王由偉，邱自學，王國偉

（1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.蘇州方林科技股份有限公司，江蘇 蘇州215400）

基于PLC的溫度保險絲自動上料機的設計

王由偉1，邱自學1，王國偉2

（1.南通大學 機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.蘇州方林科技股份有限公司，江蘇 蘇州215400）

溫度保險絲自動上料機是一種在電池保護器生產(chǎn)過程中，替代人工將溫度保險絲擺放到治具上以進行下一步生產(chǎn)的設備。文章根據(jù)溫度保險絲的特殊結構，對上料機進行了系統(tǒng)的設計。自動上料機主要由送料裝置、溫度保險絲方向辨別裝置、凸輪機械手組成。實現(xiàn)了將無序的溫度保險絲按照規(guī)定狀態(tài)有序地輸出并準確擺放到治具上的目的，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和合格率。

PLC；溫度保險絲；自動；上料機

0 引言

溫度保險絲是電池保護器中的關鍵部件，目前，一般采用電阻電焊的方式將電池保護器的各個部件連接起來。在現(xiàn)有的技術中，需要通過人工將溫度保險絲以規(guī)定的狀態(tài)逐個放置在點焊治具上。由于溫度保險絲的結構相當小，并且需要人工來識別溫度保險絲是否以規(guī)定的狀態(tài)放置在點焊治具上，從而對一線操作工的擺放熟練度提出了較高的要求。由于操作工勞動一段時間后會產(chǎn)生疲勞，例如 ：眼花、精神狀態(tài)欠佳，從而使得操作工有可能將所述溫度保險絲以錯誤的狀態(tài)放置在點焊治具上，進而造成溫度保險絲報廢，降低了產(chǎn)品合格率。本文設計的自動上料設備明能夠?qū)o序的溫度保險絲按照規(guī)定狀態(tài)有序地輸出并準確擺放到治具上。

1 系統(tǒng)原理

自動上料機是將溫度保險絲通過機械手搬運至治具上進行下一道工藝加工，自動上料機為滿足插件部分的需要，應實現(xiàn)溫度保險絲的散料排序、溫度保險絲方向辨別、自動上料等功能，并且自動上料機上料速率應滿足180PCS/min。整個控制系統(tǒng)主要由智能相機、歐姆龍的PLC、伺服電機驅(qū)動器以及PLC與驅(qū)動器的接口電路、執(zhí)行機構等組成。其工作流程如圖1所示。

圖1 工作流程圖

2 自動上料機的總體設計

自動上料機主要由以下幾部分組成：①送料裝置；②溫度保險絲方向辨別裝置；③凸輪機械手。根據(jù)溫度保險絲的結構特點，研究溫度保險絲自動傳送過程中各工序的可行性方案。其整體結構如圖2所示。

圖2 整體結構圖

3 自動上料機備關鍵部分的可行性方案設計

3.1 送料裝置的設計

送料裝置用于實現(xiàn)溫度保險絲的散料排序，其主要由三部分組成：供料裝置、送料裝置以及用于取料的旋轉(zhuǎn)分離裝置。

（1）供料裝置的設計

如圖3所示：供料裝置包括料斗、與料斗相配合的滾輪以及為滾輪提供動力的電機。滾輪上設置有若干吸附裝置，可以有效地將料斗里的溫度保險絲供料給送料裝置。

圖3 供料裝置

（2）送料裝置的設計

如圖4所示，送料裝置包括振動料盤以及與振動料盤相配合的直線送料裝置。

①振動料盤散裝上料。國內(nèi)生產(chǎn)振動料盤的企業(yè)很多，技術也相當成熟，廠家可以根據(jù)客戶的需求定做特定的振料盤。為保證溫度保險絲在軌道上順利前行，軌道必須傾斜一定角度，利用溫度保險絲自身自重向前滑行。假設溫度保險絲重量約為0.11g，查表得，低密度聚乙烯（溫度保險絲）與鋼（軌道）的靜摩擦系數(shù)為μ=0.27，斜坡傾角為θ，溫度保險絲所受最大靜摩擦力fmax=mgu cosθ［1］，溫度保險絲所受重力在軌道方向的分力為f=mgu sinθ。保證溫度保險絲在軌道上滑行，arctan0.27=15.1°，所以軌道必須保證與水平面呈至少15°，才能使溫度保險絲順利滑行。

②直線送料器直線上料。國內(nèi)生產(chǎn)直線送料器的企業(yè)也很多，技術也相當成熟，廠家可以根據(jù)客戶的需求定做特定的直線送料器。如圖4所示，直線送料裝置按設定的軌道把溫度保險絲均勻有序地作滑行運動，并將溫度保險絲自動調(diào)整到最佳的位置狀態(tài)，以便于旋轉(zhuǎn)分離裝置取料。

圖4 送料裝置

（3）旋轉(zhuǎn)分離裝置的設計

旋轉(zhuǎn)分離裝置的外周面上均勻設置有若干仿形槽1，如圖5所示，該仿形槽1可用以容納并定位溫度保險絲，仿形槽1的內(nèi)壁上形成有導引溫度保險絲插入的傾斜導引面，并且仿形槽1內(nèi)設置磁性元件，可以有效地吸附溫度保險絲。

圖5 旋轉(zhuǎn)分離裝置

3.2 溫度保險絲方向辨別裝置的設計

由于需將溫度保險絲正面朝上放到治具上，并且要區(qū)分極性，因此翻面裝置由三部分組成：智能相機、旋轉(zhuǎn)裝置、翻面裝置。

（1）智能相機

現(xiàn)有的智能相機將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案［2］。同時，由于應用了最新的DSP、FPGA及大容量存儲技術，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求［3-4］。

本裝置中使用的智能相機用于識別溫度保險絲第一表面及彎曲端子是否位于規(guī)定方向。

（2）旋轉(zhuǎn)裝置的設計

旋轉(zhuǎn)裝置結構如圖6所示，智能相機實時獲取仿形槽2中溫度保險絲表面圖像，若溫度保險絲彎曲狀端子未置于規(guī)定方向，智能相機將信號傳送回PLC，PLC發(fā)出信號［5］，電磁閥控制旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)180°，從而實現(xiàn)溫度保險絲置于規(guī)定方向。

圖6 旋轉(zhuǎn)裝置

（3）翻面裝置的設計

翻面裝置如圖7所示，旋轉(zhuǎn)氣缸通過聯(lián)軸器將動力輸出給主軸并帶動主軸旋轉(zhuǎn)，主軸帶動兩套滾輪推桿組件一起旋轉(zhuǎn)，進而帶動放置在仿形槽3內(nèi)的溫度保險絲旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)整溫度保險絲的位置和方向。由于凸輪的凸輪端面為位置有高低不同的弧面，并且主軸和凸輪均軸向固定，凸輪同時徑向固定，主軸旋轉(zhuǎn)時，滾輪會沿著凸輪端面上滾動。當其中一個滾輪滾動到所述凸輪端面的最高點時，另一個滾輪則滾動到所述凸輪端面上的最低點，反之亦然。

當其中一個滾輪滾動到所述凸輪端面上的最高點時，該滾輪所在的推桿上的彈簧被壓縮，推桿將沿主軸的軸線方向移動并向聯(lián)軸器方向靠近，同時推桿具有彈簧的一端將隨著滾輪升至凸輪端面上的最高點而遠離所述仿形槽3，此時位于仿形槽3內(nèi)的溫度保險絲將隨之露出。與此同時，另一個滾輪處于凸輪端面上的最低點，該滾輪所在的推桿上的彈簧將會收縮，從而將推桿拉到所述仿形槽3處，并使推桿上具有彈簧的一端蓋住所述仿形槽3，并對放置在所述仿形槽3內(nèi)的溫度保險絲起承托作用，使得溫度保險絲不會從所述仿形槽3內(nèi)脫出。這樣，在主軸旋轉(zhuǎn)的時候，放置在仿形槽3內(nèi)的溫度保險絲將隨所述主軸一起轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了溫度保險絲的位置的翻轉(zhuǎn)，使得溫度保險絲處于正確的加工位置。

圖7 翻面裝置

3.3 凸輪機械手的設計

凸輪機械手包括三個機械手臂及真空吸嘴兩個部分，如圖8所示，第一機械臂、第二機械臂、第三機械臂上的真空吸嘴分別用于將位于仿形槽1、仿形槽2、仿形槽3內(nèi)的溫度保險絲吸住。然后，機械手逆時針轉(zhuǎn)動，使得第一機械臂、第二機械、第三機械臂分別位于所述仿形槽2、仿形槽3、治具的正上方。接著，分別位于所述第一機械臂、第二機械臂、第三機械臂上的真空吸嘴將會將各自吸附的溫度保險絲分別放到所述仿形槽2、仿形槽3、治具上。

圖8 凸輪機械手

4 控制系統(tǒng)的總體設計

4.1 控制系統(tǒng)要求

該控制系統(tǒng)由可編程控制器PLC及輸入輸出模塊、觸摸屏和常規(guī)繼電器等元件組成［6-7］，實現(xiàn)功能有：

（1）系統(tǒng)工作模式：設置三種可相互切換的工作模式，包括手動工作模式、單步工作模式和自動工作模式，單步工作模式和手動工作模式主要用于自動上料機的檢測、調(diào)試及單個動作的執(zhí)行，自動工作模式主要用于實際的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)自動上料機控制系統(tǒng)中各運動部件的協(xié)同運動。

（2）故障檢測報警功能：自動上料機控制系統(tǒng)應能夠自動檢測各個傳感器是否出現(xiàn)故障；能夠檢測送料軌道上是否有障礙；能夠檢測各主要執(zhí)行裝置動作后是否回歸到位等，當出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)能自動報警并停機，同時觸摸屏上顯示相應的報警提示。

（3）暫停功能：自動運行過程中，可隨時點擊暫停鍵停止動作。

（4）急停功能：發(fā)生異常情況時按下急停鍵，停止所用動作。

4.2 控制系統(tǒng)整體結構設計

控制系統(tǒng)采用PLC（Programmable Logic Controller）作為控制中心，接收來自光電傳感器、磁性開關、電機編碼器、智能相機等數(shù)據(jù)信息，并對其進行分析處理，給伺服電機、電磁閥等執(zhí)行元件發(fā)出執(zhí)行信號［8-9］。

根據(jù)自動上料機的工藝流程可知，生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的功能主要包括伺服控制、氣動控制、人機界面、故障診斷等。這些功能都是通過控制核心PLC來完成，整個電氣控制框圖如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)結構圖

5 安裝及調(diào)試

圖10 自動上料機的實物圖

完成自動上料機機械裝配、伺服電機、光纖傳感器安裝以及PLC控制線路連接后，進行大量的系統(tǒng)調(diào)試。比如檢查光纖傳感器的位置是否最佳，調(diào)整好各驅(qū)動元件的速度，各執(zhí)行元件的協(xié)調(diào)性。圖10是溫度保險絲自動上料機的實物圖。在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)振動盤及直線振動送料器經(jīng)常出現(xiàn)卡料的情況，在對振動盤振動軌道及直線振動送料器振動軌道進行優(yōu)化后，卡料的情況基本不出現(xiàn)。

經(jīng)過不斷的調(diào)試，有效解決了上料過程中經(jīng)常出現(xiàn)的卡料、停機等問題，進一步改善了系統(tǒng)的結構設計，提高了系統(tǒng)整體性能。

6 結論

本文開發(fā)出一套針對溫度保險絲的自動上料設備。該設備具有以下特點：

（1）搬運效率高，人工上料速率為100pcs/min，自動上料機上料速率為175～185pcs/min，自動上料機上料速率約比人工上料速率提高了一倍；

（2）合格率高，人工上料合格率為90%，而自動上料機上料合格率可達到99%；

（3）自動化程度高，節(jié)約人力；

（4）采用PLC控制，動作可靠，操作簡單。

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（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

The Design of Thermal Fuse Automatic Feeding Machine Based on PLC

WANG You-wei1，QIU Zi-xue1，WANG Guo-wei2
（1.School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong Jiangsu 226019，China；2.Suzhou Fang Lin Technology Co.Ltd，Suzhou Jiangsu 215400，China）

Thermal fuse automatic feeding machine is the substitution of artificial putting thermal fuse into the fixture for the next step in electronic materials.According to the special structure of electronic materials，a system for the feeding machine is designed.Automatic feeding machine consists of feeding mechanism，the device to identify the direction of thermal fuse and cam robot.Achieving the goal of putting disordered thermal fuse into the fixture accurately and orderly，and improving the efficiency and passing rate of the product.

PLC；thermal fuse；automatic；feeding machine

TH132；TG506

A

1001-2265（2015）04-0115-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.030

王由偉（1989—），男，江蘇鹽城人，南通大學碩士研究生，研究方向為機電一體化裝備及測控技術，（E-mail）wangyw18@sina.cn；通訊作者：邱自學（1963—），男，江蘇南通人，南通大學教授，博士，研究方向為機電一體化裝備及測控技術、信號獲取與處理、結構健康監(jiān)測，（E-mail）qiu.zx@ntu.edu.cn。