燈頭座鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝曉曦

（五邑大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，江門 529020）

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燈頭座鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝曉曦

（五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江門 529020）

摘 要：為提高E26型燈頭座的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，對(duì)其關(guān)鍵工序鋁圈的裝配進(jìn)行了自動(dòng)化改造。針對(duì)鋁圈的結(jié)構(gòu)特征及其殼薄易變形的特點(diǎn)，精心選擇定位方案和夾持方式，結(jié)合裝配工藝要求提出并設(shè)計(jì)了鋁圈的總體裝配機(jī)構(gòu)，包括送料機(jī)構(gòu)、隔料機(jī)構(gòu)、加料機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)料機(jī)構(gòu)等；另外為了實(shí)現(xiàn)鋁圈的自動(dòng)化裝配，還設(shè)計(jì)了專門的自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，配合氣動(dòng)控制回路可實(shí)現(xiàn)鋁圈裝配的準(zhǔn)確控制，并能滿足生產(chǎn)節(jié)拍的要求。實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的燈頭座鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)具有可行性，能有效提高鋁圈裝配生產(chǎn)的效率和裝配質(zhì)量的一致性。

關(guān)鍵詞：燈頭座；鋁圈；自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)；控制系統(tǒng)

0　引言

燈頭座是燈飾產(chǎn)品不可缺少的基礎(chǔ)配件之一，它包括鋁圈、舌片、瓷套、導(dǎo)線等零件，目前主要依賴手工進(jìn)行裝配，生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品質(zhì)量一致性差是其長(zhǎng)期困擾企業(yè)生產(chǎn)的老大難問(wèn)題［1］。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)燈飾的需求不斷增加以及對(duì)燈飾質(zhì)量的要求逐漸嚴(yán)格，采用傳統(tǒng)手工裝配的生產(chǎn)模式日益顯現(xiàn)其弊端，現(xiàn)如今已成為制約中小燈具配件企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸［2］。顯然，燈具配件制造及裝配實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是燈具加工制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，并成為相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)努力追求的目標(biāo)。

越來(lái)越多的中小企業(yè)在高密度人工操作的裝配環(huán)節(jié)采用自主設(shè)計(jì)的小型自動(dòng)化裝配設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化裝配［3～5］，以提高生產(chǎn)效率并改善裝配質(zhì)量。在此機(jī)器換人的大背景下，本文以E26型燈頭座的裝配工位作為研究對(duì)象，圍繞其中裝配較為棘手的具有薄殼特征的鋁圈開(kāi)展自動(dòng)化裝配探索，根據(jù)鋁圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及生產(chǎn)裝配工序流程，研發(fā)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)鋁圈自動(dòng)裝配的機(jī)械裝置以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，籍此實(shí)現(xiàn)了鋁圈裝配的初步自動(dòng)化，既節(jié)約了人力還提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)裝配質(zhì)量亦有較大程度提高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

1　燈頭座裝配工藝及鋁圈裝配的特點(diǎn)

圖1所示為E26型燈頭座的組成示意圖。其裝配的工藝流程為：輔助下模固定在工作臺(tái)上，先將三個(gè)鉚釘分別放置于該下模的三個(gè)導(dǎo)柱上，接著將鋁圈上的兩個(gè)鉚孔對(duì)準(zhǔn)邊頭的兩個(gè)鉚釘并讓其下落套裝在相應(yīng)的鉚釘上，然后將舌片放入中間鉚釘上，之后分別將瓷套和導(dǎo)線按圖示位置對(duì)準(zhǔn)鉚釘放置，最后利用沖頭將鉚釘沖壓翻邊，即可完成燈頭座的裝配。

圖1　E26型燈頭座組成及鋁圈結(jié)構(gòu)示意圖

從裝配工藝的角度看，鋁圈的裝配是在鉚釘放置之后進(jìn)行的，此時(shí)鉚釘被倒T形放置在三根導(dǎo)柱上，由于鉚釘與鉚孔間預(yù)留裝配的間隙較小，同時(shí)倒置的鉚釘與導(dǎo)柱之間也存在配合間隙，因此鉚釘存在位置誤差并極易受到震動(dòng)的影響而脫落，所以在進(jìn)行鋁圈裝配時(shí)需嚴(yán)格保證鋁圈上的兩對(duì)稱孔與左右兩個(gè)鉚釘對(duì)準(zhǔn)，否則將導(dǎo)致鉚釘?shù)袈浠蜾X圈無(wú)法放置在正確的位置上。顯然，讓鋁圈準(zhǔn)確對(duì)位鉚釘有一定的難度，這是本文自動(dòng)裝配裝置的一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)。

另外，從鋁圈的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上看，由于鋁圈殼體只有0.4mm厚且為鋁材制造，因此在送料和裝配的過(guò)程中極易產(chǎn)生變形，而當(dāng)鋁圈的變形量超過(guò)1mm時(shí)，鋁圈將無(wú)法正常地裝配到規(guī)定的位置。特別地，鋁圈可以定位的部位顯然是上部的開(kāi)口槽，而該零件用于固定的鉚孔又恰位于槽口上方，若夾持力的大小及施力點(diǎn)的選擇不當(dāng)，則很容易造成變形過(guò)大而導(dǎo)致鋁圈鉚孔無(wú)法對(duì)準(zhǔn)鉚釘。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鋁圈上料的過(guò)程當(dāng)中：若從A、B兩點(diǎn)施加夾緊力（為避免與定位元件發(fā)生干涉，夾持部位低于鋁圈開(kāi)口槽的下緣，以下同），則容易使鋁圈開(kāi)口槽外張而導(dǎo)致兩個(gè)鉚孔的孔距增大而產(chǎn)生位置誤差，并容易造成鋁圈下端失圓而難以套入下模；若在C、D兩點(diǎn)作用夾持力，此時(shí)鋁圈變形主要為下端失圓，不過(guò)在相同夾持力的情況下，不僅鋁圈下端失圓相對(duì)較小，而且鋁圈上端的開(kāi)口槽變形亦較小；若在E、F兩點(diǎn)作用夾持力時(shí)，則鋁圈變形主要表現(xiàn)為上端的兩個(gè)鉚孔會(huì)發(fā)生錯(cuò)位性外張的變形，此時(shí)鉚孔對(duì)準(zhǔn)鉚釘更加困難，而且鋁圈下端還同樣產(chǎn)生不小的失圓形變。綜上，對(duì)鋁圈的夾持部位宜布置在C、D兩點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)鋁圈的自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)時(shí)，從隊(duì)列送料到夾持就位再到裝配至下模，還需要使鋁圈處于一種相對(duì)獨(dú)立而不受過(guò)分?jǐn)D壓的狀態(tài)，唯有如此才能控制鋁圈的變形量不影響正常的裝配。另外需要指出的是，本案E26型燈頭座鋁圈在夾緊力為4N時(shí)，可以滿足夾持要求，此時(shí)最大變形量不超過(guò)0.8mm，因此，在鋁圈自動(dòng)裝配過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)確保鋁圈受到的壓力不大于4N為宜。

2　鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了鋁圈在整個(gè)裝配過(guò)程中不發(fā)生擠壓和形變，確保裝配位置的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)時(shí)，將鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)分為4個(gè)部分，分別是送料機(jī)構(gòu)、隔料機(jī)構(gòu)、夾料機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)料機(jī)構(gòu)，如圖2所示。鋁圈通過(guò)震盤分揀并排序進(jìn)入送料機(jī)構(gòu)，經(jīng)隔料機(jī)構(gòu)將待裝配的鋁圈隔離和定位后，夾料機(jī)構(gòu)在導(dǎo)料機(jī)構(gòu)的輔助下將鋁圈輸送至裝配輔助下模的指定位置，至此完成鋁圈的裝配，接著可進(jìn)入后續(xù)的裝舌片工位和裝瓷套工位。

圖2　鋁圈裝配機(jī)總體設(shè)計(jì)方案

2.1送料槽

鋁圈裝配時(shí)必須保證不干涉已放在下模左右導(dǎo)柱上的鉚釘，要求裝配時(shí)鋁圈上兩對(duì)稱孔與左右導(dǎo)柱對(duì)準(zhǔn)，因此送料過(guò)程中需限制鋁圈的位置。送料槽利用鋁圈的U型缺口，限定鋁圈的上料狀態(tài)，即在送料槽上方采用T型軌道設(shè)計(jì)，限制鋁圈的自由度，保證安裝位置正確。為防止在送料過(guò)程中鋁圈相互擠壓導(dǎo)致變形，因此在送料槽上加開(kāi)導(dǎo)向槽進(jìn)行隔料。

2.2隔料機(jī)構(gòu)

隔料的目的是將待裝配的鋁圈從送料槽中分離出來(lái)，隔料機(jī)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)待裝配鋁圈進(jìn)入裝配位置，擋料氣缸②帶動(dòng)前擋料板④處于前伸狀態(tài)，避免鋁圈從前端掉落。檢測(cè)到鋁圈到達(dá)隔料位置后，隔料氣缸①前伸，帶動(dòng)隔料板③擋住后面的鋁圈，從而完成了鋁圈的隔料。

圖3　隔料機(jī)構(gòu)

2.3夾料機(jī)構(gòu)

夾料機(jī)構(gòu)的目的是將待裝配鋁圈推入正確的裝配位置。如圖4所示，夾料機(jī)構(gòu)由三部分組成，夾持裝置①、夾料氣爪②、送料氣缸③。為防止鋁圈在夾送過(guò)程脫落或變形，夾持裝置①設(shè)計(jì)為半圓弧狀并選用橡膠作材料。夾料過(guò)程中，夾料氣爪②帶動(dòng)夾持裝置①夾取鋁圈，送料氣缸③隨即將鋁圈往前送出至裝配位置。

圖4　夾料機(jī)構(gòu)

2.4導(dǎo)料機(jī)構(gòu)

導(dǎo)料機(jī)構(gòu)是確保鋁圈在裝配至下模時(shí)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)且不干涉左右導(dǎo)柱上的鉚釘，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。為確保鋁圈在裝配時(shí)直線落料，滑動(dòng)支承④的導(dǎo)向作用使導(dǎo)柱運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，鎖緊環(huán)⑦分別與導(dǎo)向桿③、推料裝置⑤鎖緊，并限制其運(yùn)動(dòng)位置。導(dǎo)料氣缸①，在導(dǎo)柱彈簧②力傳遞作用下，帶動(dòng)左右兩導(dǎo)向桿③下移，導(dǎo)向桿③在下移過(guò)程中，穿過(guò)由夾料機(jī)構(gòu)傳送的、處于導(dǎo)料機(jī)構(gòu)正下方的鋁圈內(nèi)的兩小孔，并到達(dá)下模鉚釘孔內(nèi)，導(dǎo)向桿③上的兩鎖緊環(huán)⑦剛好碰觸滑動(dòng)支承④。此時(shí)，夾料氣爪松開(kāi)，鋁圈可順著兩導(dǎo)向桿③滑落到下模指定位置。由于鋁圈質(zhì)量較輕，出于安裝穩(wěn)定性的考慮，在導(dǎo)向桿③到達(dá)下模裝好的鉚釘孔后，導(dǎo)料氣缸①還需繼續(xù)下移，限位板⑧迫使導(dǎo)柱彈簧②不斷壓縮，導(dǎo)料氣缸①的缸桿推動(dòng)推料裝置⑤，使得推料彈簧⑥壓縮，直到推料裝置⑤推動(dòng)鋁圈完成鋁圈的安裝。

圖5　導(dǎo)料機(jī)構(gòu)

3 鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［6～9］

鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)的控制系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為主控制器。控制系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏響應(yīng)外部各種控制指令，各類傳感器、磁性開(kāi)關(guān)等控制信號(hào)作為PLC的輸入信號(hào)，用于控制氣動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)，氣動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)各個(gè)控制指令，驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的各類氣缸和電機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝配動(dòng)作，該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6　鋁圈自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)框圖

圖7為裝置氣動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理圖。氣缸選用SMC的CDJ2B10系列氣缸，為了確保在送料、隔料以及落料時(shí)不造成鋁圈的嚴(yán)重變形，氣缸的最大作用力設(shè)置為不超過(guò)4N，分別在鋁圈的送料位置、沿導(dǎo)引機(jī)構(gòu)的落料位置以及間隔相鄰鋁圈的隔料位置均安裝一對(duì)氣缸實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。送料氣缸是將振盤排好序的鋁圈推送至指定的上料位置，再由隔料氣缸將待裝配的鋁圈與其他排好序的鋁圈隔開(kāi)，最后導(dǎo)料氣缸推動(dòng)鋁圈沿導(dǎo)柱將其放置在指定的裝配位置上。

圖7　鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)氣動(dòng)方案原理圖

鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)氣缸動(dòng)作的先后順序有著嚴(yán)格的要求。如若氣缸的或者磁性開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間發(fā)生跳變或響應(yīng)錯(cuò)誤，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確上料和裝配。控制系統(tǒng)的主流程圖如圖8所示。

圖8　鋁圈自動(dòng)裝配控制主流程圖

4　結(jié)束語(yǔ)

燈頭鋁圈自動(dòng)裝配的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于目標(biāo)鋁圈壁薄易變形，且其組件形狀可供辨識(shí)和就位的特征比較單一，選擇余地太少，給夾持、運(yùn)送和定位帶來(lái)了較大的困難。本文根據(jù)鋁圈的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專門的送料機(jī)構(gòu)、隔料機(jī)構(gòu)、夾料機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)料機(jī)構(gòu)，籍此提高了裝置的可用性和可靠性，從而為實(shí)現(xiàn)燈頭座鋁圈工位的自動(dòng)裝配奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，本文還提出一套對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，由此確保了自動(dòng)裝配工位運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性。實(shí)踐表明，所設(shè)計(jì)的燈頭座鋁圈自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)能有效提高鋁圈的裝配效率和裝配質(zhì)量的一致性。

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Design of mechanical structure and control system for aluminum circle of lamp adapter

HAO Xiao-xi

中圖分類號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0128-04

收稿日期：2016-01-14

基金項(xiàng)目：廣東省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（［2012］219）；全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201511349048）；江門市基礎(chǔ)理論與研究科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015003）；五邑大學(xué)青年基金（30922010）

作者簡(jiǎn)介：郝曉曦（1981 -），女，陜西西安人，講師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。