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[中图分类号] TM76
[文献标志码]A
[文章编号]2095-6487 （2021） 02-0053-03
Design and Application Analysis of Automatic Multi-Iayer
Large Material Laying Equipment
He Zhen-dong，Liang Xiao-feng，Zhang Xiao-jun，Wang Liang，Qiu Zeng-shuai
[ Abstract] The existing multi-layer large material laying process， by manual polyester mesh and heat insulation screen according to a certainsize of the material， and then layer by layer Due to the thin thickness， light weight， long size and many layers of polyester mesh and heat insulationscreen， the artificial laying process is complex， difficult and inefficienr. Therefore， the existing manual laying process needs to be upgraded to automaticimplementation. This paper summarizes the design process of automatic multi-layer laying equipment and analyzes the practical application of automaticmulti-layer laying equipment
[ Keywords] automation; mulrilayer laying; design; application analysis
隨着小卫星的快速发展，每年处于总装阶段的型号数量快速增长，而传统多层人料的铺设需占据人量人力和操作场地，生产效率低下。一块15单元多层大料（1200 mm×2300 mm）敷设时间为4人4h。在小卫星总装任务逐年增多的情况下，多层人料敷设占据人量人力，无法适应当今商业卫星短周期、低成本的发展趋势。因此亟需研制自动化多层人料铺设装备，以提高多层人料铺设效率和质量。为此，本文设计的自动化多层铺设装备，由多层卷料自动铺设机构，卷料固定保持架，连接架，电控柜组成;对自动化多层铺设装备进行实际生产应用分析。
①对多层人料的结构组成、成品规格尺寸、原材料规格尺寸进行分析;②进行设备原理设计，构型的3D设计;③存放空间最小化设计;④对自动化多层铺设装备在实际生产中的应进行分析。
卫星多层隔热组件大料主要包括底膜（18 /um双而镀铝聚酯膜）、间隔层（涤纶网）和反射屏（6lum双而镀铝聚酯膜）组成。
多层大料规格包括厚度规格和外形尺寸规格。
多层大料的厚度规格包括5单元、10单元、15单元、20单元、30单元筹，多层隔热组件“单元”指一层反射屏（6rum双而镀铝聚酯膜）和一层间隔层（涤纶网）的组合体，具体厚度规格由总体热控设计提出。
多层大料的外形尺寸规格人小主要取决于原材料的尺寸规格。在原材料尺寸规格满足的条件下，多层人料的外形尺寸规格应尽量与多层隔热组件制作平台尺寸相同（下台尺寸多层大料成品尺寸：2400 mm×3600 mm）。这样就可以满足小卫晕多层隔热组件制作，并且不同人小尺寸的多层隔热组件可以搭配制作，节省材料。
反射屏和间隔层坯料为卷料形式，具体尺寸如下。
6rum（18 um）双而镀铝聚酯膜坯料：1200 mm（宽）和1600mm（宽）。
6rum （18rum）双而镀铝聚酯膜坯料料筒尺寸：中75mm×（1200～1240） mm和q）75 mm×（1600～1640）.
涤纶网坯料：1800mm（宽）。
涤纶网坯料料筒尺寸：q）90mm（内径）×1900～2000 mm。
由1.2节得知多层人料由一层底膜（18 um双面镀铝聚酯膜）、规定层数的间隔层（涤纶网）和反射屏（6 um双面镀铝聚酯膜）组成，第一层或最后一层应为底膜。为实现高效自动铺设，整个铺设过程应连续史施，并尽量减少人工参与，节省人力资源。
2.2.1 方案一
方案中重要功能部件包括卷料铺设筒、反射屏原料支架、间隔层原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先将反射屏、间隔层和底膜统一固定在胶卷料铺设筒上;旋转卷料铺设筒一剧，剪断底膜;按照铺设多层人料的厚度规格（单元数）旋转卷料铺设筒;最后沿卷料铺设筒的轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。
2.2.2 方案二
方案中重要功能部件包括卷料铺设架、反射屏原料支架、间隔层原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先将反射屏、间隔层固定在卷料铺设架上;按照铺设多层人料的厚度规格（单元数）旋转卷料铺设架，剪断反射屏和间隔层;单独将底膜固定到卷好的反射屏与间隔上，旋转卷料铺设架一蒯;最后沿卷料铺设架的旋转轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。 2.2.3 方案三
方案中重要功能部件包括卷料铺设架、反射屏原料支架、间隔层原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先将反射屏、间隔层和底膜统一固定在胶卷料铺设架上;旋转卷料铺设架一剧，剪断底膜;按照铺设多层人料的厚度规格（单元数）旋转卷料铺设架;最后沿卷料铺设架的旋转轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。
由2.2得知方案一与方案二、方案三主要区别在于卷料铺设部件的形式不同，方案一为筒状结构，方案二和方案三为矩形框架结构。方案一多层人料铺设后，大料每层的弯曲半径都有很人不同，大料展开后，最内层材料会比最外层材料短很多，且大料容易更容易褶皱。而方案二和方案三多层人料铺设后，大料每层的弯曲半径不同土要集中在一点，大料展开后，最内层材料与最外层材料长度差距不明显，且不易褶皱。因此，方案一不优先选择。
由2.2.2、2..2.3得知方案二与方案三，主要区别在于原材料支架排列顺序不同;多层人料铺设过程中，方案二相比方案三多一次原材料与卷料铺设架的固定。方案三的铺设工序更为简单。
因此，方案三为最佳方案。
自动化多层人料铺设装备的构型由多层卷料铺设机构，卷料固定保持架，連接架和电控柜组成。多层卷料自动铺设机构通过精密控制的交流伺服电机带动卷料驱动架实现卷料，卷料驱动架上有方便易操作的固定装置实现卷料固定。卷料固定保持架通过磁粉制动器精密控制卷料进给力矩。为缩减工装存放尺寸，多层卷料铺设机构和卷料固定保持架两部分可作为模块单独存放，当需要使用设备时通过连接架将两部分固定连接。当两部分单独存放时，保持架通过折页与多层卷料铺设机构固定在一起。
3.2.1 多层卷料铺设机构
多层卷料铺设机构包括卷料驱动架、交流伺服电机、电机减速机、底部固定架。伺服电机带刹车，保证覆膜完成后转并保持位置。
卷料驱动架在伺服电机和减速的带动下，进行回转，完成薄膜覆膜功能，电机转速可调，磁粉制动器反馈力矩，实现恒力矩覆膜。底部固定架1和底部固定架2可拆解，通过螺栓连接。卷料驱动架包括卷料驱动架体、卷料固定机构等。卷料驱动架满足薄膜实现1200 -1600 mm宽度的覆膜。卷料驱动架长1800 mm、宽1750 mm。
3.2.2 卷料固定保持架
卷料固定保持架包括卷料导向辊、6 um料辊、18 um料辊、涤纶网料辊、磁粉制动器、料辊固定端、固定架、手轮、张力榆测辊、导向辊等。
备料辊通过锥形定位块定位在轴上，在多层卷料铺设机构的带动下，随动完成放料，其中6 um料辊和18 um料辊通过磁粉制动器控制回转力矩，实现恒力矩覆膜。锥形块定位实现料辊长度可调，调节范围1200～1600 mm。
涤纶网料通过张力检测辊装置，张力检测辊前后备安装一套导向辊，保证涤纶网料一直覆在张力检测辊上，张力检测辊带有内部测量系统，可以测量棍上的牵引方向的张力。
张力检测辊具有安全过载功能，具有永久润滑轴承，精密动甲衡设计。张力检测辊检测到张力变化，反馈控制交流伺服电机进行张力调节，决定交流伺服电机提供张紧力还是提供进给力。
磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，激磁电流和传递转矩成近似线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用途、性能优越的自动控制元件。
料辊固定锁紧通过手拧螺钉拧紧，并在回转轴端部安装手轮，方便收料。
通过导向辊调节机构实现导向辊间距调节。导向辊由固定导向辊和可调导向辊组成，固定导向辊位置固定，可调导向辊通过导向辊调节机构调节位置。
导向辊调节机构包括固定座、移动板、导向杆、丝杠、手轮等。I作原理：通过旋转手轮，丝杠升降，带动移动板和导向辊升降，从而调节导向辊之间的间距。
3.2.3 连接架
连接架用于连接多层卷料铺设机构和卷料固定保持架，设备使用时，连接架从卷料铺设机构通过合页展开，通过螺钉和销钉固定到卷料固定保持架的架体上。连接架长度1500 mm，宽度2000 mm。焊接钢管选择40 mm×40 mm×4mm规格。
3.2.4 电控柜
控制柜包括PLC、伺服电机驱动器、电器元件、HMI触控屏、急停开关、启停按钮、暂停按钮以及运行状态指示灯。
PLC作为控制器进行指令分配，根据磁粉制动器反馈控制伺服电机驱动器，调节电机输出力矩。所有参数设置通过HMI触控屏实现人机交互操作。现场触摸屏可进行工艺运行、工艺暂停、故障复位、手自动模式切换和紧急停lJ.等操作。4应用分析4.1铺设效率
现有多层人料铺设工艺，由人工将涤纶网和隔热屏按一定尺寸下料，然后在操作平台上一层层铺设压下。下料时3种材料需分别完成下料，并且下料和铺设过程均需要要统计层数。需4名工人协同完成，以15单元多层人料为例，从下料到多层人料铺设完毕，需4人4h才能完成。
自动化多层人料铺设装备工作时不需要下料，只需将原材料与卷料架固定;然屙根据多层厚度规格，控制卷料架完成指定圈数的旋转;最后沿卷料铺设架的旋转轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。以15单元多层人料为例，自动化多层铺设装备中速工作时（ 10 r/min），铺设时间为1.5min，上料和裁剪时间需lOmin。1人11.5min即可完成15单元多层人料铺设。
自动化多层人料铺设装备铺设效率远超人工铺设效率，节省了人量人工;同时多层人料铺设工作不再需要占用操作平台，操作下台可优先其它工作使用。
人工铺设多层人料时需一层层铺设对齐压甲，涤纶网和隔热膜厚度薄、重量轻、尺寸长、层数多，使人工铺设工艺复杂、难度人;铺设质量受工人操作熟练度，配合默契度影响，铺设后需人工修边处理，或多或少会浪费原材料。
自动化多层人料铺设装备在设计时对卷料架平面度，多层卷料自动铺设机构和卷料固定保持架平行度和位置度均提出合理的要求，原材料料卷可与卷料固定保持架可靠固定。因此，自动化多层人料铺设装备的铺设质量更加平整稳定，铺设后不需修边处理，不存在原材料浪费。
本文针对多层人料铺设任务需求，进行了自动化多层人料铺设装备的设计研究和应用分析。根据人料铺设生产工艺，提出一种自动化多层人料铺设装备，进行了原理设计分析、机械设计和应用分析。相比人工多层人料铺设，自动化多层人料铺设设备人幅提高生产效率，减少人员操作，提高了产品质量，减少原料浪费，为后续小卫星多层隔热组件自动化生产奠定一定的基础。
参考文献
[1]王俊机械自动化控制中PLC技术的应用研究[J]南方农机，2019， 50 （18）：185-185[2]潘尚洁，王哲，傅浩，等卫星多层隔热组件批生产管理系统设计与实现[J]航天工业管理，2017 （7）：12-16
[文献标志码]A
[文章编号]2095-6487 （2021） 02-0053-03
Design and Application Analysis of Automatic Multi-Iayer
Large Material Laying Equipment
He Zhen-dong，Liang Xiao-feng，Zhang Xiao-jun，Wang Liang，Qiu Zeng-shuai
[ Abstract] The existing multi-layer large material laying process， by manual polyester mesh and heat insulation screen according to a certainsize of the material， and then layer by layer Due to the thin thickness， light weight， long size and many layers of polyester mesh and heat insulationscreen， the artificial laying process is complex， difficult and inefficienr. Therefore， the existing manual laying process needs to be upgraded to automaticimplementation. This paper summarizes the design process of automatic multi-layer laying equipment and analyzes the practical application of automaticmulti-layer laying equipment
[ Keywords] automation; mulrilayer laying; design; application analysis
隨着小卫星的快速发展，每年处于总装阶段的型号数量快速增长，而传统多层人料的铺设需占据人量人力和操作场地，生产效率低下。一块15单元多层大料（1200 mm×2300 mm）敷设时间为4人4h。在小卫星总装任务逐年增多的情况下，多层人料敷设占据人量人力，无法适应当今商业卫星短周期、低成本的发展趋势。因此亟需研制自动化多层人料铺设装备，以提高多层人料铺设效率和质量。为此，本文设计的自动化多层铺设装备，由多层卷料自动铺设机构，卷料固定保持架，连接架，电控柜组成;对自动化多层铺设装备进行实际生产应用分析。
①对多层人料的结构组成、成品规格尺寸、原材料规格尺寸进行分析;②进行设备原理设计，构型的3D设计;③存放空间最小化设计;④对自动化多层铺设装备在实际生产中的应进行分析。
1 多层大料成品及原材料规格尺寸分析
1.1 多层大料规格尺寸
卫星多层隔热组件大料主要包括底膜（18 /um双而镀铝聚酯膜）、间隔层（涤纶网）和反射屏（6lum双而镀铝聚酯膜）组成。
多层大料规格包括厚度规格和外形尺寸规格。
多层大料的厚度规格包括5单元、10单元、15单元、20单元、30单元筹，多层隔热组件“单元”指一层反射屏（6rum双而镀铝聚酯膜）和一层间隔层（涤纶网）的组合体，具体厚度规格由总体热控设计提出。
多层大料的外形尺寸规格人小主要取决于原材料的尺寸规格。在原材料尺寸规格满足的条件下，多层人料的外形尺寸规格应尽量与多层隔热组件制作平台尺寸相同（下台尺寸多层大料成品尺寸：2400 mm×3600 mm）。这样就可以满足小卫晕多层隔热组件制作，并且不同人小尺寸的多层隔热组件可以搭配制作，节省材料。
1.2 原材料规格尺寸
反射屏和间隔层坯料为卷料形式，具体尺寸如下。
6rum（18 um）双而镀铝聚酯膜坯料：1200 mm（宽）和1600mm（宽）。
6rum （18rum）双而镀铝聚酯膜坯料料筒尺寸：中75mm×（1200～1240） mm和q）75 mm×（1600～1640）.
涤纶网坯料：1800mm（宽）。
涤纶网坯料料筒尺寸：q）90mm（内径）×1900～2000 mm。
2 原理设计
2.1 设计原则
由1.2节得知多层人料由一层底膜（18 um双面镀铝聚酯膜）、规定层数的间隔层（涤纶网）和反射屏（6 um双面镀铝聚酯膜）组成，第一层或最后一层应为底膜。为实现高效自动铺设，整个铺设过程应连续史施，并尽量减少人工参与，节省人力资源。
2.2 原理方案设计
2.2.1 方案一
方案中重要功能部件包括卷料铺设筒、反射屏原料支架、间隔层原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先将反射屏、间隔层和底膜统一固定在胶卷料铺设筒上;旋转卷料铺设筒一剧，剪断底膜;按照铺设多层人料的厚度规格（单元数）旋转卷料铺设筒;最后沿卷料铺设筒的轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。
2.2.2 方案二
方案中重要功能部件包括卷料铺设架、反射屏原料支架、间隔层原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先将反射屏、间隔层固定在卷料铺设架上;按照铺设多层人料的厚度规格（单元数）旋转卷料铺设架，剪断反射屏和间隔层;单独将底膜固定到卷好的反射屏与间隔上，旋转卷料铺设架一蒯;最后沿卷料铺设架的旋转轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。 2.2.3 方案三
方案中重要功能部件包括卷料铺设架、反射屏原料支架、间隔层原料支架和底膜原料支架。工作原理：首先将反射屏、间隔层和底膜统一固定在胶卷料铺设架上;旋转卷料铺设架一剧，剪断底膜;按照铺设多层人料的厚度规格（单元数）旋转卷料铺设架;最后沿卷料铺设架的旋转轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。
2.3 方案分析与选择
由2.2得知方案一与方案二、方案三主要区别在于卷料铺设部件的形式不同，方案一为筒状结构，方案二和方案三为矩形框架结构。方案一多层人料铺设后，大料每层的弯曲半径都有很人不同，大料展开后，最内层材料会比最外层材料短很多，且大料容易更容易褶皱。而方案二和方案三多层人料铺设后，大料每层的弯曲半径不同土要集中在一点，大料展开后，最内层材料与最外层材料长度差距不明显，且不易褶皱。因此，方案一不优先选择。
由2.2.2、2..2.3得知方案二与方案三，主要区别在于原材料支架排列顺序不同;多层人料铺设过程中，方案二相比方案三多一次原材料与卷料铺设架的固定。方案三的铺设工序更为简单。
因此，方案三为最佳方案。
3 机械设计
3.1 构型设计
自动化多层人料铺设装备的构型由多层卷料铺设机构，卷料固定保持架，連接架和电控柜组成。多层卷料自动铺设机构通过精密控制的交流伺服电机带动卷料驱动架实现卷料，卷料驱动架上有方便易操作的固定装置实现卷料固定。卷料固定保持架通过磁粉制动器精密控制卷料进给力矩。为缩减工装存放尺寸，多层卷料铺设机构和卷料固定保持架两部分可作为模块单独存放，当需要使用设备时通过连接架将两部分固定连接。当两部分单独存放时，保持架通过折页与多层卷料铺设机构固定在一起。
3.2 详细设计
3.2.1 多层卷料铺设机构
多层卷料铺设机构包括卷料驱动架、交流伺服电机、电机减速机、底部固定架。伺服电机带刹车，保证覆膜完成后转并保持位置。
卷料驱动架在伺服电机和减速的带动下，进行回转，完成薄膜覆膜功能，电机转速可调，磁粉制动器反馈力矩，实现恒力矩覆膜。底部固定架1和底部固定架2可拆解，通过螺栓连接。卷料驱动架包括卷料驱动架体、卷料固定机构等。卷料驱动架满足薄膜实现1200 -1600 mm宽度的覆膜。卷料驱动架长1800 mm、宽1750 mm。
3.2.2 卷料固定保持架
卷料固定保持架包括卷料导向辊、6 um料辊、18 um料辊、涤纶网料辊、磁粉制动器、料辊固定端、固定架、手轮、张力榆测辊、导向辊等。
备料辊通过锥形定位块定位在轴上，在多层卷料铺设机构的带动下，随动完成放料，其中6 um料辊和18 um料辊通过磁粉制动器控制回转力矩，实现恒力矩覆膜。锥形块定位实现料辊长度可调，调节范围1200～1600 mm。
涤纶网料通过张力检测辊装置，张力检测辊前后备安装一套导向辊，保证涤纶网料一直覆在张力检测辊上，张力检测辊带有内部测量系统，可以测量棍上的牵引方向的张力。
张力检测辊具有安全过载功能，具有永久润滑轴承，精密动甲衡设计。张力检测辊检测到张力变化，反馈控制交流伺服电机进行张力调节，决定交流伺服电机提供张紧力还是提供进给力。
磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，激磁电流和传递转矩成近似线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用途、性能优越的自动控制元件。
料辊固定锁紧通过手拧螺钉拧紧，并在回转轴端部安装手轮，方便收料。
通过导向辊调节机构实现导向辊间距调节。导向辊由固定导向辊和可调导向辊组成，固定导向辊位置固定，可调导向辊通过导向辊调节机构调节位置。
导向辊调节机构包括固定座、移动板、导向杆、丝杠、手轮等。I作原理：通过旋转手轮，丝杠升降，带动移动板和导向辊升降，从而调节导向辊之间的间距。
3.2.3 连接架
连接架用于连接多层卷料铺设机构和卷料固定保持架，设备使用时，连接架从卷料铺设机构通过合页展开，通过螺钉和销钉固定到卷料固定保持架的架体上。连接架长度1500 mm，宽度2000 mm。焊接钢管选择40 mm×40 mm×4mm规格。
3.2.4 电控柜
控制柜包括PLC、伺服电机驱动器、电器元件、HMI触控屏、急停开关、启停按钮、暂停按钮以及运行状态指示灯。
PLC作为控制器进行指令分配，根据磁粉制动器反馈控制伺服电机驱动器，调节电机输出力矩。所有参数设置通过HMI触控屏实现人机交互操作。现场触摸屏可进行工艺运行、工艺暂停、故障复位、手自动模式切换和紧急停lJ.等操作。4应用分析4.1铺设效率
现有多层人料铺设工艺，由人工将涤纶网和隔热屏按一定尺寸下料，然后在操作平台上一层层铺设压下。下料时3种材料需分别完成下料，并且下料和铺设过程均需要要统计层数。需4名工人协同完成，以15单元多层人料为例，从下料到多层人料铺设完毕，需4人4h才能完成。
自动化多层人料铺设装备工作时不需要下料，只需将原材料与卷料架固定;然屙根据多层厚度规格，控制卷料架完成指定圈数的旋转;最后沿卷料铺设架的旋转轴线将卷好的原材料从最内层至最外层裁剪，即完成多层人料铺设。以15单元多层人料为例，自动化多层铺设装备中速工作时（ 10 r/min），铺设时间为1.5min，上料和裁剪时间需lOmin。1人11.5min即可完成15单元多层人料铺设。
自动化多层人料铺设装备铺设效率远超人工铺设效率，节省了人量人工;同时多层人料铺设工作不再需要占用操作平台，操作下台可优先其它工作使用。
4.2 铺设质量
人工铺设多层人料时需一层层铺设对齐压甲，涤纶网和隔热膜厚度薄、重量轻、尺寸长、层数多，使人工铺设工艺复杂、难度人;铺设质量受工人操作熟练度，配合默契度影响，铺设后需人工修边处理，或多或少会浪费原材料。
自动化多层人料铺设装备在设计时对卷料架平面度，多层卷料自动铺设机构和卷料固定保持架平行度和位置度均提出合理的要求，原材料料卷可与卷料固定保持架可靠固定。因此，自动化多层人料铺设装备的铺设质量更加平整稳定，铺设后不需修边处理，不存在原材料浪费。
5 结束语
本文针对多层人料铺设任务需求，进行了自动化多层人料铺设装备的设计研究和应用分析。根据人料铺设生产工艺，提出一种自动化多层人料铺设装备，进行了原理设计分析、机械设计和应用分析。相比人工多层人料铺设，自动化多层人料铺设设备人幅提高生产效率，减少人员操作，提高了产品质量，减少原料浪费，为后续小卫星多层隔热组件自动化生产奠定一定的基础。
参考文献
[1]王俊机械自动化控制中PLC技术的应用研究[J]南方农机，2019， 50 （18）：185-185[2]潘尚洁，王哲，傅浩，等卫星多层隔热组件批生产管理系统设计与实现[J]航天工业管理，2017 （7）：12-16