郭全明，吳 曉，陳 超，何呂濤

（1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074；2.武漢洛特福動(dòng)力技術(shù)有限公司，武漢 430058）

導(dǎo)光條自動(dòng)點(diǎn)記與抓取裝置設(shè)計(jì)

郭全明1，吳 曉1，陳 超1，何呂濤2

（1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430074；2.武漢洛特福動(dòng)力技術(shù)有限公司，武漢 430058）

在導(dǎo)光條自動(dòng)生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)檢后，需要對(duì)次品進(jìn)行點(diǎn)記以便識(shí)別，并將合格品和次品進(jìn)行分類存放。設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的自動(dòng)點(diǎn)記與抓取裝置。詳細(xì)介紹了該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，制造了樣機(jī)，并已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。實(shí)踐表明，該裝置具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提高了工作效率，為企業(yè)降低了人力勞動(dòng)成本。

PLC控制；自動(dòng)點(diǎn)記；抓取裝置；氣動(dòng)

0 引言

在當(dāng)前制造行業(yè)里，來自人力生產(chǎn)成本不斷上升、企業(yè)生產(chǎn)效率需要提高等方面的壓力，使得自動(dòng)化設(shè)備越來越受到企業(yè)的重視。氣缸、氣動(dòng)手指等氣動(dòng)執(zhí)行元件具有控制靈活性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；此外，PLC對(duì)步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制能力，步進(jìn)電機(jī)在開環(huán)控制系統(tǒng)中具有較高的控制精度、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，它們?cè)谧詣?dòng)化行業(yè)里具有廣泛的運(yùn)用[1～3]。

汽車上的導(dǎo)光條在生產(chǎn)線上進(jìn)行質(zhì)檢后，要在次品上涂一點(diǎn)顏色鮮艷的膠液作為標(biāo)記（稱為點(diǎn)記），并且需要將次品與合格品分開存放。以前采用人工點(diǎn)記和分類，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的自動(dòng)點(diǎn)記與抓取裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，與其他生產(chǎn)線上的設(shè)備在運(yùn)行時(shí)協(xié)調(diào)性良好，完全滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求。

1 整體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體要求

從功能上講，要求該裝置根據(jù)導(dǎo)光條的質(zhì)檢結(jié)果對(duì)不合格產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)記、抓取，并將次品與合格品分類放置。在性能上要求點(diǎn)記、抓取和分類準(zhǔn)確可靠，輸送過程平穩(wěn)，與現(xiàn)有生產(chǎn)線的其他設(shè)備能協(xié)調(diào)工作；另外，還要求該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，操作方便，防護(hù)可靠。

1.2 總體方案概述

本文所設(shè)計(jì)的裝置全稱是B515光導(dǎo)條自動(dòng)點(diǎn)記與抓取裝置，此裝置主要包括有機(jī)架、輸送機(jī)構(gòu)、點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，總共四部分，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)點(diǎn)記與抓取裝置總體方案圖

機(jī)架用來固定輸送機(jī)構(gòu)和電氣柜等。當(dāng)需要被抓取的產(chǎn)品從前一道檢測(cè)工序完成之后，并由前一工序的輸送機(jī)構(gòu)將裝夾有導(dǎo)光條產(chǎn)品的檢測(cè)裝置輸送到本臺(tái)裝置正下方的指定位置。當(dāng)檢測(cè)到有產(chǎn)品送至該位置后，點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)到指定位置抓取產(chǎn)品，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)次品進(jìn)行點(diǎn)記處理，然后將次品或合格品通過輸送機(jī)構(gòu)放置到指定位置，最后返回原點(diǎn)。如此，完成一個(gè)工作周期。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架和輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)架和輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)架主要包括機(jī)架腿、支架下橫向連接板、支架上橫向連接板、支架斜支撐、支架縱向連接板等。考慮到支架縱向連接板的剛性問題，故增加支架斜支撐以進(jìn)行改善。

輸送部分主要包括直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌滑塊、縱向滑動(dòng)板、步進(jìn)電機(jī)、同步帶和同步帶輪等。支架縱向連接板上固定有兩根相互平行的直線導(dǎo)軌，縱向滑動(dòng)板固定在直線導(dǎo)軌滑塊上。同步帶上的一小段區(qū)域固定在縱向滑動(dòng)板上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，縱向滑動(dòng)板在直線導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)。同步帶傳動(dòng)是利用帶的齒與帶輪上的齒相嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，帶與帶輪間為嚙合傳動(dòng)，沒有相對(duì)滑動(dòng)，具有不打滑、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)功率較大等優(yōu)點(diǎn)[4]。

圖2 機(jī)架和輸送機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括氣缸安裝板、縱向滑塊端面板、上下雙軸氣缸、點(diǎn)膠針筒、產(chǎn)品、點(diǎn)膠針筒固定板、氣動(dòng)手指等?？v向滑塊端面板與縱向滑動(dòng)板固定在一起，整個(gè)點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)則可以實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)。通過調(diào)整上下雙軸氣缸在氣缸安裝板的位置，來保證氣動(dòng)手指能夠順利夾取到產(chǎn)品。當(dāng)前一工序的輸送機(jī)構(gòu)將裝夾有產(chǎn)品的檢測(cè)裝置輸送到指定的位置后，檢測(cè)裝置檢測(cè)到有產(chǎn)品送至該位置，在兩個(gè)氣動(dòng)手指處于張開狀態(tài)下，上下雙軸氣缸活塞桿伸出，因此兩個(gè)氣動(dòng)手指到達(dá)指定位置抓取產(chǎn)品，并根據(jù)前一工序的檢測(cè)結(jié)果對(duì)次品進(jìn)行點(diǎn)記處理，然后將次品或合格品通過輸送機(jī)構(gòu)縱向輸送到指定位置。

圖3 點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PLC定位控制設(shè)計(jì)

根據(jù)該裝備所需要實(shí)現(xiàn)的功能和控制信號(hào)的數(shù)量，該系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MT型PLC基本單元和FX2N-1PG定位模塊。FX2N-1PG可以輸出兩相脈沖數(shù)且脈沖頻率可變的定位脈沖信號(hào)，輸出脈沖最高頻率可達(dá)100kHz，可直接控制驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的單軸定位控制[5]。圖4為FX2N-48MT、FX2N-1PG、兩相步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的接線示意圖。由于裝置的點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，步進(jìn)電機(jī)所承受的負(fù)載不大，故裝備采用開環(huán)的定位控制，步進(jìn)電機(jī)軸端沒有安裝光電編碼器。對(duì)此，在編寫梯形圖時(shí)，將FX2N-1PG內(nèi)部的緩沖存儲(chǔ)器BFM#12（回原點(diǎn)零相信號(hào)數(shù)）設(shè)置為0。在原點(diǎn)回歸的過程中，當(dāng)DOG開關(guān)信號(hào)為ON則步進(jìn)電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。通過設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器上的DIP功能開關(guān)狀態(tài)，來設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)和工作電流。

3.2 氣動(dòng)控制設(shè)計(jì)

為了方便點(diǎn)記抓取機(jī)構(gòu)在整個(gè)裝置中的安裝定位，把實(shí)現(xiàn)其上下方向運(yùn)動(dòng)的氣缸選擇為雙軸氣缸。工件呈細(xì)管狀，考慮到夾取狀態(tài)的穩(wěn)定性，所以選擇平行型氣動(dòng)手指。通過二位五通電磁閥控制氣動(dòng)執(zhí)行元件。

上述氣缸是由缸體和活塞桿組成，缸體兩端分別有進(jìn)氣口和出氣口。當(dāng)壓力氣體從氣缸的一端進(jìn)入缸體，就會(huì)迫使活塞向另一端運(yùn)動(dòng)，為了確定氣缸內(nèi)活塞是否達(dá)到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)位置，在氣缸壁上固定位置安裝磁性傳感器，當(dāng)磁環(huán)通過傳感器時(shí)，磁性傳感器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖[6]。故對(duì)雙軸氣缸和氣動(dòng)手指上均安裝2個(gè)磁性傳感器來檢測(cè)不同位置的狀態(tài)。當(dāng)執(zhí)行元件上對(duì)應(yīng)的傳感器給控制器發(fā)出信號(hào)之后，才能進(jìn)行下一步動(dòng)作。圖5是該裝置動(dòng)作流程示意圖。

圖4 PLC與步進(jìn)電機(jī)接線示意圖

圖5 裝置動(dòng)作流程示意圖

4 應(yīng)用實(shí)例

該自動(dòng)化裝置已經(jīng)在某制造企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)使用，證明該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，與上一工序的設(shè)備能很好的協(xié)調(diào)工作。圖6是該裝置與上一工序設(shè)備的搭配示意圖。此外，該裝置便于根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要進(jìn)行具體調(diào)整。

圖6 裝置與上一工序設(shè)備搭配示意圖

5 結(jié)束語

該自動(dòng)化裝置主要是利用了同步帶來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞；利用了PLC定位模塊來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的定位；利用氣缸、氣動(dòng)手指等氣動(dòng)執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)工件的抓取。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，可針對(duì)工件的具體外形、尺寸等特點(diǎn)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，非常容易推廣使用。

[1] 孫平,邢軍.PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,29(4):112-113.

[2] 譚宇碩,韓瀚,馮亞波,等.基于PLC的掛號(hào)信函分揀機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(8):137-138.

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[4] 程友聯(lián),楊文堤.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.

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Design of automatically marking and grappling device for light guide

GUO Quan-ming1, WU Xiao1, CHEN Chao1, HE Lyu-tao2

TP23

B

1009-0134(2016)12-0094-03

2016-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金（51275364）

郭全明（1991 -），男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化。