李 毅 葛 彬 白 偉 葉小波

（格力大松（宿遷）生活電器有限公司 宿遷 223800）

引言

隨著注塑工藝的不斷提高，塔式冷風(fēng)扇水箱外殼越來越多的采用水尺鑲件注塑。但在水尺鑲件注塑的過程中，需要人工手持水尺鑲件，爬到注塑機(jī)內(nèi)，將水尺鑲件安裝到注塑機(jī)內(nèi)模具上，等待員工爬出注塑機(jī)后，再進(jìn)行注塑。在生產(chǎn)時員工工作枯燥、時間長，人力投入多，勞動強(qiáng)度大、操作繁瑣等因素，嚴(yán)重影響冷風(fēng)扇水箱注塑成型的效率和質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此如何實現(xiàn)水箱的快速、穩(wěn)定注塑成型，成為了各家電企業(yè)的重點研究課題。本文正是在上述背景下和需求下，研究并設(shè)計出一種集中存儲水尺鑲件并有效投放水尺鑲件的裝置，實現(xiàn)水尺鑲件注塑的低人力投入，高效產(chǎn)出及產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

1 水尺鑲件存儲及供料裝置設(shè)計難點分析

1.1 水尺鑲件結(jié)構(gòu)分析

水尺鑲件，由注塑機(jī)注塑完成，材質(zhì)為透明PP塑料，長199 mm，寬20 mm，厚1.5 mm，內(nèi)部為不規(guī)則凹型。因為產(chǎn)品外形原因，在存儲時需要將水尺平鋪在定位工裝內(nèi)，搬運(yùn)投放時需要將水尺取出工裝，并水平投放到模具內(nèi)。水尺鑲件實物如圖1所示。

圖1 水尺鑲件

1.2 水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置設(shè)計難點分析

1）存儲機(jī)構(gòu)難點，水尺鑲件來料為整框來料，因為水尺鑲件的特殊外形及較大尺寸，在做定位時需要精確計算公差，并精準(zhǔn)設(shè)計避讓，在最小的區(qū)域面積內(nèi)，多集成定位機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)集中供料功能。

2）換位機(jī)構(gòu)難點，為了確保注塑機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)不停機(jī)注塑，在存儲機(jī)構(gòu)下部需要設(shè)計出能夠自動換位的機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)存儲機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置被取空后，能夠自動換位避空，因為存儲機(jī)構(gòu)存儲水尺較多，換位時容易出現(xiàn)累計誤差，造成第一個及最后一個取料位置偏移較多，取不出來現(xiàn)象。

3）取出機(jī)構(gòu)難點，因為水尺鑲件材料為透明PP塑料，且水尺長度較大，而厚度較薄，存在明顯變形等問題。又因為水尺鑲件上表面面積較小，在拿取時不方便定位，更不方便抓取和拿取，因此取出機(jī)構(gòu)需要達(dá)到能可靠取出，并能有效矯正變形功能。換位機(jī)構(gòu)要盡量輕便，且能夠方便的安裝于機(jī)器人（機(jī)械臂）手臂上，滿足機(jī)器人抓取物料功能。

4）控制程序設(shè)計難點，換位機(jī)構(gòu)在進(jìn)行邏輯控制時，因為與取出機(jī)構(gòu)有工作區(qū)間的交叉，存在機(jī)構(gòu)干涉問題，程序需要進(jìn)行規(guī)避。為了裝置能夠不停機(jī)供料，因此供料機(jī)構(gòu)采用循環(huán)供料方式，在程序設(shè)計時需要預(yù)留尾料數(shù)量提醒程序，這樣就將程序設(shè)計難度增加了一倍。

2 水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置方案設(shè)計

2.1 水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置硬件組成

水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置硬件主要分為存儲機(jī)構(gòu)、換位機(jī)構(gòu)、取出機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)四個部分組成。該套裝置所有的邏輯控制來源于系統(tǒng)控制PLC裝置。裝置硬件配置清單如表1，整體構(gòu)造如圖2所示。

表1 硬件配置清單

圖2 整體構(gòu)造

2.2 主要硬件設(shè)計

2.2.1 存儲機(jī)構(gòu)設(shè)計

針對水尺鑲件的材料及外形特殊性，專門設(shè)計一套存儲機(jī)構(gòu)，通過控制定位治具的公差，并通過定點避空處理，保證水尺鑲件在存儲機(jī)構(gòu)內(nèi)準(zhǔn)確定位，并有效矯正變形，通過等距復(fù)制處理，確保在510 mm×415 mm區(qū)域內(nèi)，存儲40片物料，根據(jù)注塑生產(chǎn)周期，確保1 h為加料周期。存儲機(jī)構(gòu)見圖3所示。

圖3 存儲機(jī)構(gòu)

2.2.2 換位機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了確保注塑機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)不停機(jī)注塑，在存儲機(jī)構(gòu)下部需要設(shè)計出能夠自動換位的機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)存儲機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置被取空后，能夠自動換位避空。

換位機(jī)構(gòu)見圖4所示。

圖4 換位機(jī)構(gòu)

2.2.3 取出機(jī)構(gòu)設(shè)計

針對水尺鑲件材料及外形的特殊性，專門開發(fā)專用的水尺鑲件搬運(yùn)機(jī)構(gòu)，可以實現(xiàn)從存儲機(jī)構(gòu)中穩(wěn)定、高效的拿出水尺鑲件，并能夠安全、可靠、不變形的放到注塑機(jī)內(nèi)部的模具中（取出機(jī)構(gòu)搭載在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人手臂上）。

取出機(jī)構(gòu)見圖5所示。

圖5 取出機(jī)構(gòu)

2.2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

針對換位機(jī)構(gòu)的動作流程，專門設(shè)計一套水尺鑲件存儲及搬運(yùn)的硬件電路，可以實現(xiàn)與搭載取出機(jī)構(gòu)的機(jī)械手（機(jī)械臂）通訊，實現(xiàn)取出機(jī)構(gòu)和存儲機(jī)構(gòu)不干涉，也能夠?qū)崿F(xiàn)尾料數(shù)量提醒功能。

水尺鑲件存儲及搬運(yùn)控制電路見圖6所示。

圖6 水尺鑲件存儲及搬運(yùn)控制

3 軟件設(shè)計

PLC邏輯控制電路集成在控制箱內(nèi)部，控制箱外側(cè)開有按鈕孔，作為人機(jī)交互界面使用，按鈕面板見圖7所示[2]。

圖7 按鈕面板

程序設(shè)計邏輯為，第一次使用時，PLC系統(tǒng)上電自檢完成后，點亮三色燈黃燈，員工按下復(fù)位按鈕三秒，圖4中定位機(jī)構(gòu)中的氣缸縮回，此時員工將換位機(jī)構(gòu)推回右側(cè)原點（有機(jī)械死擋），然后松開復(fù)位按鈕，圖4中定位機(jī)構(gòu)中的氣缸伸出，此時機(jī)構(gòu)復(fù)位完成（機(jī)械回到原點，控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)清零）。

當(dāng)員工將存儲機(jī)構(gòu)內(nèi)部裝滿物料（水尺鑲件），按下按鈕面板上的啟動按鈕，此時表示上料完成，PLC系統(tǒng)向機(jī)器人（機(jī)械臂）發(fā)送可以取料信號，同時三色燈綠燈點亮，機(jī)器人（機(jī)械臂）可以下降取料。

機(jī)器人（機(jī)械臂）下降到取料位置后，觸發(fā)電磁閥（電磁閥為機(jī)械臂或機(jī)械手自帶），對取出機(jī)構(gòu)輸出負(fù)壓，圖5取出機(jī)構(gòu)中寶塔吸盤吸附水尺鑲件，負(fù)壓信號達(dá)到設(shè)定值時（負(fù)壓表為機(jī)械臂或機(jī)器人自帶），機(jī)器人（機(jī)械臂）升起。

當(dāng)機(jī)器人（機(jī)械臂）取完物料后，PLC系統(tǒng)接收到完成信號，此時PLC邏輯程序運(yùn)行，將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的定位氣缸伸出，然后將圖4中定位機(jī)構(gòu)中的氣缸縮回，當(dāng)定位機(jī)構(gòu)中的定位氣缸縮回時，圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的爬行氣缸伸出，將換位機(jī)構(gòu)向左推行一個氣缸距離，當(dāng)圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的爬行氣缸伸出時，將圖4中定位機(jī)構(gòu)中的氣缸伸出，確保換位機(jī)構(gòu)不會回退，此時將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的定位氣缸縮回，再將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的爬行氣缸縮回，并將PLC內(nèi)部計數(shù)器加一，至換位機(jī)構(gòu)整體向左爬行一個氣缸行程距離，并帶動存儲機(jī)構(gòu)爬行一個氣缸行程距離。

當(dāng)換位機(jī)構(gòu)向左爬行了19次時，圖4換位機(jī)構(gòu)中縱向換位機(jī)構(gòu)伸出，將換位機(jī)構(gòu)整體向上移動一個縱向換位氣缸行程距離，并將PLC內(nèi)部計數(shù)器加一，此時計數(shù)器數(shù)據(jù)為20。

當(dāng)機(jī)器人或機(jī)械臂再次將物料拿取并向PLC發(fā)送拿取完成信號時，圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的爬行氣缸伸出，然后將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中定位氣缸伸出，再將圖4中定位機(jī)構(gòu)中的氣缸縮回，最后將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的爬行氣缸縮回，此時換位機(jī)構(gòu)及存儲機(jī)構(gòu)整體向右爬行一個換位氣缸行程距離，此時圖4中定位機(jī)構(gòu)中的氣缸伸出，再將將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中定位氣缸縮回，最后將圖4橫向換位機(jī)構(gòu)中的爬行氣缸縮回，并將PLC內(nèi)部計數(shù)器加一。

當(dāng)換位機(jī)構(gòu)向左爬行了35次時，此時PLC系統(tǒng)觸發(fā)尾料報警，此時點亮三色燈紅燈并實現(xiàn)1 s閃爍，當(dāng)員工將物料補(bǔ)充完畢時，按下復(fù)位按鈕，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

當(dāng)換位機(jī)構(gòu)向左爬行了39次時，圖4換位機(jī)構(gòu)中縱向換位機(jī)構(gòu)縮回，將換位機(jī)構(gòu)整體向下移動一個縱向換位氣缸行程距離，并將PLC內(nèi)部計數(shù)器清零，此時循環(huán)重新開始。PLC邏輯運(yùn)算指令如圖8所示[3]。

圖8 PLC邏輯運(yùn)算指令

4 設(shè)計驗證及使用維護(hù)

4.1 設(shè)計驗證

根據(jù)上文設(shè)計原理，水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置進(jìn)行制作、驗證。該工裝共開發(fā)3套，和人工投料生產(chǎn)相比，效率提高50 %，單人、三套裝置即可滿足班組單日3000PCS生產(chǎn)需求。員工操作難度大大減少，勞動強(qiáng)度明顯減輕。裝置運(yùn)行可靠，各硬件匹配良好，產(chǎn)品產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計要求。

4.2 日常使用維護(hù)

水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置使用前必須接入壓縮空氣，氣壓調(diào)整在0.5KPa左右。接入AC220 V電源，第一次上電使用需要回原點，然后就可以正常生產(chǎn)工作。使用完畢后，需將治具妥善保存不能磕碰避免損壞。

5 總結(jié)

水尺鑲件存儲及搬運(yùn)裝置實現(xiàn)了集中存儲水尺鑲件并有效投放水尺鑲件的裝置，實現(xiàn)水尺鑲件注塑的低人力投入，高效產(chǎn)出及產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定可靠，不停機(jī)即可補(bǔ)料功能，解放員工由原先需要人工手持水尺鑲件，爬到注塑機(jī)內(nèi)，將水尺鑲件安裝到注塑機(jī)內(nèi)模具上，等待員工爬出注塑機(jī)后，再進(jìn)行注塑生產(chǎn)，變成只需要30 min補(bǔ)充一次物料的工作，設(shè)備操作簡單，運(yùn)行可靠具有良好的推廣性。通過以上軟硬件的設(shè)計，不僅大大降低了水箱生產(chǎn)的人力投入成本及勞動強(qiáng)度，同時對家電行業(yè)鑲件注塑自動化推進(jìn)具有較高的指導(dǎo)意義。