潘強強，魏 靜，程永勝

(太原風華信息裝備股份有限公司，山西 太原 030024)

在皮帶式的生產(chǎn)流水線中，流水線的前端和末端需要上料和下料。在由手動流水線向自動、半自動線轉(zhuǎn)變的過程中，人工上料常常不能滿足線上機器的取料精度和速度的需求，造成定位報警。托盤式自動上料機是針對托盤式物料存儲、搬運方式而研發(fā)的設備，該機上料位置的準確，可在整個自動線不停機的狀態(tài)下裝卸料盤，可滿足一般自動和半自動流水線的需求。

1 機械結(jié)構(gòu)和初步氣路設計

料盤疊放入上料舉升平臺后，點擊開始工作，上料機將料盤中物料逐個取出放置在上料皮帶上。

料盤取空后，放入空料盤堆疊中，直到空料盤倉滿后通知上料員取走空料盤并添加新料。

1.1 機械結(jié)構(gòu)及動作分析

如圖1所示，裝料盤吸爪要在3個工作位置停止，從上到下依次為：料爪抬起位置（氣缸原點）（1）；移動工作載臺位置（2）；料盤疊放處取料盤位置（3）。卸料盤吸爪對應上料盤吸爪，同樣有3個位置，在圖中為（4、5、6）。

圖1 裝卸料盤工作原理

在x 向可移動機械臂上并列安裝兩個取料機械爪，分別是爪1 氣缸和爪2 由氣缸驅(qū)動上下進行拾放片動作。見圖2所示。

圖2 x、y 運動機構(gòu)與機械手的布置

1.2 工作流程

（1）由上料盤z 向舉升電機驅(qū)動最上層料盤到固定位置時，取料氣缸活塞下行，當緩沖吸嘴全部接觸到料盤后，氣缸下行到達機械限位位置。此時裝料盤吸爪負壓電磁閥打開，吸附料盤后向上移動到活塞上頂點。停止后，y 向移動載臺向接料盤位移動。到接料位時，裝料吸爪氣缸下行，料盤在y 向移動載臺上時停止，此時位置2 磁開關被點亮，PLC 控制裝料盤吸爪釋放負壓，而后上行回定點位置，完成料盤從舉升臺到y(tǒng) 向載臺的搬運。

（2）由y 向移動載臺和x 向移動機械手的動作合成x、y 運動將來料從料盤中搬運到上料皮帶上，料盤卸空。

（3）料盤內(nèi)物料取空后y 向移動載臺移動到卸料盤位置，卸料盤氣缸下行在移動工作載臺位置停止（位置5）磁開關點亮。負壓打開，吸取料盤向上至頂點位置。載臺移動到上料盤位置，下料盤z 向舉升電機驅(qū)動頂層料盤至固定位置。卸料盤吸爪氣缸下行至下位置極限，位置6 磁開關點亮，PLC 關閉負壓電磁閥，料盤與吸爪分離，卸料盤吸爪氣缸回頂點。y 向移動載臺回卸料盤位置。此時完成一次料盤循環(huán)。

1.3 初步設計

根據(jù)工作流程的要求，運用四路電磁閥控制氣缸動作，四路電磁閥控制負壓施放，氣路動作框架如圖3所示。

2 細節(jié)改進設計

2.1 調(diào)壓回路

由于料盤多為單層聚苯乙烯PS 加工而成，所以在裝(卸)料盤吸爪接觸料盤時，料盤不能受到過大壓力?；跈C械結(jié)構(gòu)空間的限制，在氣缸中停位置2、5 沒有機械固定限位，只能依靠料盤來使氣缸停止因此必須調(diào)節(jié)氣缸壓力才能確保料盤不被壓壞。另一個要求是運行時兩氣缸的同步控制。氣缸的運動一般可分為3 部分：

（1）活塞從靜止開始加速；

（2）活塞在氣壓與摩擦力達到平衡時勻速運動；

（3）活塞減速到停止。

其中狀態(tài)（2）在某些工作條件下變短或消失，氣缸活塞直接從加速狀態(tài)變換到減速（或急減速）狀態(tài)。

以氣缸活塞上行時分析，如圖4所示若要求氣缸平穩(wěn)運行，則必須使狀態(tài)（2）占總運行長度和運行時間的總比提高。

常用的調(diào)節(jié)方式見圖5所示。

圖3 初步設計方案

圖4 氣缸上行時的氣流回路

圖5 一般調(diào)壓回路設計

根據(jù)活塞運行時內(nèi)部的氣壓變化來分析其運動位置與加速度的關系。在圖6 中，從兩位五通閥轉(zhuǎn)換時刻t0開始，連接A 腔節(jié)流閥與五通閥的管路內(nèi)氣體迅速排空，A 腔節(jié)流閥開始放氣，壓力緩慢下降；同時0.5 MPa的壓縮空氣從氣源經(jīng)過電磁閥換位到B 腔進氣口后單向閥導通向B 腔迅速充氣，氣壓迅猛上升；當?shù)竭_t1時刻時：

(式中：R2活塞為氣缸活塞半徑，r為缸桿半徑，f靜為活塞上行最大靜摩擦力，G為缸桿及下懸掛部件總重量。)

圖6 活塞兩側(cè)氣壓壓力與時間關系

氣缸開始加速上行，此時PB繼續(xù)上升,直到達到氣源壓力0.5 MPa。當?shù)竭_t2時刻時：

式中：m為活塞下懸掛總質(zhì)量，a為活塞運動加速度。

此時氣缸勻速上行，由理想氣體狀態(tài)方程：

可知,當T（缸內(nèi)氣體溫度）恒定時A 腔內(nèi)氣體物質(zhì)的量n 正比于PAVA。

通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥來調(diào)節(jié)氣缸上行速度恒定相當于對PAVA=nRT 兩邊求導:

由：VA=πr2lA

式中：lA為A 腔當前長度

假設活塞移動時內(nèi)部氣體溫度未發(fā)生明顯變化則令：

則活塞速度：dlA/dt=C/PAdn/dt，受節(jié)流閥流速控制。

這是t2～t3的壓力平衡，氣流速度及活塞速度的關系，從這里再返回到t1～t2來討論PA從初始到穩(wěn)定值的過程。

在t1～t2過程中若PA初減小則A 腔內(nèi)氣體的壓縮比變大。還是由：

導出，當?shù)竭_t2時PA應等于：

由于A 腔初始壓力較低，所以假設從t0～t2內(nèi)放走的空氣的量很少，此處忽略氣體物質(zhì)的量的變化；氣體溫度變化假定由氣缸壁和活塞完全吸收，氣體溫度變化忽略不計，則：

式中PA初為研究的因變量，其它量為常量和假定不變量。

分析：當lA初t2小于氣缸緩沖行程時，勻速段消失，氣缸行程末端造成沖擊，當緩沖能夠吸收的能量小于其運動部件機械動能時，活塞與缸體之間發(fā)生機械碰撞，造成嚴重的沖擊，甚至可能導致機械結(jié)構(gòu)和氣缸發(fā)生損壞。

所以若要減小沖擊則lA初t2必須變長，即lA初-lAt2（加速距離）減短，則動能降低。由于尾段3的緩沖減速距離固定，表明lA初t2越長則勻速運動的時間越長，根據(jù)上述推導公式，lA初t2正比于PA初，表明PA初對于氣缸的啟動及平穩(wěn)運行有非常大的影響。

經(jīng)過試驗驗證：在調(diào)節(jié)PA初的值較大時，氣缸向上運動時的速度可調(diào)，且兩氣缸的可調(diào)節(jié)到同步。當PA初變小時，機構(gòu)利用節(jié)流閥調(diào)速的調(diào)速能力變差,當其過小時便無法調(diào)節(jié)氣缸的上行速度，更是無法將兩個氣缸向上運動做到同步。按照這樣的方式連接氣路，在氣缸上行時會造成料盤大幅度的抖動將料盤內(nèi)的物料跌落甚至直接破壞。

在將PA初調(diào)節(jié)到氣源壓力0.5 MPa 時t1～t2時間縮短，t1～t2時間段內(nèi)運動距離變短，氣缸勻速運動段變長，節(jié)流閥對活塞的調(diào)速性變好。

為了同時滿足減小活塞下壓力的要求，本文提出這樣的調(diào)節(jié)方法：差壓調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 調(diào)壓氣路實驗

調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中使用上下腔的壓力差來調(diào)節(jié)氣缸桿的出力，在滿足向下壓力調(diào)節(jié)的同時還滿足了上行時兩氣缸的速度調(diào)節(jié)和同步運動的目的。

在勻速上行時，單個活塞時受力：

根據(jù)d(PAVA)/dt=RT dn/dt，當節(jié)流閥兩側(cè)的壓差恒定時，dn/dt 恒定，則同時dlA/dt 是恒定的，上行的速度可調(diào)。

下行時對料盤壓力的計算：

滿足了上行時有效調(diào)速和兩氣缸同步的要求再來計算下壓力，此設備中：

氣缸直徑D=20 mm，氣缸桿直徑d=8 mm,活塞下懸吊質(zhì)量m0=1.44 kg。下行時的摩擦力f 約為5 N，氣缸上腔氣壓PA=0.5 MPa，下腔氣壓PB：0～0.5 MPa 間調(diào)節(jié)。

此調(diào)節(jié)范圍下，可滿足料盤對壓力調(diào)節(jié)的需求。因為本機所需壓力較小，所以直接增大下腔的氣壓到機器內(nèi)部的總管路壓力0.5 MPa，便可以省略在此處的調(diào)壓閥。此時下壓力為34 N，活塞能夠順利下行，而且力也小于料盤能承受的最大壓力，簡化后如圖8所示。

圖8 改造后的料盤上下驅(qū)動氣路

由于改變氣路后在電磁閥動作時原來氣缸的下腔壓縮空氣又返回到了總氣路中，所以消耗的壓縮空氣減少，只相當氣缸以活塞桿粗的氣缸的缸徑工作，所以同時減少了氣源消耗。

在匯流板上安裝的其它兩路電磁閥的共軌EB壓力也發(fā)生改變，使玻璃片吸爪驅(qū)動氣缸在下行時的壓力過大也得到改善。

2.2 吸盤真空破壞

在吸盤真空吸著一段時間后，玻璃片可能會與吸嘴發(fā)生粘連，靠自重無法分離。此時僅僅關閉負壓并不能夠使玻璃和吸嘴完全脫離開。

進口設備中的破壞真空的普遍處理方法是，另外加一路閥控制壓縮空氣來破壞真空如圖9所示。

圖9 以往設備負壓破壞方法

經(jīng)過觀察分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)設備拾放玻璃片的動作都由氣缸通過上下運動來完成這個動作。因為在拾取物料時，料爪負壓開啟，在分離物料與吸爪時，氣缸又必須在下位。

在氣缸下位置和負壓關閉兩個條件的重疊處，利用氣缸上腔的氣壓來破壞吸嘴的真空，將玻璃片與吸嘴徹底分離所以得到如圖10所示的氣路。

圖10 節(jié)省電磁閥的氣路破壞方法

圖中負壓口的吹氣滿足充分必要是：

吹氣開起=負壓關閉&氣缸下位

當兩條件同時滿足時吹氣打開。這很好地滿足了實際的分離要求，對比圖9的方案，不僅節(jié)省了一路電磁閥，而且不需要編程上的改動，這對于老機型中玻璃片與吸爪分離問題的處理也非常實用，在不對原機程序改動的情況下：一個三通、一個接頭就可解決問題。

細化后的設計見圖11。

圖11 細化后的氣路設計

3 結(jié)束語

在充分了解和分析了此上料機各部分機械結(jié)構(gòu)和動作順序后，結(jié)合實際經(jīng)驗，設計了新機型的氣路結(jié)構(gòu)。

同時，對于氣缸活塞運動過程的推導可廣泛的應用到帶有氣缸的運動回路控制中，對實際生產(chǎn)的調(diào)速和控制有很大的改觀。負壓分離的可靠性也得到驗證。

自2012年8 月運行至今該機氣路運行可靠，很好地滿足工藝需求。