楊文杰

（廣東省高級(jí)技工學(xué)校，廣東 惠州516100）

1 項(xiàng)目分析

需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：（1）產(chǎn)品的分析，了解產(chǎn)品的品質(zhì)要求、生產(chǎn)工藝、各方面尺寸以及來(lái)料情況。（2）解決機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，要求設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、效率高。（3）設(shè)備可行性、效率、成本等方面的評(píng)估。（4）傳感器的類型選擇。（5）氣動(dòng)控制元件的選擇。

氣動(dòng)控制的特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)裝置簡(jiǎn)單、輕便，易于安裝和維護(hù)，且可靠性高、使用壽命長(zhǎng)。（2）氣動(dòng)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)作，輸出力和運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)都很方便，且成本低，同時(shí)在過(guò)載時(shí)能自動(dòng)保護(hù)。（3）壓縮空氣的工作氣壓一般在0.4～0.8MPa，故輸出力和力矩不太大，傳動(dòng)效率低，且氣缸的動(dòng)作速度易隨負(fù)載的變化而變化。

2 線圈自動(dòng)下料裝料要求

產(chǎn)品來(lái)料情況以及裝料要求：客戶產(chǎn)品來(lái)料設(shè)備來(lái)料方式為通過(guò)機(jī)械手一次夾取4個(gè)產(chǎn)品?？蛻舢a(chǎn)品原來(lái)的設(shè)備下料方式是通過(guò)夾取4個(gè)產(chǎn)品至輸送帶中送出，人工再把產(chǎn)品裝載到料盤中，現(xiàn)在客戶要求設(shè)計(jì)一臺(tái)設(shè)備連接原來(lái)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料至料盤中。圖1為已有設(shè)備來(lái)料時(shí)的擺放，圖2為裝在料盤中的擺放。

圖1 已有設(shè)備來(lái)料時(shí)的擺放（俯視圖）

圖2 裝在料盤中的擺放（俯視圖）

設(shè)備設(shè)計(jì)要求：（1）實(shí)現(xiàn)已有設(shè)備之間的連接以及下料、裝料的全自動(dòng)化。（2）產(chǎn)品在裝料過(guò)程中不得有任何損傷。（3）空料盤與滿料盤可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)料。

工作步驟設(shè)計(jì)方案：已有設(shè)備夾取產(chǎn)品出料至新設(shè)備—撥料機(jī)構(gòu)撥動(dòng)產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)90°—裝載線圈的運(yùn)送機(jī)構(gòu)移至推料機(jī)構(gòu)中—推料機(jī)構(gòu)推線圈至下料機(jī)構(gòu)的料盤中—下料機(jī)構(gòu)自動(dòng)送空料盤和滿料盤。

3 連接線圈出料及運(yùn)送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 連接線圈出料部分設(shè)計(jì)

已有設(shè)備夾取4個(gè)線圈出料后，4個(gè)線圈分別以一定的間距隔開(kāi)擺放（間距已經(jīng)由已有設(shè)備定下），設(shè)計(jì)連接結(jié)構(gòu)時(shí)需根據(jù)產(chǎn)品之間的距離以及產(chǎn)品的各方面尺寸來(lái)決定該機(jī)構(gòu)的尺寸。由于產(chǎn)品來(lái)料時(shí)與裝在料盤中的擺放方式不一致，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最終在料盤中的擺放方式，需設(shè)計(jì)一個(gè)撥動(dòng)產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)90°的動(dòng)作機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)是以一個(gè)氣缸（品牌：SMC）帶動(dòng)撥叉安裝板實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)，撥叉把上面的線圈向右撥動(dòng)使線圈掉進(jìn)槽中，實(shí)現(xiàn)線圈翻轉(zhuǎn)90°的擺放方式。

3.2 線圈到位檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

反射光纖感應(yīng)器的安裝位置分別對(duì)準(zhǔn)線圈掉落槽中的位置，當(dāng)撥料機(jī)構(gòu)把4個(gè)線圈撥至槽中，反射光纖發(fā)射一束光，前面的光束遇到線圈后反射回來(lái)，即可檢測(cè)線圈是否掉落槽中。

當(dāng)4個(gè)線圈都檢測(cè)到位后，機(jī)構(gòu)則執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作，若某個(gè)光纖沒(méi)有檢測(cè)到產(chǎn)品，則反饋到系統(tǒng)中，使設(shè)備處于不動(dòng)作、報(bào)警狀態(tài)，并發(fā)出報(bào)警聲音通知人來(lái)解決對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。

3.3 線圈運(yùn)送部分設(shè)計(jì)

當(dāng)4個(gè)線圈都檢測(cè)到位后，則需設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)使線圈移動(dòng)到一個(gè)位置以達(dá)到下一個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的要求，那么就需要一個(gè)行程較長(zhǎng)而且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的氣缸使線圈移到下一個(gè)機(jī)構(gòu)的位置。因?yàn)橐苿?dòng)行程比較長(zhǎng)，因此要考慮氣缸的安裝氣管及感應(yīng)器的走線方便，可安裝一個(gè)坦克鏈?zhǔn)闺娋€及氣管隨線圈載體部分移動(dòng)而移動(dòng)，還有美化機(jī)構(gòu)的作用。

此機(jī)構(gòu)還有一個(gè)上下推動(dòng)氣缸，作用是使落在槽中的線圈左右兩邊的安裝塊沉下去，以使線圈處于平滑的軌道中，實(shí)現(xiàn)下一機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

4 推料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4.1 推料機(jī)構(gòu)的動(dòng)力選擇

由于產(chǎn)品在推料過(guò)程中要求平穩(wěn)、不能在推的過(guò)程中抖動(dòng)且精度要求高，所以選用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。考慮機(jī)構(gòu)的成本以及行程的長(zhǎng)短，選擇伺服電機(jī)搭配同步輪、同步帶及高精度的線性滑軌作為運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.2 推料機(jī)構(gòu)氣缸的選擇

根據(jù)上一機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，推料機(jī)構(gòu)需要使用一個(gè)雙導(dǎo)桿氣缸帶動(dòng)推料塊上下動(dòng)作，使推料塊推料至料盤后返回時(shí)不會(huì)有干涉到其他機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。在考慮機(jī)構(gòu)的成本以及動(dòng)作的平穩(wěn)性后選擇了雙導(dǎo)桿氣缸。因?yàn)樵谕频倪^(guò)程中產(chǎn)品要求平穩(wěn)性較高且不能對(duì)產(chǎn)品有損傷，因此需在推料軸上安裝彈簧以發(fā)揮一定緩沖作用，使推料塊不至因過(guò)于剛性而對(duì)產(chǎn)品造成刮傷。

4.3 推料機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)布局

由于采用了伺服電機(jī)作為整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，所以要在機(jī)構(gòu)中加入回原點(diǎn)及限位的感應(yīng)開(kāi)關(guān)，每次開(kāi)機(jī)后都要執(zhí)行回零動(dòng)作，使機(jī)構(gòu)回到初始位置。本機(jī)構(gòu)使用2個(gè)歐姆龍感應(yīng)器。

5 裝料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

5.1 裝料機(jī)構(gòu)的動(dòng)力選擇

因?yàn)榱媳P每次裝滿一排線圈后移至下一排對(duì)定位精度要求很高，而且料盤需實(shí)現(xiàn)多位置精準(zhǔn)定位，所以采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源。

5.2 裝料機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

采用伺服電機(jī)提供動(dòng)力，配備高精度的滾珠絲杠，通過(guò)在電機(jī)和絲桿上安裝同步輪，中間使用同步帶連接，使絲桿所走的距離與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的距離一致。

5.3 裝料機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)布局

由于采用了伺服電機(jī)作為整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，所以要在機(jī)構(gòu)中加入回原點(diǎn)及限位的感應(yīng)開(kāi)關(guān)，每次開(kāi)機(jī)后都要執(zhí)行回零動(dòng)作，使機(jī)構(gòu)回到初始位置。本機(jī)構(gòu)使用2個(gè)歐姆龍感應(yīng)器。

6 空料盤及滿料盤上下料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

6.1 料盤裝放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶的需求，空料盤和滿料盤可以儲(chǔ)存一定數(shù)量的線圈，以方便操作人員使用設(shè)備和有更多時(shí)間準(zhǔn)備、整理其他事情。所以該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使用了2對(duì)雙導(dǎo)桿氣缸分別對(duì)空料盤及滿料盤進(jìn)行儲(chǔ)料，并且使用2對(duì)對(duì)射感應(yīng)器對(duì)料盤的多少進(jìn)行檢測(cè)，空料盤少于一定數(shù)量和滿料盤多于一定數(shù)量時(shí)設(shè)備發(fā)出報(bào)警聲，通知操作人員對(duì)料盤進(jìn)行處理。

6.2 料盤自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

分析空料盤自動(dòng)下來(lái)和裝滿線圈的料盤一個(gè)個(gè)往上堆放的過(guò)程可知，該動(dòng)作是需要走2段距離才能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楝F(xiàn)在市場(chǎng)上很少有氣缸可以實(shí)現(xiàn)多段行程，且即使有價(jià)格也很高，所以考慮成本，使用2個(gè)氣缸組合在一起的方案實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料，即在料盤裝放機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)由2個(gè)氣缸組合而成的上下料機(jī)構(gòu)。

（1）空料盤自動(dòng)上料動(dòng)作。2段行程中氣缸的作用是使頂料盤推桿上升，頂起料盤底部使其離開(kāi)兩邊的氣缸，兩邊托著料盤的氣缸退回，短行程氣缸動(dòng)作，使推桿下降一個(gè)料盤的距離，那么上方所有料盤下降一個(gè)料盤的距離后，兩邊氣缸再推出托著的第二個(gè)料盤，長(zhǎng)行程氣缸托著最下面的料盤，隨著氣缸下降運(yùn)動(dòng)將料盤放落至線圈裝料機(jī)構(gòu)的托盤之中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送空料盤動(dòng)作。（2）滿料盤自動(dòng)堆料動(dòng)作。原理與空料盤上料一致，只是氣缸動(dòng)作的先后順序不同。（3）空料盤及滿料盤上下料機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)由2部分組成，上方為料盤的裝放部分，下方為實(shí)現(xiàn)料盤自動(dòng)上下料的氣缸組合機(jī)構(gòu)，2部分安裝在設(shè)備的大板上。

7 各機(jī)構(gòu)的組合方案

各機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)的各方面尺寸以及對(duì)應(yīng)的氣缸行程要求合理安裝在設(shè)備的大板上，要求各機(jī)構(gòu)安裝后的位置（圖3）及其動(dòng)作過(guò)程不干涉其他機(jī)構(gòu)動(dòng)作。設(shè)備的完整外觀如圖4所示。

圖3 各機(jī)構(gòu)安裝位置

圖4 設(shè)備的完整外觀

8 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)系統(tǒng)是強(qiáng)非線性系統(tǒng)，非線性的根本原因是空氣具有可壓縮性，使得系統(tǒng)中存在流量飽和效應(yīng)、非線性摩擦力等因素，所以實(shí)現(xiàn)氣缸的精準(zhǔn)定位非常困難。因此在其應(yīng)用中，要對(duì)各參數(shù)進(jìn)行調(diào)定，使設(shè)備達(dá)到比較理想的狀態(tài)。各部分機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)采用了技術(shù)性強(qiáng)、可靠性高的PLC進(jìn)行控制，這使得機(jī)械設(shè)備更加靈活，動(dòng)作準(zhǔn)確，易于維護(hù)，勞動(dòng)生產(chǎn)率大大得到提高。各種操作方式自由切換，滿足了生產(chǎn)要求。