張 馳， 王亦博， 宋智翔， 劉騰達(dá)， 李 茁， 李曉利

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

0 引言

在當(dāng)今激烈的世界性產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)下，由于自動(dòng)化、半自動(dòng)化在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的不斷深入，生產(chǎn)線上的裝配、檢查、計(jì)數(shù)的自動(dòng)化成為重要研究課題［1-2］。自動(dòng)送料裝置作為生產(chǎn)線一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，其輸送流程和效率在很大程度上決定了整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)程序的優(yōu)劣［3］，因此對(duì)其結(jié)構(gòu)、噪音、輸送精度及控制難易程度等方面提出了較高要求，特別體現(xiàn)在機(jī)械制造行業(yè)的自動(dòng)加工及自動(dòng)裝配過(guò)程中［4］。工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向是產(chǎn)品愈來(lái)愈趨于向微小、精密方向發(fā)展，對(duì)自動(dòng)送料裝置也提出了更高、更新的要求。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)是一種施壓促動(dòng)的快速轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)間距比較小，故名微動(dòng)開(kāi)關(guān)。微動(dòng)開(kāi)關(guān)在需頻繁換接電路的設(shè)備中進(jìn)行自動(dòng)控制及安全保護(hù)等，廣泛應(yīng)用在電子設(shè)備、儀器儀表、礦山、電力系統(tǒng)、家用電器、電器設(shè)備，以及航天、航空、艦船、導(dǎo)彈、坦克等軍事領(lǐng)域［5］。

本文依托大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施［6-7］，設(shè)計(jì)了一種微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選定向排序裝置及其控制方法。微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件自動(dòng)選料與排序器為一種在對(duì)開(kāi)關(guān)安裝前對(duì)原料進(jìn)行篩選和排序的設(shè)備，即大量的堆積的微動(dòng)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)排序裝置后全部按一個(gè)狀態(tài)和方向排序，便于后續(xù)機(jī)械手的抓取，目的是為全自動(dòng)加工做好準(zhǔn)備，提高整個(gè)流水線的生產(chǎn)效率。微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的自動(dòng)選料與排序器自動(dòng)定向排序裝置由PLC控制，分為工作區(qū)和控制區(qū)兩部分，中間通過(guò)廠房局域網(wǎng)相連。通過(guò)對(duì)振動(dòng)頻率和振幅，溝槽深度和角度等的設(shè)計(jì)，多種手段并用達(dá)到對(duì)零件原料篩選和排序的目的。

1 微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選定向排序裝置設(shè)計(jì)要求

本文研究的微動(dòng)開(kāi)關(guān)如圖1所示，大小為10 mm×6 mm×3 mm。該種微動(dòng)開(kāi)關(guān)體積小、質(zhì)量輕，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)帶有倒鉤的支腳，并向外形成一定的角度，安裝是將2個(gè)支腳分別安裝到電路板上的孔中，依靠支腳上的倒鉤和其向外的角度固定在電路板上。

圖1 微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的結(jié)構(gòu)示意圖

零件定向排序是指料斗中對(duì)任意放置的零件以正確的方法和姿態(tài)進(jìn)入組裝位置，使散亂的工件實(shí)現(xiàn)定向排列［3，8-9］。常用的方法有斜面剔除法、缺口剔除法、擋板剔除法和拱橋剔除法等。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選定向排序裝置目的是將大量的堆積的微動(dòng)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)排序裝置后全部按一個(gè)狀態(tài)和方向排序(分為“縱向、平式和左式”或“縱向、平式和右式”兩種，可任選其一。見(jiàn)圖2)，便于后續(xù)機(jī)械手的抓取。基于微動(dòng)開(kāi)關(guān)的復(fù)雜的空間幾何形狀，給振動(dòng)篩選增加了難度，所以需要采用擋板、槽口、豁口、斜坡等裝置綜合利用設(shè)計(jì)來(lái)完成進(jìn)行定向。不完全定向的微動(dòng)開(kāi)關(guān)剔除傳送回分料器，而完全定向后的微動(dòng)開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)直線送料器輸送進(jìn)入裝配工位。

圖2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)排序示意圖

2 微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選排序裝置設(shè)計(jì)

2．1 設(shè)計(jì)原理

本裝置是基于PLC的步進(jìn)振動(dòng)選料系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。振動(dòng)選料器是通過(guò)電磁振動(dòng)等進(jìn)行物料選擇的一種高效的供料裝置，同其他供料裝置相比其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量消耗小，工作平穩(wěn)可靠，通用性好，具有優(yōu)良的整列特性，在整列過(guò)程中可以利用擋板、缺口或偏重等方法對(duì)工件進(jìn)行定向整理、分離篩選后供料［1，10］。

2．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)若干種排序機(jī)構(gòu)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研制出一種微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選定向排序機(jī)構(gòu)，如圖3所示，包括分料器、排序器、底座和振動(dòng)控制部件。底座采用整體底座，設(shè)有減震裝置、傳動(dòng)裝置和支撐機(jī)構(gòu)，分料器、排序器分別順序固定在底座的支撐機(jī)構(gòu)上，減震裝置為底座進(jìn)行減震。傳動(dòng)裝置分別將從立式排除裝置的出口1和支腿排除裝置的出口2排除的零件重新輸送回分料器，并將排序后的微動(dòng)開(kāi)關(guān)從最終零件出口輸送到機(jī)械手抓取部位。其中排序器滑道平面與水平面的夾角為θ;零件出口1下排序器所在平面向單側(cè)傾斜一定角度α，且傾斜方向與支腿排除裝置的出口2方向一致。

圖3 微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選排序裝置部分示意圖

為了解決加料過(guò)多造成堆積堵塞和微動(dòng)開(kāi)關(guān)互相纏繞的問(wèn)題，將分料器設(shè)計(jì)為上、下兩層結(jié)構(gòu)，上層用于接收微動(dòng)開(kāi)關(guān)，連接在支撐機(jī)構(gòu)上，開(kāi)有至少一個(gè)零件分離孔，零件分離孔的大小允許單個(gè)或2或3個(gè)簡(jiǎn)單堆積的微動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)，微動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)零件分離孔后，落到下層。下層一端連接排序器，底部連接振動(dòng)部件，振動(dòng)部件產(chǎn)生振動(dòng)，將微動(dòng)開(kāi)關(guān)分散，分散后的微動(dòng)開(kāi)關(guān)順序進(jìn)入排序器。

排序器包括滑道、縱向排列裝置、立式排除裝置、支腿排除裝置和輸出裝置。滑道為光滑表面，縱向排列裝置、立式排除裝置、支腿排除裝置分別依次按順序安裝在滑道上。

縱向排列裝置為一個(gè)梯形槽，分料器輸送的微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)入縱向排列裝置的入口，通過(guò)滑道，輸出至縱向排列裝置的出口，通過(guò)入口與出口的大小，將微動(dòng)開(kāi)關(guān)可能存在的橫向傳輸形式變?yōu)榭v向傳輸形式。

縱向傳輸?shù)奈?dòng)開(kāi)關(guān)繼續(xù)通過(guò)滑道輸出至立式排除裝置(圖4(a))。立式排除裝置為一長(zhǎng)方形槽，入口處扣有形狀為三角形的上蓋，立式排除裝置槽的一側(cè)設(shè)有出口，立式排除裝置槽寬與縱向排列裝置出口槽寬大小相同，立式排除裝置將“立式輸出”的微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件從出口刪除，只保留“平式輸出”的微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件，同時(shí)保持縱向的有序狀態(tài)，被刪除的微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件從出口通過(guò)傳送裝置送回到分料器的上層重新篩選。

圖4 排序器結(jié)構(gòu)示意圖

立式排除裝置保留的微動(dòng)開(kāi)關(guān)繼續(xù)通過(guò)滑道傳輸至支腿排除裝置(圖4(b))。支腿排除裝置入口的槽寬和槽高與立式排除裝置出口大小相同，直接銜接，支腿排除裝置槽的一側(cè)設(shè)有開(kāi)口鉤形結(jié)構(gòu)，支腿排除裝置槽的另一側(cè)設(shè)有出口;支腿排除裝置將支腳位于面向開(kāi)口鉤形結(jié)構(gòu)一側(cè)的微動(dòng)開(kāi)關(guān)去掉，即去掉微動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的支腿在左側(cè)或右側(cè)的零件，同時(shí)保持縱向和平式的有序狀態(tài)，去掉的零件從支腿排除裝置的出口處送回分料器的上層重新篩選。保留的微動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)滑道輸出至輸出裝置。

通過(guò)輸出裝置的微動(dòng)開(kāi)關(guān)按照固定的排序輸出至步進(jìn)電機(jī)控制的傳送帶上，傳送帶上有與微動(dòng)開(kāi)關(guān)尺寸相符合的小室，當(dāng)零件落入一個(gè)正在處于待命狀態(tài)的小室后，觸發(fā)光電傳感器使步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)到機(jī)械手抓取部位，由機(jī)械手抓取安裝在電動(dòng)開(kāi)關(guān)上。

2．3 相關(guān)尺寸確定

排序滑道傾斜角度的大小決定了從出料口落下的微動(dòng)開(kāi)關(guān)能否沿排序器順利地按縱向平式排列，并沿滑道順利進(jìn)入立式排除裝置［11］。從理論上對(duì)排序器滑道上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)進(jìn)行受力分析，見(jiàn)圖5。

設(shè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)與滑道接觸面的摩擦系數(shù)為f，滑道與水平面的夾角為θ，微動(dòng)開(kāi)關(guān)在勻速下滑時(shí)其力平衡關(guān)系為［12］

可得:

式中:G表示微動(dòng)開(kāi)關(guān)的質(zhì)量;Ff表示接觸面的摩擦阻力;N為接觸面的法向支撐力。從式(2)可得出排序滑道與水平面夾角θ的大小只與接觸面的摩擦系數(shù)f有關(guān)，但考慮到微動(dòng)開(kāi)關(guān)排序時(shí)有平式和立式兩種可能，所以應(yīng)取θ≥arctan f，為使零件滑下速度加快可以適當(dāng)加大θ值。

圖5 排序器滑道與θ和α關(guān)系示意圖

微動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)滑道進(jìn)入支腿排序裝置后，滑道在保持θ不變條件下，向零件出口2的方向有一個(gè)微小的傾斜角度α，目的是使沒(méi)有被鉤住的微動(dòng)開(kāi)關(guān)受到偏重力作用，從出口2排除(見(jiàn)圖5)。其力平衡關(guān)系與上述方程類似。傾斜角度α的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)θ計(jì)算過(guò)程。同時(shí)，因?yàn)棣翞閭?cè)向傾斜角度值用以排除無(wú)用姿態(tài)零件，并且裝置有震動(dòng)機(jī)構(gòu)為零件提供前進(jìn)動(dòng)力，所以 α=arctan f或 α=arctan f+2°。

關(guān)于支腿排除裝置的傾斜方向，一種情況是，排序器的底座是向左側(cè)傾斜的，此時(shí)，支腿排除裝置的開(kāi)口鉤形結(jié)構(gòu)在右側(cè)，因此會(huì)保留“右”式零件，去除“左”式排列的零件;另一種情況是排序器的底座向右側(cè)傾斜，支腿排除裝置的開(kāi)口鉤形結(jié)構(gòu)在左側(cè)，因此將保留“左”式排列的零件，去除“右”式排列的零件。

縱向排列裝置的梯形槽的橫截面是等腰梯形，根據(jù)零件大小和試驗(yàn)結(jié)果，入口寬度限定為10～15 mm，出口寬度限定為6～8 mm，梯形槽出口的寬度與后續(xù)滑道的寬度相等，且比微動(dòng)開(kāi)關(guān)的寬度大1～2 mm，使微動(dòng)開(kāi)關(guān)只能按縱向沿滑道落下。為了排除立式的零件和支腿反向的零件，根據(jù)零件的大小和試驗(yàn)結(jié)果，三角形上蓋到槽底內(nèi)側(cè)高度限定為4～5 mm，開(kāi)口鉤形結(jié)構(gòu)距離槽底1～2．5 mm，距固定側(cè)距離為2～4 mm。

2．4 PLC控制系統(tǒng)

微動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)篩選排序裝置的控制系統(tǒng)采用PLC控制器(見(jiàn)圖6)。PLC工作可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，使用、維護(hù)方便，使它在目前的流水線自動(dòng)分選系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［2，13-14］。

圖6 控制系統(tǒng)的組成

2．5 仿真及設(shè)計(jì)效果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證此裝置的設(shè)計(jì)效果，以各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸為準(zhǔn)，制作樣機(jī)，底座采用塑料模具拼接而成。偏心電機(jī)提供振動(dòng)。利用樣機(jī)進(jìn)行排序效果檢驗(yàn)，其排序效果符合預(yù)定的設(shè)計(jì)，且行駛平穩(wěn)。自動(dòng)定向排序策略的選擇和裝置參數(shù)的優(yōu)化［15-16］還有待于進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語(yǔ)

本裝置的主要優(yōu)點(diǎn)有:設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，設(shè)備造價(jià)低，有利于工業(yè)化應(yīng)用;擴(kuò)展性好，與其他生產(chǎn)步驟具有兼容性，易于后續(xù)機(jī)械手的抓取與安裝;單人即可操作，節(jié)約了人力，提高了生產(chǎn)效率;占地面積小，適用于擁擠的生產(chǎn)場(chǎng)所，有利于在已有的環(huán)境下的改裝;可同時(shí)配置多條流水線。利用本裝置可以減少工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

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