導(dǎo)光條自動點記與抓取裝置設(shè)計

郭全明，吳 曉，陳 超，何呂濤

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430074；2.武漢洛特福動力技術(shù)有限公司，武漢 430058）

導(dǎo)光條自動點記與抓取裝置設(shè)計

郭全明1，吳 曉1，陳 超1，何呂濤2

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430074；2.武漢洛特福動力技術(shù)有限公司，武漢 430058）

在導(dǎo)光條自動生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進行質(zhì)檢后，需要對次品進行點記以便識別，并將合格品和次品進行分類存放。設(shè)計了一種基于PLC控制的自動點記與抓取裝置。詳細介紹了該裝置機械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，制造了樣機，并已應(yīng)用于實際生產(chǎn)。實踐表明，該裝置具有操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，提高了工作效率，為企業(yè)降低了人力勞動成本。

PLC控制；自動點記；抓取裝置；氣動

0 引言

在當前制造行業(yè)里，來自人力生產(chǎn)成本不斷上升、企業(yè)生產(chǎn)效率需要提高等方面的壓力，使得自動化設(shè)備越來越受到企業(yè)的重視。氣缸、氣動手指等氣動執(zhí)行元件具有控制靈活性強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點；此外，PLC對步進電機具有良好的控制能力，步進電機在開環(huán)控制系統(tǒng)中具有較高的控制精度、可靠性高、使用方便等優(yōu)點。所以，它們在自動化行業(yè)里具有廣泛的運用[1～3]。

汽車上的導(dǎo)光條在生產(chǎn)線上進行質(zhì)檢后，要在次品上涂一點顏色鮮艷的膠液作為標記（稱為點記），并且需要將次品與合格品分開存放。以前采用人工點記和分類，勞動強度大，工作效率低，本文設(shè)計了一種基于PLC控制的自動點記與抓取裝置。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，與其他生產(chǎn)線上的設(shè)備在運行時協(xié)調(diào)性良好，完全滿足實際的生產(chǎn)需求。

1 整體方案設(shè)計

1.1 總體要求

從功能上講，要求該裝置根據(jù)導(dǎo)光條的質(zhì)檢結(jié)果對不合格產(chǎn)品進行自動點記、抓取，并將次品與合格品分類放置。在性能上要求點記、抓取和分類準確可靠，輸送過程平穩(wěn)，與現(xiàn)有生產(chǎn)線的其他設(shè)備能協(xié)調(diào)工作；另外，還要求該裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，操作方便，防護可靠。

1.2 總體方案概述

本文所設(shè)計的裝置全稱是B515光導(dǎo)條自動點記與抓取裝置，此裝置主要包括有機架、輸送機構(gòu)、點記抓取機構(gòu)和控制系統(tǒng)，總共四部分，如圖1所示。

圖1 自動點記與抓取裝置總體方案圖

機架用來固定輸送機構(gòu)和電氣柜等。當需要被抓取的產(chǎn)品從前一道檢測工序完成之后，并由前一工序的輸送機構(gòu)將裝夾有導(dǎo)光條產(chǎn)品的檢測裝置輸送到本臺裝置正下方的指定位置。當檢測到有產(chǎn)品送至該位置后，點記抓取機構(gòu)向下運動到指定位置抓取產(chǎn)品，并根據(jù)檢測結(jié)果對次品進行點記處理，然后將次品或合格品通過輸送機構(gòu)放置到指定位置，最后返回原點。如此，完成一個工作周期。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機架和輸送機構(gòu)設(shè)計

機架和輸送機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機架主要包括機架腿、支架下橫向連接板、支架上橫向連接板、支架斜支撐、支架縱向連接板等。考慮到支架縱向連接板的剛性問題，故增加支架斜支撐以進行改善。

輸送部分主要包括直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軌滑塊、縱向滑動板、步進電機、同步帶和同步帶輪等。支架縱向連接板上固定有兩根相互平行的直線導(dǎo)軌，縱向滑動板固定在直線導(dǎo)軌滑塊上。同步帶上的一小段區(qū)域固定在縱向滑動板上，當步進電機帶動同步帶轉(zhuǎn)動時，縱向滑動板在直線導(dǎo)軌上實現(xiàn)縱向移動。同步帶傳動是利用帶的齒與帶輪上的齒相嚙合傳遞運動和動力，帶與帶輪間為嚙合傳動，沒有相對滑動，具有不打滑、傳動平穩(wěn)、傳動功率較大等優(yōu)點[4]。

圖2 機架和輸送機構(gòu)示意圖

2.2 點記抓取機構(gòu)設(shè)計

點記抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括氣缸安裝板、縱向滑塊端面板、上下雙軸氣缸、點膠針筒、產(chǎn)品、點膠針筒固定板、氣動手指等。縱向滑塊端面板與縱向滑動板固定在一起，整個點記抓取機構(gòu)則可以實現(xiàn)縱向移動。通過調(diào)整上下雙軸氣缸在氣缸安裝板的位置，來保證氣動手指能夠順利夾取到產(chǎn)品。當前一工序的輸送機構(gòu)將裝夾有產(chǎn)品的檢測裝置輸送到指定的位置后，檢測裝置檢測到有產(chǎn)品送至該位置，在兩個氣動手指處于張開狀態(tài)下，上下雙軸氣缸活塞桿伸出，因此兩個氣動手指到達指定位置抓取產(chǎn)品，并根據(jù)前一工序的檢測結(jié)果對次品進行點記處理，然后將次品或合格品通過輸送機構(gòu)縱向輸送到指定位置。

圖3 點記抓取機構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC定位控制設(shè)計

根據(jù)該裝備所需要實現(xiàn)的功能和控制信號的數(shù)量，該系統(tǒng)采用三菱FX2N-48MT型PLC基本單元和FX2N-1PG定位模塊。FX2N-1PG可以輸出兩相脈沖數(shù)且脈沖頻率可變的定位脈沖信號，輸出脈沖最高頻率可達100kHz，可直接控制驅(qū)動器進行簡單的單軸定位控制[5]。圖4為FX2N-48MT、FX2N-1PG、兩相步進電機和步進驅(qū)動器的接線示意圖。由于裝置的點記抓取機構(gòu)比較簡單，步進電機所承受的負載不大，故裝備采用開環(huán)的定位控制，步進電機軸端沒有安裝光電編碼器。對此，在編寫梯形圖時，將FX2N-1PG內(nèi)部的緩沖存儲器BFM#12（回原點零相信號數(shù)）設(shè)置為0。在原點回歸的過程中，當DOG開關(guān)信號為ON則步進電機就會停止轉(zhuǎn)動。通過設(shè)置步進驅(qū)動器上的DIP功能開關(guān)狀態(tài)，來設(shè)置步進電機的細分數(shù)和工作電流。

3.2 氣動控制設(shè)計

為了方便點記抓取機構(gòu)在整個裝置中的安裝定位，把實現(xiàn)其上下方向運動的氣缸選擇為雙軸氣缸。工件呈細管狀，考慮到夾取狀態(tài)的穩(wěn)定性，所以選擇平行型氣動手指。通過二位五通電磁閥控制氣動執(zhí)行元件。

上述氣缸是由缸體和活塞桿組成，缸體兩端分別有進氣口和出氣口。當壓力氣體從氣缸的一端進入缸體，就會迫使活塞向另一端運動，為了確定氣缸內(nèi)活塞是否達到對應(yīng)的運動位置，在氣缸壁上固定位置安裝磁性傳感器，當磁環(huán)通過傳感器時，磁性傳感器就會產(chǎn)生一個電脈沖[6]。故對雙軸氣缸和氣動手指上均安裝2個磁性傳感器來檢測不同位置的狀態(tài)。當執(zhí)行元件上對應(yīng)的傳感器給控制器發(fā)出信號之后，才能進行下一步動作。圖5是該裝置動作流程示意圖。

圖4 PLC與步進電機接線示意圖

圖5 裝置動作流程示意圖

4 應(yīng)用實例

該自動化裝置已經(jīng)在某制造企業(yè)得到實際應(yīng)用。經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)使用，證明該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，與上一工序的設(shè)備能很好的協(xié)調(diào)工作。圖6是該裝置與上一工序設(shè)備的搭配示意圖。此外，該裝置便于根據(jù)實際生產(chǎn)需要進行具體調(diào)整。

圖6 裝置與上一工序設(shè)備搭配示意圖

5 結(jié)束語

該自動化裝置主要是利用了同步帶來實現(xiàn)動力和運動的傳遞；利用了PLC定位模塊來實現(xiàn)機構(gòu)的定位；利用氣缸、氣動手指等氣動執(zhí)行元件實現(xiàn)工件的抓取。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可針對工件的具體外形、尺寸等特點進行局部結(jié)構(gòu)改進，非常容易推廣使用。

[1] 孫平,邢軍.PLC控制步進電機驅(qū)動系統(tǒng)[J].河南師范大學學報(自然科學版),2001,29(4):112-113.

[2] 譚宇碩,韓瀚,馮亞波,等.基于PLC的掛號信函分揀機械手設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2015,37(8):137-138.

[3] 史衛(wèi)朝.基于PLC的自動送片系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2015,(4):106-108.

[4] 程友聯(lián),楊文堤.機械設(shè)計[M].武漢:華中科技大學出版社,2011.

[5] 李金城,付明忠.三菱FX系列PLC定位控制應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[6] 翟志敏,楊平,魏薇.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣缸位置檢測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(2):66-68.

Design of automatically marking and grappling device for light guide

GUO Quan-ming1, WU Xiao1, CHEN Chao1, HE Lyu-tao2

TP23

B

1009-0134(2016)12-0094-03

2016-07-29

國家自然科學基金（51275364）

郭全明（1991 -），男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計與自動化。