下，造成金属疲劳，引起拉长，长时间就会造成松动。电机的安装固定孔下设有4个弹簧，固定电机的4个螺栓穿过电机的安装孔与弹簧中间孔，将电机安装在机架的底板上。当链条过长时，锁紧电机4个螺栓，可以拉紧链条，通过调节电机的高度，可以解决链条因使用时间长而松动拉伸变长的问题。值得注意的是，机械设计初学者由于经验不足，很容易犯链条与链轮间是固定结构（即链条长度不可调节结构）。打磨机是单独的动力源，磨头装在打磨装置的打磨机上，其旋转的方向根据毛刺在钣料上的位置而定，毛刺朝上，磨头逆时针旋转，若毛刺方向朝下，则顺时针旋转。通过调节打磨装置的调节螺杆来确定磨头的高度，设备操作员根据试机时产品打磨出来的质量来调节磨头高度，以达到钣料最佳的打磨质量，满足产品的要求。
2.3辊组机构
上、下胶辊力的传动采用齿轮啮合传动，具有适应范围大、传递效率高、工作寿命长、传动平稳、可靠性高的优点，能保证瞬时传动比恒定、能实现各种位置要求的两轴传动的特点。辊组的主要作用是带动钣料移动，如图3所示为辊组机构示意图，入料辊组和出料辊组结构相同，都是由上胶辊、下胶辊、固定架、滑块、弹簧和调节螺钉组成。上胶辊左右两端装在配有轴承的滑块上，滑块可以沿固定架的滑槽上下移动，滑块下面装有弹簧，调节螺钉可以调节滑块的高度，从而达到调节上胶辊与下胶辊的间隙，以带动不同料厚钣材的移动。下胶辊左右两端也配有轴承，装在固定架上。上下胶辊结构相似，上胶辊不但可以转动，而且高度可以调节，下胶辊只可以转动，但高度不能调节。入料辊组和出料辊组都作相向转动，当来料碰到入料辊组的入口区域时，会被入料辊组带入，将来料拖至出料辊组的料区域中，再由出料辊组将钣料送到出料平台上，实现钣料移动的目的。
为了保护来料表面的外观不被辊组上的灰尘压花、压伤，需在辊组表面裹胶，裹胶硬度要适中，裹胶硬度数值偏低，裹胶表面会偏软，会造成牵引来料时容易打滑，而裹胶硬度数值过高，裹胶表面会偏硬，此时辊组又容易压伤来料表面，影响产品的外观，造成产品的报废率上升。经实验证明，辊组表面裹胶硬度为邵氏硬度50°~60°最为合适，可以很好地保护钣料表面不被压花。
2.4打磨机构
图4所示为打磨机构示意图，磨头装在打磨机上，而打磨机固定在磨头滑块里，磨头滑块可以在滑块固定架的滑槽里上下移动，滑块调节螺杆可以调节滑块的高度，从而实现调整磨头的高度，以打磨不同厚度钣材的毛刺，在滑块固定架上装有红外感应器，当磨头磨蚀后，红外感应器将信号反馈给PLC控制系统，此时操作面板上的磨头磨蚀红灯将亮时，设备将停止运行，提示工作人员及时调节磨头位置高度。
磨头作为去毛刺机的一个重要元件，其选材方面有着严格的要求，经实践验证，打磨钣料毛刺适宜用软接触打磨的方式，不能选择硬质磨头类型，因为硬质磨头去毛刺时会使钣料端面产生新的毛刺，而选择市面上的千叶轮（布砂轮）作为磨头是一个不错的选择，这种以拍打方式去除毛刺的效果明显，毛刺会被打磨得更干净。
3控制系统设计
本系统在运行过程中，由触摸屏面板输入指令，经PLC核心处理器，磨头电机驱动器控制磨头电机的运转，而变频器将控制辊组电机的转速，从而控制辊组转动的速度，达到用户需求的输料速度，图5为自动去毛刺机控制系统设计流程。
3.1操作面板
操作机面板是设备的重要组成部件，是操作人员与数控机床（系统）进行交互的工具，操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试、对设备参数进行设定和修改，还可以了解、查询设备（系统）的运行状态，是设备特有的一个输入、输出部件。图6所示为本机的操作面板示意图。
3.2 PLC控制器
可编程逻辑控制器（PLC），是一种专门用于工业自动化的电子设备。它通过编写程序，控制和监控生产过程中的各种机械和过程，是设备的核心组成部分，如同人体的大脑，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，从而来控制自动去毛刺机的运作。
3.3变频器
变频器是一种电力电子设备，其作用主要是调整辊组电机的功率，实现辊组电机的变速运行，达到用户需求的输料速度，同时还可以省电和降低电力线路电压的波动，具有调速范围广、控制精度高、能耗低、噪声小、寿命长等优点，可以提高设备的运行效率和生产效益。
3.4辊组电机
辊组电机的主要作用是产生驱动转矩，是辊组运作的动力源。其动力通过链轮与链条的传动，将力矩传至辊组上的齿轮上，再带动上下齿轮的啮合运动，产生上下辊组的相向运动，从而带动钣料直线运动。
3.5磨头电机驱动器
驱动器是一种控制装置，其主要作用是控制磨头电机的运转，实现电机顺时针转动、逆时针转动、加速、减速、停止等功能。它可以根据不同的需求从外部接收控制信号，通过内部的逻辑控制电路，将控制信号转化成电机的驱动信号，同时具备过流、过压、欠压等多种保护功能，能够在电机出现异常时自动切断电源，保护电机及系统安全。
3.6磨头电机
磨头电机的主要作用是为磨头提供动力源，将力矩传递给磨头，从而将经过磨头下的钣料上毛刺打磨干净，属于输出设备。
4测试验证与结果分析
为了进行设备的测试工作，在SolidWorks软件上进行设备的实际性能测试，完成前进、后退、转向等基本功能，模拟钣料在设备上的运动轨迹，确认设计的可行性。图7所示为Solidworks软件测试界面。
在测试过程中，首先打开SolidWorks软件，将钣料放在入料平台上，启动辊组电机及磨头电机，此时辊组及磨头开始工作，移动钣料至入料辊组间的入口区域，钣料将被入料辊组输送至磨头下，磨头将钣料的毛刺打磨干净，再由出料辊组将钣料输送至出料平台上，完成钣料的自动去毛刺的过程。测试结果表明：采用本文设计的自动去毛刺机方案，能较好地去除钣料上的毛刺，具有生产效率高，使用方便的优点。
5结束语
本文以家电行业钣料的毛刺加工手段为研究对象，结合目前生产企业人工打磨毛刺生产效率低、质量不稳定的实际状况，设计了钣材自动去毛刺机，能解决家电产品上由毛刺带来的质量问题，本文的创新主要有如下3点。
（1）在辊筒机的基础上，对其机械结构进行改造，搭建了自动送料平台，植入PLC控制系统，满足高效实用的生产需求，实现了钣材去毛刺由人工操作升级为机器加工的自动化创新。
（2）打磨机构运用螺旋调节滑块高度的结构，并安装红外感应器，提醒操作人员及时调节磨头高度，调节机构具有创新性。
（3）送料的上、下辊组表面均采用裹胶结构，利用滑块及弹簧结构可以进行上、下辊组间隙值调节。胶质辊组具有收缩功能，可以规避因钣材表面有灰尘而压伤钣材的风险，同时通用性强，不挑钣材的厚度，滚筒送料机构具有新颖性。
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