張秋容，張文婷

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東河源 517000；2.宏達機械制造（河源）有限公司，廣東河源 517000）

0 引言

隨著用工荒及中國制造2025戰(zhàn)略發(fā)展趨勢，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)在尋求自我發(fā)展出路時加快了自動化升級改造的步伐［1］。以當前一些小型金屬件如螺釘、墊片、鑰匙模板等大多數(shù)依賴作坊式的微型企業(yè)生產(chǎn)為例，這些企業(yè)在包裝工序上多采用人工稱重包裝，存在著包裝精度有誤差及工作效率低下、生產(chǎn)成本高等不足。針對上述不足，本文以某鑰匙模板生產(chǎn)企業(yè)的包裝工序為目標，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)鏈狀況，采用UG軟件對鑰匙模板自動包裝裝置機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與建模，并采用PLC為控制核心，配合步進驅(qū)動系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)等控制裝置的協(xié)調(diào)運作，以實現(xiàn)鑰匙模板的高精度、高效率自動包裝。進而為其他小型金屬件生產(chǎn)企業(yè)的包裝工序?qū)崿F(xiàn)自動化生產(chǎn)提供參考方案。

1 裝置總體機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

鑰匙自動包裝裝置主要由機械手運輸機構(gòu)、開袋機構(gòu)和封裝機構(gòu)組成［2］。機械手在初始位置，取袋工位的旋轉(zhuǎn)氣缸向下旋轉(zhuǎn)，取袋吸盤氣缸伸出吸起袋子，然后旋轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)回原位，由固定工位上的手指氣缸固定袋子，固定后開袋吸盤氣缸伸出，與取袋氣缸上的吸盤一同吸住袋口，同時縮回打開袋口，伸縮氣缸也會同步縮回；第一次開口后，步進電機帶動軸轉(zhuǎn)動，移動工位到達開袋工位，進行二次開袋；接下來移動到送料及計數(shù)工位，進行鑰匙裝袋，達到預(yù)定數(shù)量后，移動到壓料工位，對袋口的鑰匙進行下壓，防止擋在封口位置；最后到達封口工位進行熱封口；封裝完成放下產(chǎn)品，移動工位回到原點位置重復(fù)以上工序。打包好的產(chǎn)品通過下方斜板滑向流水線送走。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體機械結(jié)構(gòu)

1.1 移動及固定工位

由于導(dǎo)軌絲桿傳動機構(gòu)在精確傳動中有極其突出的優(yōu)點［3］，自動包裝裝置的機械手運輸機構(gòu)主要采用了滾珠絲桿光軸和SBR直線導(dǎo)軌滑塊組成導(dǎo)軌，其滑臺上面則是可移動的固定工位，可隨絲杠進行左右傳動，如圖2所示。當取袋工位將水平放置的包裝袋旋轉(zhuǎn)90°并送至固定工位，夾袋寬度調(diào)整缸縮回且夾袋氣缸夾緊包裝袋，首次開袋吸盤和取袋工位吸盤同時吸壓實現(xiàn)首次開袋。考慮固定工位所需帶動的對象為鑰匙包裝袋，在落料工位時鑰匙進入袋中會增加重量，所以夾袋氣缸端部的夾具采用粗糙的橡膠塊來增大摩擦，同時袋子下方也有支撐板，當袋子達到一定重量時，由支撐板分擔一部分重量；首次開袋伸縮缸伸出后要注意吸嘴的末端處應(yīng)處于夾袋夾具中線過一點，以實現(xiàn)吸嘴完全接觸袋子，成功將袋子吸開。

圖2 移動工位結(jié)構(gòu)

1.2 開袋工位

開袋工位由1個升降氣缸和1個手指氣缸組成，如圖3所示。利用手指氣缸的張開和閉合，對包裝袋口進行再次開袋，屬于保證機構(gòu)，用于防止袋口不完全張開的情況發(fā)生，升降氣缸則是用于調(diào)節(jié)手指氣缸的高度位置，需要時下降使爪子進入袋口，不需要時上升，防止爪子與移動工位產(chǎn)生碰撞。

圖3 開袋工位結(jié)構(gòu)

1.3 封袋工位

封袋工位由1個升降氣缸和1個張力手指氣缸以及加熱片組成，如圖4所示，當移動工位到達熱封工位時，升降氣缸下降，張力手指氣缸閉合，加熱片將袋口封裝，然后張開、上升，即封裝完成，加熱片采用模擬量控制，防止溫度過低無法成功封口，或者溫度過高將袋口融穿。

圖4 封袋工位結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

自動包裝裝置運行時，步進電機、運動氣缸等按照預(yù)設(shè)的程序流程先后順序動作，具有運行效率高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等特點。

2.1 氣動控制系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)原理如圖5所示，圖中電磁閥線圈的通斷由PLC程序控制，進而可自動實現(xiàn)每個工位上各個氣缸所帶的工作機構(gòu)完成相應(yīng)的直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。真空發(fā)生器是利用正壓氣源產(chǎn)生負壓，與吸盤配合，達到吸附袋子的作用［4～6］。

圖5 氣動系統(tǒng)原理

2.2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 硬件設(shè)計

本電氣控制系統(tǒng)主要分為主電路和控制電路兩部分，系統(tǒng)I／O分配如表1所示。主電路選用兩相空氣開關(guān)作為整個控制電路的總開關(guān)，當兩相空氣開關(guān)接上時，外部220 V電壓通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需要的24 V電壓；通過端子排1將開關(guān)電源的24 V和0 V電壓傳輸給系統(tǒng)系統(tǒng)中其他元器件。

表1 控制系統(tǒng)I／O分配

選用西門子PLC為整個系統(tǒng)的控制器，但由于PLC本身的輸入輸出點不足，故采用SM 1223 DC模塊來增加輸入輸出點，兩者間利用接口完成信號對接［7］，具體控制電路圖如圖6～7所示。57步進主要控制用于工作臺的移動；端子排1與端子排2分別作為信號傳輸使用；開關(guān)電源則是起到將交流電轉(zhuǎn)為系統(tǒng)所需要直流電作用。

圖6 電氣控制系統(tǒng)原理（主模塊）

圖7 電氣控制系統(tǒng)原理（擴展模塊）

2.2.2 控制流程圖設(shè)計

按照裝置的任務(wù)要求，設(shè)計PLC程序工作流程如圖8所示。當按下開始按鈕，取袋工位、移動工位、開袋工位、壓料工位及封袋工位按單序列或并行序列順序執(zhí)行動作，每完成一次工序返回原點［8～9］。

圖8 控制流程

3 結(jié)束語

本文經(jīng)過裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及建模、氣動控制系統(tǒng)設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計和虛擬實驗調(diào)試，完成了基于PLC控制的小型金屬件自動包裝裝置設(shè)計，裝置可以實現(xiàn)螺釘、墊片、鑰匙模板等金屬件的自動包裝，運行穩(wěn)定、可靠，效果良好。設(shè)計中也存在一些不足，例如移動工位采用步進驅(qū)動系統(tǒng)，各個工位的位置準確性在多運行幾圈后會下降；取袋工位單獨采用吸盤取袋，相對于硬度及厚度較好的包裝袋裝置取袋精度很高，但對于較薄的包裝袋其取袋精度不夠。在以后的研究中，要進一步優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)方案，實現(xiàn)大范圍厚度包裝袋包裝工序的全自動化。