熊長(zhǎng)煒 莫天旭 虞曉瓊 趙健洲 劉志偉

摘 要：【目的】針對(duì)珠三角小企業(yè)茶壺濾筒生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人工用量較多、生產(chǎn)率較低和成本較高的實(shí)際情況，改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化?！痉椒ā吭O(shè)計(jì)茶壺濾筒組裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用振動(dòng)篩輸送濾筒、底蓋和上蓋；設(shè)計(jì)濾筒輸送機(jī)構(gòu)、濾筒往復(fù)送料機(jī)構(gòu)、底蓋裝配機(jī)構(gòu)、上蓋裝配機(jī)構(gòu)、濾筒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和焊接裝置?！窘Y(jié)果】經(jīng)過(guò)裝配測(cè)試并改進(jìn)完善，實(shí)現(xiàn)了茶壺濾筒生產(chǎn)自動(dòng)化，并通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)?！窘Y(jié)論】該茶壺濾筒組裝機(jī)能減少小企業(yè)的員工數(shù)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人轉(zhuǎn)型升級(jí)，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：茶壺濾筒；組裝機(jī)；焊接

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0035-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.007

Teapot Filter Cartridge Assembly Machine Design

XIONG Changwei1，3 MO Tianxu1，2 YU Xiaoqiong1，3 ZHAO Jianzhou4 LIU Zhiwei1，3

（1. Department of Intelligent Manufacturing， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808，China; 2. School of ?Mechanical Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan 523808，China; 3. Collaborative Innovation Center for Machine Vision and Intelligent Manufacturing， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808，China；4. Intelligent Manufacturing Skills Master Studio， Dongguan Polytechnic， Dongguan 523808，China）

Abstract： [Purposes] In view of the actual situation of large labor consumption， low productivity and high cost of teapot filter cartridge production site in small enterprises in the Pearl River Delta， the production process is improved to realize production automation. [Methods] ?The mechanical structure of the teapot filter cartridge assembly machine was designed. The vibrating screen was used to transport the filter cylinder， the bottom cover and the top cover.The filter cylinder conveying mechanism， the filter cylinder reciprocating feeding mechanism， the bottom cover assembly mechanism， the top cover assembly mechanism， the filter cylinder turnover mechanism and the welding device were designed.[Findings] After assembly testing and improvement， the automatic production of the teapot filter cartridge was realized and passed the production practice test. [Conclusions] It reduces the number of employees of small enterprises， realizes the transformation and upgrading of machine replacement， improves the production efficiency， product quality and economic benefits， reduces the production cost of enterprises， and improves the market competitiveness of enterprises.

Keywords： teapot filter cartridge; assembly machine; welding

0 引言

目前，小企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)面臨各類(lèi)問(wèn)題，如效率低、質(zhì)量低及成本高等。小企業(yè)機(jī)械自動(dòng)化程度比較低，勞動(dòng)成本較高，產(chǎn)品質(zhì)量不高且不穩(wěn)定。筆者參考了自動(dòng)化生產(chǎn)線的同類(lèi)案例［1-4］，對(duì)茶壺濾筒生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝技術(shù)進(jìn)行了探討，也對(duì)一些不合理的工藝路線進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)茶壺濾筒生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化。本研究設(shè)計(jì)出茶壺濾筒生產(chǎn)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)茶壺濾筒生產(chǎn)自動(dòng)化，縮短了生產(chǎn)周期，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，并減少了用工數(shù)量，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，從而降低企業(yè)生產(chǎn)成本，保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)提升企業(yè)自身的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義。

1 茶壺濾筒組裝機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 組裝機(jī)的功能要求

茶壺的濾筒由茶壺濾網(wǎng)（濾筒的圓柱部分）、底蓋和上蓋組成，如圖1所示。

采用振動(dòng)盤(pán)輸送濾網(wǎng)、底蓋和上蓋進(jìn)行組裝，將濾網(wǎng)下端壓入底蓋后再將上蓋壓入濾網(wǎng)上端，接著把組裝的濾筒送入焊接工位進(jìn)行焊接，焊接時(shí)由電機(jī)帶動(dòng)濾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍對(duì)準(zhǔn)連接處進(jìn)行六點(diǎn)焊接，焊槍的位置固定不動(dòng)。組裝機(jī)具體的總體布局如圖2所示。

1.2 總體布局設(shè)計(jì)

根據(jù)濾筒的組成零件及焊接等功能要求，對(duì)茶壺濾筒組裝機(jī)進(jìn)行整體布局和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。茶壺濾筒組裝機(jī)主要?jiǎng)澐譃檩斔途€裝置、往復(fù)送料機(jī)構(gòu)、底蓋裝配機(jī)構(gòu)、上蓋裝配機(jī)構(gòu)、濾筒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和焊接機(jī)構(gòu)裝置等六部分，如圖2所示。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 濾筒輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。動(dòng)力鏈條皮帶輸送機(jī)構(gòu)接收來(lái)自振動(dòng)盤(pán)投放的濾筒，為了配合下一道工序底蓋送料機(jī)構(gòu)、上蓋裝配機(jī)構(gòu)的動(dòng)作節(jié)拍，需要在此輸送環(huán)節(jié)對(duì)濾網(wǎng)按照固定100 mm間距進(jìn)行平穩(wěn)有序的輸送。動(dòng)力鏈條皮帶輸送機(jī)構(gòu)為帶式輸送機(jī)，其寬度為100 mm的PVC輸送帶，輸送帶支撐方式為托輥支撐。以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)所有托輥向同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)而帶動(dòng)輸送帶向前輸送濾筒。輸送帶上方設(shè)有濾筒限位機(jī)構(gòu)，使濾網(wǎng)能夠保持直立狀態(tài)并讓濾筒輸送方向與往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡爪抓取位置對(duì)正。

振動(dòng)盤(pán)下料口設(shè)有傳感器，每投放一個(gè)濾筒后傳感器獲取信號(hào)反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶向前運(yùn)行100 mm后等待振動(dòng)盤(pán)投放下一個(gè)濾網(wǎng)，以此類(lèi)推保持濾網(wǎng)在輸送帶上按照100 mm等間距排列輸送至下一工序，往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的卡爪形狀再次對(duì)濾筒進(jìn)行位置校正。

2.2 濾筒往復(fù)送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)如圖4所示。往復(fù)送料機(jī)構(gòu)由左右對(duì)稱(chēng)的兩部分組成。機(jī)構(gòu)底座槽內(nèi)安裝有滾珠絲杠，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可沿著縱向?qū)к壱苿?dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與下方滾珠絲杠螺母固定連接，絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)絲杠螺母可帶動(dòng)往復(fù)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)控制往復(fù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向及距離。往復(fù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方安裝有夾緊氣缸和夾爪支架，夾爪支架上等間距安裝有4個(gè)卡爪，通過(guò)夾緊氣缸的伸縮可以帶動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及夾爪運(yùn)動(dòng)完成夾取和釋放動(dòng)作。夾爪間距與濾筒間距保持100 mm，夾爪前段呈開(kāi)口狀，大于濾筒直徑，可在夾取濾筒的同時(shí)對(duì)濾筒間距的偏差進(jìn)行自動(dòng)修正。

2.3 底蓋裝配機(jī)構(gòu)

裝配機(jī)構(gòu)如圖5所示。往復(fù)送料機(jī)構(gòu)在底蓋裝配和上蓋裝配兩道工序中往復(fù)運(yùn)行傳遞工件。當(dāng)濾筒由動(dòng)力鏈條皮帶輸送機(jī)構(gòu)輸送至底蓋裝配機(jī)構(gòu)前方時(shí)，往復(fù)送料機(jī)構(gòu)向動(dòng)力鏈條皮帶輸送機(jī)構(gòu)移動(dòng)并夾取4個(gè)濾網(wǎng)，夾取濾筒后往復(fù)送料機(jī)構(gòu)向后運(yùn)動(dòng)將這4個(gè)濾網(wǎng)運(yùn)送至底蓋裝配機(jī)構(gòu)正下方預(yù)定工位。當(dāng)傳感器檢測(cè)到底蓋存料振動(dòng)盤(pán)下料口存在底蓋，回轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)底蓋抓取機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，抓取底蓋放料振動(dòng)盤(pán)投放在緩存架上的底蓋，回轉(zhuǎn)氣缸反向旋轉(zhuǎn)90°使底蓋抓取機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)濾筒并將底蓋平穩(wěn)投放至第一個(gè)濾筒上。往復(fù)運(yùn)料機(jī)構(gòu)繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)100 mm，此時(shí)底蓋抓取機(jī)構(gòu)將底蓋安裝至第二個(gè)濾筒上。當(dāng)傳感器檢測(cè)到濾筒上方存在底蓋時(shí)，下壓機(jī)構(gòu)將第一個(gè)濾筒上的底蓋壓緊至濾筒底部。往復(fù)運(yùn)料機(jī)構(gòu)繼續(xù)向后運(yùn)動(dòng)完成第二個(gè)濾網(wǎng)的壓蓋動(dòng)作后將兩個(gè)濾筒運(yùn)送至頂蓋裝配機(jī)構(gòu)進(jìn)行下一工序——頂蓋的裝配。

2.4 上蓋裝配機(jī)構(gòu)

濾筒經(jīng)過(guò)底蓋裝配機(jī)構(gòu)完成底蓋的安裝后，由往復(fù)送料機(jī)構(gòu)運(yùn)送至上蓋裝配機(jī)構(gòu)，與上一道工序相似，本工序需要準(zhǔn)確抓取上蓋并安裝在濾筒頂部。如圖6所示，往復(fù)送料機(jī)構(gòu)作為底蓋裝配機(jī)構(gòu)和上蓋裝配機(jī)構(gòu)的共用部件，在兩道工序中往復(fù)運(yùn)行傳遞工件。

濾網(wǎng)在底蓋裝配機(jī)構(gòu)完成底蓋裝配后，經(jīng)由往復(fù)送料機(jī)構(gòu)輸送至上蓋裝配預(yù)定位置。上蓋存料振動(dòng)盤(pán)投放上蓋至緩存架，當(dāng)傳感器檢測(cè)到上蓋存料振動(dòng)盤(pán)的上蓋緩存架存在上蓋，回轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)使旋蓋機(jī)構(gòu)正對(duì)緩存架，下壓氣缸伸出，旋蓋機(jī)構(gòu)抓取上蓋后下壓氣缸收縮復(fù)位，回轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)90°使旋蓋機(jī)構(gòu)正對(duì)濾筒上方。下壓氣缸伸出帶動(dòng)旋蓋機(jī)構(gòu)將上蓋裝配至濾筒上方，同時(shí)旋蓋機(jī)構(gòu)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓手旋轉(zhuǎn)使上蓋旋進(jìn)濾筒內(nèi)與濾筒緊密配合。下壓氣缸收縮復(fù)位完成一次上蓋裝配并進(jìn)入下一次上蓋裝配動(dòng)作。上蓋裝配完成后由往復(fù)送料機(jī)構(gòu)將組裝后的濾筒運(yùn)送至下一工序進(jìn)行濾芯的翻轉(zhuǎn)。

2.5 濾筒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

濾筒經(jīng)過(guò)前面工序完成了底蓋、上蓋的裝配工作，由于后方焊接工位焊接裝置的布置特點(diǎn)，需要將濾筒水平放置，因此設(shè)計(jì)了濾筒翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。如圖7所示，兩幅滾珠絲杠安裝在方架上方，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母安裝在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方，滾珠絲杠可帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿絲杠軸向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分為上下兩層，上層與絲杠螺母固定連接，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上層安裝有導(dǎo)向柱和氣缸。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下層安裝在導(dǎo)向柱上，通過(guò)氣缸伸縮驅(qū)動(dòng)可沿導(dǎo)向柱做豎直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下層安裝有回轉(zhuǎn)氣缸，回轉(zhuǎn)氣缸末端安裝有電機(jī)和抓手，回轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)可驅(qū)動(dòng)電機(jī)及抓手做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)可帶動(dòng)抓手的開(kāi)合。

上一步工序中濾網(wǎng)上蓋裝配完成，往復(fù)運(yùn)料機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)將裝配好的濾筒運(yùn)送至翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下方，氣缸伸出使抓手向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)讓抓手打開(kāi)，到達(dá)濾筒位置后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使抓手閉合抓取濾筒，氣缸收縮使抓手升高。此時(shí)，回轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)90°，帶動(dòng)抓手及濾筒旋轉(zhuǎn)，濾筒的姿態(tài)由豎直變?yōu)樗?。此時(shí)，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上所有部件及濾筒向后移動(dòng)至輸送帶上方，氣缸伸出使抓手向下運(yùn)動(dòng)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)使抓手打開(kāi)將濾筒放置到輸送帶上。輸送帶運(yùn)行將濾筒輸送至下一工位進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)。

2.6 焊接裝置機(jī)構(gòu)

濾筒被輸送帶水平輸送至點(diǎn)焊機(jī)下方。此時(shí)需要將濾筒安裝到點(diǎn)焊機(jī)定位模具上以方便焊接，焊接完成后需要將濾筒取下運(yùn)送至成品料箱，完成濾筒的制作過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)上述工作設(shè)計(jì)一套點(diǎn)焊裝置，如圖8所示。來(lái)料輸送機(jī)位于工位的前端，成品輸送機(jī)位于工作位的末端，點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)位于工位的中心位置，點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)一側(cè)為2臺(tái)精密點(diǎn)焊機(jī)，下方設(shè)置2套點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)。特別說(shuō)明的是，為了保持機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，2套點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)、2臺(tái)精密點(diǎn)焊機(jī)的布置間距與點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的抓手間距相同，可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)工作的動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率。

點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)如圖9所示。點(diǎn)焊搬運(yùn)裝置以龍門(mén)框架作為基礎(chǔ)，上方設(shè)有縱向和橫向運(yùn)動(dòng)模組，橫向運(yùn)動(dòng)模組與縱向運(yùn)動(dòng)裝置的絲桿螺母固定連接，縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以帶動(dòng)橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其附屬部件沿縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的絲杠螺母與回轉(zhuǎn)氣缸固定連接，回轉(zhuǎn)氣缸下方安裝有一對(duì)抓手，橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的絲桿可以帶動(dòng)回轉(zhuǎn)氣缸及抓手沿橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。抓手負(fù)責(zé)抓取和釋放濾筒。

點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)如圖10所示。底座內(nèi)安裝有由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠，絲杠螺母與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)固定連接。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方設(shè)有4根立柱，立柱頂端固定有V形槽支架，V形槽支架下方運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上傾斜安裝一根導(dǎo)軌。導(dǎo)軌滑塊上安裝有旋轉(zhuǎn)裝置，旋轉(zhuǎn)裝置包含電機(jī)及轉(zhuǎn)輪，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)對(duì)濾筒焊口進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)裝置通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)可沿軌道方向前后運(yùn)動(dòng)。

濾筒裝配完成后經(jīng)由來(lái)料輸送機(jī)輸送至點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)下方。系統(tǒng)控制點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)抓取濾筒移動(dòng)至第一焊接工位，此時(shí)第一焊接工位的點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)至最后端為等待狀態(tài)。點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將濾筒放置到V形槽支架上。此時(shí)，系統(tǒng)控制點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連同濾筒向前移動(dòng)，濾筒的高度與精密點(diǎn)焊機(jī)定位模具一致，濾筒被推至定位模具上，精密點(diǎn)焊機(jī)開(kāi)始對(duì)頂蓋位置進(jìn)行施焊，同時(shí)點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)上的打磨裝置在氣缸推動(dòng)下沿斜軌道向前靠近濾筒對(duì)濾筒焊點(diǎn)進(jìn)行打磨。焊接完成后點(diǎn)焊送料機(jī)構(gòu)向后退回初始位置。點(diǎn)焊搬運(yùn)機(jī)構(gòu)會(huì)將制作完成的濾筒搬運(yùn)至成品輸送機(jī)，然后返回繼續(xù)執(zhí)行下一生產(chǎn)循環(huán)的工作，成品輸送機(jī)將濾筒輸送至末端經(jīng)過(guò)下料溜槽落入成品料斗內(nèi)，至此濾筒的整套裝配及焊接工作完成。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究在分析茶壺濾筒手工生產(chǎn)工藝缺陷的基礎(chǔ)上，按照茶壺濾筒自動(dòng)化組裝機(jī)功能要求，完成對(duì)茶壺濾筒組裝機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，較好地實(shí)現(xiàn)了組裝功能。經(jīng)過(guò)多次實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試，企業(yè)將組裝機(jī)投入生產(chǎn)使用，可減少用工數(shù)量，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。但是茶壺濾筒的設(shè)計(jì)還可進(jìn)一步優(yōu)化，可以進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝，將濾筒和上蓋做成一體，再將缺口焊接和打磨制成成品，這些都有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

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