馮友強(qiáng)，楊岸文，徐偉寧

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源517000）

0 引言

指甲油旋蓋機(jī)是指甲油生產(chǎn)的基礎(chǔ)工具。我國目前的指甲油旋蓋機(jī)主要針對單一瓶型的旋蓋設(shè)計(jì)，也主要應(yīng)用大批量的訂單的生產(chǎn)，設(shè)備的缺乏柔性。導(dǎo)致一些指甲油生產(chǎn)廠家對較小批量、瓶型較多生產(chǎn)的訂單仍采用手工進(jìn)行灌裝及旋蓋，其生產(chǎn)效率較低，不能滿足現(xiàn)代高速包裝旋蓋需求。同時(shí)，因指甲油生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的異味，很多工人不愿意在這種灌裝及旋蓋的崗位操作。因此，研制出高速且柔性高的自動(dòng)旋蓋機(jī)對我國的指甲油行業(yè)有一定的意義。本文設(shè)計(jì)了一種新的旋蓋機(jī)。

1 設(shè)備的總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

此旋蓋機(jī)是多種旋蓋機(jī)的一種，主要應(yīng)用于國內(nèi)一些指甲油生產(chǎn)廠家，經(jīng)過行業(yè)調(diào)研，參考生產(chǎn)部門提出的意見，在整體設(shè)計(jì)時(shí)，工藝方面要滿足以下要求：（1）可以包裝指甲油瓶的尺寸：高52～85 mm，直徑25～45 mm，有多種形狀如圓形、方形、錐型，具有一定的柔性；（2）輸送帶速度0～20 m/s，速度可調(diào)；（3）生產(chǎn)速度約15～20瓶每分鐘；（4）防止瓶子倒下，指甲油是UV膠的材料，如果生產(chǎn)過程當(dāng)中，指甲油倒出來了，設(shè)備是相當(dāng)難清潔的。

針對這種小型而且可以兼容小批量生產(chǎn)的旋蓋設(shè)備，同時(shí)為了節(jié)省開發(fā)的時(shí)間，及節(jié)約成本，控制器選擇PLC[1-2]。其他方面，為了方便取電，輸入電壓為單相交流220 V，總功率控制在2 kW以內(nèi)；氣動(dòng)元件的壽命要較長，在三百萬次以上；為了方便操作，人機(jī)界面選用觸摸屏。

1.2 總體設(shè)計(jì)

針對以上的要求，分析得出設(shè)計(jì)的設(shè)備需要有以下功能：（1）指甲油瓶能用皮帶進(jìn)行輸送；（2）皮帶上方要有分瓶器，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間釋放一個(gè)瓶子；（3）瓶子運(yùn)行到旋蓋機(jī)下方能被夾緊機(jī)構(gòu)夾緊；（4）旋蓋機(jī)能上升下降；四個(gè)膠輪能夾住瓶蓋旋轉(zhuǎn)并能擰緊瓶蓋；（5）機(jī)構(gòu)不能把瓶身與瓶蓋括花；（6）觸摸屏安裝在輸送帶上方，方便操控，而控制電柜放在機(jī)架下方，要考慮方便接線。

基于此提出的整體方案，圖1為旋蓋機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖，設(shè)備由底部支架、輸送帶、擋板式的分瓶器、旋蓋裝置、控制電柜和觸摸屏支架組成。輸送帶固定在底架上面，由步進(jìn)電機(jī)通過鏈條傳動(dòng)；護(hù)欄裝置通過可調(diào)夾子固定在輸送帶的兩則，對瓶子進(jìn)行導(dǎo)向及防止其側(cè)翻；對射型光電傳感器設(shè)置到輸送帶的鋁型材的兩側(cè)，在輸送帶上一共裝了兩對，用于檢測瓶子是否到位，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供指甲油瓶的位置信號；龍門架在輸送帶的上方，位置略靠后；旋蓋機(jī)安裝于龍門架中，其高度可以根據(jù)實(shí)際情況可以通過螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)；其中擋板機(jī)構(gòu)是安裝到皮帶輸送機(jī)里側(cè)，在輸送帶的上游，為了適應(yīng)不同瓶型，可以改變間隔和伸展長度；夾緊機(jī)構(gòu)安裝在旋蓋機(jī)正下方的輸送帶兩側(cè)，在旋蓋時(shí)，用于夾緊瓶身；觸摸屏支架固定在支架的上側(cè)，而電柜安裝在支架下方。

圖1 旋蓋機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備的工作過程：自動(dòng)旋蓋機(jī)系統(tǒng)是由PLC進(jìn)行控制，按下觸摸屏的啟動(dòng)按鈕，然后皮帶輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)，將指甲油瓶運(yùn)送到擋板機(jī)構(gòu)，擋指甲油瓶機(jī)構(gòu)進(jìn)行攔住一瓶，當(dāng)對射型傳感器檢測到有瓶子時(shí)，再通過皮帶運(yùn)輸裝置到達(dá)旋蓋機(jī)正下方，再通過夾緊機(jī)構(gòu)夾緊，最后旋蓋機(jī)進(jìn)行旋蓋，夾緊機(jī)構(gòu)松開，皮帶輸送機(jī)運(yùn)行，繼續(xù)旋蓋下一瓶的操作。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

設(shè)備的底部支架是用40 mm×40 mm的201不銹鋼進(jìn)行架構(gòu)，輸送帶是用工業(yè)鋁型才進(jìn)行架構(gòu)，輸羜帶用綠色的PVC皮帶，這種皮帶成本較低，壽命也較長。皮帶的欄桿用的是鍍鉻的圓形鋼，其高低及前后位置可以通過夾具進(jìn)行調(diào)節(jié)。固定旋蓋機(jī)的電機(jī)支架材料也是工業(yè)鋁型材，兩電機(jī)的距離及高底也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。下面對旋蓋機(jī)的主要一些部件進(jìn)行描述說明。

（1）夾具設(shè)計(jì)：夾具是橡膠材質(zhì)，是由一個(gè)長53 mm、寬47 mm、高20 mm的長方體切割一個(gè)等腰梯形體而成，等腰梯形體上底是10 mm，下底是43 mm，詳細(xì)見圖2。天然橡膠具有高彈性、耐磨性、韌性，兩個(gè)梯形的槽口設(shè)計(jì)，夾具可以適用多種形狀、各種大小的瓶子，可以將瓶子牢牢地夾穩(wěn)。

圖2 瓶蓋夾具俯視圖

（2）摩擦輪旋蓋設(shè)計(jì)：由四根摩擦輪桿組成，每兩根為一組，分為左右兩邊，氣缸控制兩邊伸出程度控制旋蓋摩擦輪夾緊瓶蓋程度，由此可以適應(yīng)各種大小瓶蓋，具體見圖3。

圖3 旋蓋摩擦輪旋蓋圖

摩擦輪的材料是天然橡膠，工作的時(shí)候，四個(gè)摩擦輪同時(shí)反轉(zhuǎn)，瓶蓋受到的力均為正轉(zhuǎn)，利用摩擦完成瓶蓋旋進(jìn)。除了上述的一些部件，旋蓋機(jī)還有許多部件，主要的機(jī)械元件清單可見表1，大多機(jī)械零件是根據(jù)工藝需要，繪制機(jī)械圖經(jīng)過數(shù)控制機(jī)床加工出來。

表1 機(jī)械設(shè)計(jì)清單

3 電氣設(shè)計(jì)

3.1 電氣設(shè)計(jì)描述

電氣設(shè)計(jì)主要是用PLC驅(qū)動(dòng)雷賽步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、中間繼電器、電磁閥等，PLC的輸出點(diǎn)直接控制雷賽動(dòng)器脈沖和方向、旋蓋、可調(diào)式擋板伸出縮進(jìn)、夾具夾緊等，這一系列動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了瓶子輸入、旋蓋、輸出。電氣設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)還有以下幾點(diǎn)：

（1）使用開關(guān)電源，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電，給三菱PLC負(fù)載、雷賽驅(qū)動(dòng)器、亞德客電磁閥、威倫觸摸屏、中間繼電器提供24 V直流電源，使用直流24 V作為控制電路，安全等級較高。

（2）電路用一個(gè)常開啟動(dòng)按鈕、一個(gè)常開復(fù)位按鈕、一個(gè)常閉的停止按鈕接入PLC輸入點(diǎn)，急停按鈕的常團(tuán)觸點(diǎn)控制著PLC輸出回路和觸摸屏電源，可以實(shí)現(xiàn)了PLC輸出回路的控制及觸摸屏電源控制，以達(dá)到急停的控制。

（3）使用歐式端子實(shí)現(xiàn)電氣接線，PLC輸出全部通過端子與設(shè)備相連，小型歐式端子灰色、藍(lán)色分別接控制電路24 V、0 V，大型歐式端子灰色、藍(lán)色分別接主電路220 V、0 V，大型歐式端子黃綠色為接地線，使得電路美觀、檢修方便，并且可以靈活改動(dòng)。

（4）使用中間繼電器控制220 V單相異步電動(dòng)機(jī)，PLC輸出點(diǎn)控制中間繼電器電磁線圈的得電，從而間接控制220 V單相異步電動(dòng)機(jī)火線通斷，從而達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行目的。

（5）PLC輸出點(diǎn)控制氣動(dòng)電磁閥的通斷，從而控制雙桿氣缸活塞伸出，縮回動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了旋蓋機(jī)可調(diào)式擋板控制、氣動(dòng)夾具控制、摩擦輪夾緊控制。

3.1.1 主電路設(shè)計(jì)

單相異步電機(jī)是電容運(yùn)轉(zhuǎn)式接法，由輔助啟動(dòng)繞組來輔助啟動(dòng)，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，運(yùn)轉(zhuǎn)速率大致保持定值。電機(jī)扭矩和功率成正比，和轉(zhuǎn)速成反比，瓶蓋的旋進(jìn)是由單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)摩擦輪進(jìn)行旋蓋的操作。在生產(chǎn)中，瓶蓋的大小、材質(zhì)、光滑度都不一樣，通過調(diào)節(jié)電壓來調(diào)節(jié)單相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩來適應(yīng)各類瓶蓋的旋緊，并且不傷瓶。電機(jī)的主電路設(shè)計(jì)圖如圖4，設(shè)備主電源供應(yīng)是單相220 V的交流電，Q是斷路器，KA是中間繼電器輔助觸頭，T是變壓器，C1、C2是電容，M1、M2是單相異步電機(jī)。斷路器具有過載與短路雙重保護(hù)作用，電容在電路中起到移相的作用，合成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

圖4 主電路電路圖

3.1.2 控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)備控制電路電源供應(yīng)是24 V的直流電，PLC輸出是Y0～Y6，控制雷賽脈沖和方向，一個(gè)繼電器、四個(gè)電磁閥，實(shí)現(xiàn)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)控制、單相異步電機(jī)控制、可調(diào)式擋板控制、旋蓋控制、夾具夾緊控制、摩擦輪夾緊控制，具體見如圖5。圖中的SB4是急停按鈕，串聯(lián)在PLC輸出控制回路，按下可切斷PLC所有輸出，使設(shè)備停止工作。PLC輸出負(fù)載統(tǒng)一用開關(guān)電源提供直流電。用PLC組成控制系統(tǒng)，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)。使用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，可根據(jù)PLC發(fā)出的指令控制傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)的距離、速度、啟停等動(dòng)作的配合。這樣設(shè)計(jì)設(shè)備具有非常強(qiáng)地穩(wěn)定性和控制靈活性。

圖5 控制電路圖

3.2 電氣元件選型

控制元件的選型主要考慮的幾個(gè)方面，一是工藝的實(shí)現(xiàn)，二是設(shè)備的壽命，三是工作穩(wěn)定性，四是支持國產(chǎn)。具體選型清單見表2。

表2 電氣元件匯總

控制系統(tǒng)的主要部件是PLC，項(xiàng)目的選型是三菱FX3G-24MT/ES。主要利用其以下特點(diǎn)：（1）最大擴(kuò)展支持256個(gè)點(diǎn)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，適合此設(shè)備的容量；（2）有內(nèi)置USB的通信端口，方便與電腦通訊；（3）晶體管輸出為漏型，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；（4）支持RUN模式中寫入，方便在線調(diào)試；（5）可以支持程序通過通訊線進(jìn)行PLC與觸摸屏通訊。

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器選擇的是雷賽伺服驅(qū)動(dòng)器DM860，DM860是一種低噪音數(shù)字式的一種，是屬于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器這一類。步進(jìn)電機(jī)選用的是與雷賽伺服驅(qū)動(dòng)器相對應(yīng)的是雷賽DM860步進(jìn)電機(jī)，它采用的兩相混合式的，能夠輸出的扭力比其它產(chǎn)品大，并且動(dòng)態(tài)性能也比其它產(chǎn)品要好，最主要的是步距角較小。溫度提升的速度較低還有可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。與雷賽DM860伺服驅(qū)動(dòng)器相配合使用，能夠發(fā)揮兩者的最大作用。

氣缸是選用?？怂剐吞柕腡N16-30和TN16-50、朝日TSDA26X30；?？怂共捎玫氖窍盗刑柕拇a為TN：雙桿雙軸復(fù)動(dòng)型、雙活塞氣缸，16：缸徑大小、30、50：行程大小，整體使用的是不銹鋼材料，可以防止空氣、水腐蝕，能夠提高密封性和耐磨性；氣缸的伸出縮回速度可以通過節(jié)流閥來調(diào)節(jié)，調(diào)到適合的速度。配合擋板和夾緊機(jī)構(gòu)能夠完成相關(guān)隔離、夾緊工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)概括

控制系統(tǒng)用的是三菱可控制編程器，使用與PLC對應(yīng)的最新編程軟件GX Works2軟件。用梯形圖編程方法編寫SFC語言，使用步進(jìn)梯形圖指令的程序，與SFC程序一樣，以機(jī)械的動(dòng)作為基礎(chǔ)，對各工序分配狀態(tài)S，作為連接在狀態(tài)。關(guān)于編寫程序的思考方法、狀態(tài)的種類以及動(dòng)作都與SFC程序相同，由于可以用梯形圖來表示，所以其實(shí)質(zhì)性內(nèi)容與SFC程序完全相同，可以作為熟悉的繼電器梯形圖使用。SFC程序和步進(jìn)梯形圖程序都是按照各自固定的規(guī)則編程的，可以相互轉(zhuǎn)換[3]。

人機(jī)界面用的是威綸通觸摸屏，其型號是TK6070IP，威綸通觸摸屏的實(shí)質(zhì)是一個(gè)虛擬的儀器儀表，操作員可以通過它與計(jì)算機(jī)之間交換信息，用于代替開關(guān)按鈕、監(jiān)控設(shè)備、控制設(shè)備等等，而且可以進(jìn)行數(shù)據(jù)修改和信息反饋。一般的開關(guān)按鈕是通過硬接線來控制PLC，而觸摸屏是采用各種通訊控制PLC，威綸通觸摸屏作為通訊主站，PLC是作為從站，主站讀寫從站。在人機(jī)界面編程時(shí)，選用的編程軟件是EasyBuilder8000，是威綸通推出的一個(gè)較新的編程軟件。編寫觸摸屏界面時(shí)，要定義PLC里地址，通訊是觸摸屏從PLC里提取這些地址數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)行修改。用戶可以通過顯示屏的觸碰修改PLC地址里的數(shù)據(jù)輕而易舉控制、調(diào)試設(shè)備，也可以讓編程人員想知道PLC的數(shù)據(jù)信息反饋到觸摸屏上，能簡易地進(jìn)行人機(jī)交互。

4.2 PLC程序設(shè)計(jì)

GX work2是三菱電機(jī)PLC編程軟件，用于進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)的編程工具。比幾年前的GX Developer增加了實(shí)用性功能，界面更加方便操作，變得更加容易使用。本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用梯形圖和SFC編程語言，兩種語言混合編程，既有梯形圖編程直觀、實(shí)用、對應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又有SFC編程語言控制流程清晰、方便順序控制的等優(yōu)點(diǎn)。本項(xiàng)目的編程見圖6。

圖6 傳送帶控制

SFC編程控制流程清晰，方便順序控制，DRVI是相對位置控制指令，分別是輸出脈沖數(shù)、輸出脈沖頻率、脈沖輸出起始地址、旋轉(zhuǎn)方向信號輸出起始地址。在程序里用了3個(gè)輸入點(diǎn)和7個(gè)輸出點(diǎn)，觸摸屏的3個(gè)輸入：啟動(dòng)、停止、復(fù)位地址分別為M20、M21、M22。在編寫程序前對程序的輸入輸出點(diǎn)作了以下定義，見表3。

表3 PLC的I/O分配表

在編寫旋蓋機(jī)的PLC程序時(shí)，首先進(jìn)行流程圖設(shè)計(jì)，詳見圖7，之后按這流程圖進(jìn)行PLC程序的編寫。

圖7 設(shè)備動(dòng)作流程圖

4.3 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

EasyBuilder8000是威綸通科技軟件有限公司一款軟件，專為觸摸屏編程設(shè)計(jì)，軟件功能強(qiáng)大，易學(xué)易用，適用于威綸通MK（TK）6000-8000系列機(jī)型。本項(xiàng)目的觸摸屏的主界面見圖8。

圖8 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

在編寫觸摸屏畫面時(shí)，為了達(dá)到直觀及友好的效果，背景圖是用SOLIDWORKS軟件繪制的3D圖。啟動(dòng)、停止、復(fù)位地址分別為 M20、M21、M22，當(dāng)前速度、累計(jì)瓶數(shù)、給定速度、旋蓋時(shí)間地址分別為D0、D1、D0、D3，其中，給定速度、旋蓋時(shí)間啟動(dòng)了輸入功能，可以修改參數(shù)調(diào)節(jié)設(shè)備。

5 設(shè)備調(diào)試及結(jié)果

設(shè)備各部件設(shè)計(jì)及加工完后，按圖紙進(jìn)行裝配，裝配完成后的設(shè)備見圖9，裝配好后還要對其各部分進(jìn)行調(diào)試。

圖9 設(shè)備完成裝配圖

首先做了機(jī)械調(diào)試。旋蓋機(jī)的旋蓋系統(tǒng)可以適應(yīng)多種指甲油瓶，包括：圓瓶、方瓶、圓臺(tái)瓶等（具體瓶的外形如圖10所示），柔性較強(qiáng)。

圖10 部分適用的瓶子圖

旋蓋機(jī)可以通過調(diào)節(jié)三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)適應(yīng)各種瓶子，第一是手輪調(diào)節(jié)整體旋蓋電機(jī)的高度，使旋蓋軸能夠在瓶蓋高度的中間位置，具體操作如下：先讓兩邊鎖緊螺絲松開。第二是通過調(diào)整壓桿氣缸的高度來適應(yīng)擰緊瓶蓋所需要的壓力，瓶蓋高的，壓桿高度也要隨著提高。第三是控制兩個(gè)旋蓋電機(jī)的間距，進(jìn)而調(diào)整下桿摩擦輪間距來適應(yīng)瓶蓋的直徑。之后還對電氣IO點(diǎn)作了測試，IO點(diǎn)測試正常后對控制柜進(jìn)行整體測試。

在機(jī)械及電氣裝配完后，進(jìn)行了程序調(diào)試。將一些瓶放在旋蓋機(jī)上進(jìn)行了測試。指甲油瓶自動(dòng)化旋蓋系統(tǒng)生產(chǎn)線從開始進(jìn)瓶到最后出瓶全部自動(dòng)化，具有速度可調(diào)、旋蓋緊度可調(diào)等。通過調(diào)節(jié)傳送帶速度、旋蓋時(shí)間、機(jī)械動(dòng)作配合間隔時(shí)間得到的測試結(jié)果如表4所示。

表4 調(diào)試數(shù)據(jù)記錄

上表要注意的是在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)倒瓶、卡瓶的現(xiàn)象也會(huì)影響生產(chǎn)速度和產(chǎn)品不良率。將表4的數(shù)據(jù)用曲線圖表示，得到圖11的參數(shù)關(guān)系圖。

圖11 設(shè)備調(diào)試參數(shù)關(guān)系圖

該圖標(biāo)X軸為刻度值，以調(diào)節(jié)范圍劃分10個(gè)刻度值，傳送帶速度設(shè)置為150～300 r/min；旋蓋機(jī)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)定為0.2～1.5 s；各部件機(jī)械動(dòng)作配合時(shí)間設(shè)定為0.1～0.8 s；出現(xiàn)的產(chǎn)品不良率為0～5%之間。從以上可以看出傳送帶速度與生產(chǎn)速度關(guān)系最大，當(dāng)生產(chǎn)速度大于一定范圍會(huì)應(yīng)為瓶子卡瓶、掉瓶導(dǎo)致生產(chǎn)中斷影響生產(chǎn)速度，也增大了瓶子不良率（瓶子損壞）。機(jī)械動(dòng)作配合時(shí)間與生產(chǎn)速度影響較小，與不良率（瓶子損壞）影響中等，旋蓋時(shí)間與生產(chǎn)速度影響中等，瓶子不良率（旋蓋緊度不足）影響大。在指甲油自動(dòng)化設(shè)備調(diào)試過程中，當(dāng)傳送帶脈沖速度為230 r/min，旋蓋時(shí)間為0.7 s，機(jī)械動(dòng)作配合時(shí)間平均為0.3 s，生產(chǎn)速度達(dá)到28瓶/min，不良率大概為2.3%。

對比于一般轉(zhuǎn)盤式的指甲油瓶旋蓋機(jī)，皮帶式輸送機(jī)可以更穩(wěn)定的運(yùn)行瓶子，再結(jié)合可調(diào)節(jié)寬度和高度的欄桿、擋瓶機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、旋蓋機(jī)，能夠適應(yīng)多種指甲油瓶，柔性較好。簡單的結(jié)構(gòu)，及簡易的控制系統(tǒng)，設(shè)備成本較低也易于維護(hù)，并且自動(dòng)化程度也較高。