基于移印的自動傳送裝置電氣控制系統設計

林鐘興，黃榕清，張宗鑠

（三明醫學科技職業學院機械電子系，福建三明365000)

移印機屬于特種印刷設備，可以在各種材質的平面或曲面進行圖文印刷，在小商品的表面印刷領域使用非常廣泛。企業過去一直使用移印機單機印刷，人工進行裝卸和定位，由于印刷面與非印刷表面外部特征區別不明顯，導致安裝定位時出錯率高，生產效率低，為此許多企業希望開發基于移印的各種自動印刷設備。移印的自動化有不同于其他行業的特點，經過多年的發展其印刷技術已經趨于成熟和完善，因此基于移印的自動化設備更多的是運用各種控制技術、傳動技術等來完成各種印刷工件的自動上料、傳送、安裝、定位、卸料，從而實現自動印刷。而印刷工件的自動上料和傳送是實現移印作業自動化的重要保證。基于移印的自動傳送裝置要求：1）實現自動上料，將工件傳送至指定位置[1]；2）傳感器辨別工件方向，裝置控制轉向并按相同方向傳送；3）準確定位、步進傳送，為表面印刷提供保障；4）在印刷位置時翻轉工件，移印機同步印刷[2]；5）印刷后自動落料。在移印機的基礎上設計自動傳送裝置不僅可以實現印刷過程的自動化，而且可以降低生產成本、提高生產效率、保證印刷質量[3]。下面就以某摩托車配件生產企業車把開關座為例，討論基于移印機的自動傳送裝置的設計過程。

1 控制要求和工作流程

某摩托車配件生產企業需要開發一種車把開關座的自動印刷設備，要求工件自動上料和傳送，使用移印機對指定的表面進行圖文印刷，實現完全自動化作業[4]。工件的材料為尼龍，其外形底面整體為平面，但中間有一外露凸形鉤，兩側有兩個不同半徑的凹槽；上部為弧形面，兩側為兩個小斜面，兩側的弧形面與小斜面的連接處與底平面有不一致的高度；上部的中間有一個扇形槽；圖文印刷在指定的一側小斜面，如圖1所示[5]。

圖1 工件外形示意圖

移印機的動作是由電磁閥控制各氣缸實現，為了有效、合理利用原有設備，滿足移印機自動上料、傳送和印刷的工作要求，需要重新設計電氣聯合控制系統[6]。工件自動上料后，由傳感器檢測，系統通過電磁閥控制各氣缸運動，配合各機構完成限料、阻料、升降、旋轉、定位、傳送、翻轉、印刷等一系列的動作[7]。工作時工件的傳送、印刷流程如下：

1）操作人員將工件裝入振動料斗的料盤中，工件被自動輸送至軌道處；2）機構控制限料、阻料；3）傳感器辨別工件方向，機構升降、旋轉，將其轉換至相同方向；4）定位傳送機構對工件定位，步進傳至印刷位置；5）翻轉工件狀態，移印機對其表面進行印刷[8]；6）印刷后翻轉機構回位，定位傳送機構將其傳送至落料位完成印刷作業。

2 自動傳送裝置的結構組成

基于移印的自動傳送裝置由移動機的印刷機構和自動傳送裝置兩大部分構成,如圖2所示[9]。移印機的印刷機構主要由施印殼體、膠印頭、上墨部件和增加配置的膠頭清潔部件等組成。自動傳送裝置主要由上料機構、限料部件、升降換位部件、步進傳送部件、翻轉部件等組成[10]。上料機構包括料斗1和連接軌道2以及控制機構振動的脈沖電磁鐵3、彈簧片4等。限料部件包括阻料氣缸А、阻料錐頭5、限位氣缸B、限位塊6以及傳感器7、傳感器8及相應氣動控制元件等[11]。升降換位部件包括頂板9、旋轉壓軸10、升降氣缸C、旋轉氣缸D、和旋轉軸頭11及相應氣動控制元件等。步進傳送部件包括水平行進滑軌12、限位器13、定位推板14、定位氣缸E，水平缸F和若干氣動控制元件等。翻轉部件包括翻轉軌15、翻轉控制缸G、關節軸承16、限位釘17及相應氣動控制元件等。

3 氣動系統設計

氣動系統設計主要有兩個方面內容：（1）為適應印刷作業的自動化需要，改進原移印機設備的氣動控制回路；（2）自動傳送裝置氣動控制回路的設計[12]。原移印機的施印殼體水平運行，膠印頭的沾墨、印刷均由氣動裝置驅動（如圖3所示），施印殼體由水平氣缸H驅動作水平往復運動，膠印頭由垂直氣缸I驅動作上下運動，氣缸分別由兩個獨立的二位五通電磁閥控制，原氣路可以滿足移印機單機運行要求。

圖2 自動傳送裝置結構設計

圖3 原設備氣動系統

但在自動化作業中，需要增加膠印頭的自動清潔工序，即施印殼體在水平運行中按需要進行停頓，膠印頭作印刷后的上下運動，對膠印頭實施清潔。對于功能的要求，可使用O型中位機能的三位五通電磁閥替換水平運行氣動回路中的二路五通電磁閥[13]；或在水平運行的氣動回路中增加一個電控二位二通閥，均能通過設定程序實現印刷一次或數次后對膠印頭清潔一次或數次的要求，但采用增加電控二位二通閥的方法更為簡單、實用、成本低，且能滿足功能要求。另外為了防止停機斷氣后機構自重引起的膠印頭下落，造成硅膠頭損傷，在控制垂直氣缸運動的氣動回路中增加一個氣控二位二通閥，實現通氣時二位二通閥打開，維持回路通暢[14]；斷氣時二位二通閥切斷回路，保持氣缸的排氣回路有一定量的壓縮空氣，以有效防止系統停氣產生的膠頭自然下落。改進后的氣動系統滿足了膠印頭的清潔工序要求，也預防了膠頭損傷，保證印刷安全。

自動傳送裝置氣動系統設計如圖4所示，系統的氣源壓力為(0.5～0.6)MPa[15]，選用的氣動元件主要有德國Bosch、日本SMC、臺灣亞德客等公司的產品，其型號分別為[16]阻料氣缸А選用薄形氣缸CQ2B16-10D，限位氣缸B選用雙聯氣缸CXSM10-30D，升降氣缸C選用帶導桿的薄形氣缸CQMB25-30，旋轉氣缸D選用擺動氣缸CRBU2W15-180S[17]，定位氣缸E選用三軸氣缸TCL16×20S，水平缸F選用圓形氣缸MА20×75SCА，翻轉控制缸G選用活塞桿為外牙型的薄形氣缸АCQ32×30B。

自動傳送裝置根據需要選用各種形式的氣缸完成各執行動作，具有反應迅速、簡單經濟、使用成本低等優點；用二位五通電磁閥控制氣缸的動作換向，排氣回路用單向節流閥控制氣缸的運行速度，具有方向切換快速、動作可靠、速度調節快捷方便等特點。

圖4 自動傳送裝置氣動系統設計

4 電氣控制與實現

4.1 工作過程

由于自動傳送裝置有多個氣缸運行，加上移印機的沾墨、印刷、清潔動作，執行元件多，動作順序要求協調，因此運用傳感器和PLC對氣動系統進行電氣聯合控制最為理想。其工作過程如下：

1）上料過程：自動上料機構工作，脈沖電磁鐵3和彈簧片4共同作用使料斗1產生扭擺振動，工件沿料斗內的螺旋軌道爬升，經過選向、篩選后，按照一定狀態通過連接軌道2自動排序由傳送裝置到進料導軌。

2）限料過程：到傳送裝置進料導軌的工件，由于限位塊6的作用依次排列在導軌上。安裝在限位塊上的傳感器8檢測工件的一端高度，根據結果判定給出是否升降換位的信號。若無需升降換位，則限位氣缸B帶動限位塊縮回，步進傳送部件將工件定位后傳送至下一個工位（阻料錐頭5的作用是當工件被傳送或升降換位時，在阻料氣缸А的帶動下下降阻止下一個工件的前進）。當工件離開阻料位，傳感器7檢測是否有料，并給出信號，阻料錐頭在阻料氣缸А的帶動下縮回，放行被阻止前行的工件，限位塊同時伸出讓放行的下一個工件保持在升降換位的位置。

3）升降換位動作：如果傳感器8檢測工件判定需要升降換位，限位氣缸B帶動限位塊縮回，升降氣缸C上升，其上的旋轉軸頭11先頂入工件的底面凹槽，繼續上升至工件被旋轉壓軸10限位，旋轉氣缸D帶動工件旋轉180度換位（旋轉壓軸是通過軸承與頂板9連接，可與工件同步旋轉）。換位后，升降氣缸C下降，當行程接近結束時工件被限制在原導軌上，升降氣缸C繼續下降至行程終點，旋轉軸頭脫離工件的底面凹槽，完成換位。然后步進傳送部件工作，將工件定位后傳送至下一個工位[18]。

4）步進傳送過程：步進傳送裝置的定位推板14與定位氣缸E的活塞板連接為一體（定位氣缸E為三軸缸，其活塞桿與活塞板固定），而定位氣缸E的缸體通過限位器13又與水平缸F的活塞桿連為一體[19]，限位器可以通過滑塊在水平行進滑軌12上往復運動。工作時，水平缸F首先縮回，定位氣缸E帶動定位推板伸出對導軌上的工件定位（定位推板的卡口卡入工件），水平缸F伸出（通過限位器、定位氣缸E的缸體）帶動定位推板和定位后的工件在導軌上前行。到位后定位氣缸E縮回，定位推板退出對工件的定位，水平缸F縮回，而工件則留在導軌上。繼續前述的動作，定位推板的第一個卡口卡入新的工件，第二個卡口則卡入留在原位置的工件，水平缸F伸出則工件在導軌上被送行進至下一個工位。以此重復，則工件在導軌上被不斷的步進傳送，直至翻轉印刷后送出脫離自動傳送裝置的導軌，落入出料滑槽。

5）翻轉動作：工件的印刷面是斜面，印刷時須將工件翻轉一定的角度，才能進行印刷。印刷位置的導軌是一個翻轉軌15，未工作時翻轉軌與自動傳送裝置的導軌高度一致，翻轉軌底部有一個固定支點和一個通過關節軸承16與翻轉控制缸G活塞桿連接的活動支點，翻轉控制缸G的缸體與機座固定。工件被定位推板移送至印刷位置的翻轉軌內，定位推板退出定位后，翻轉控制缸G伸出，工件則在翻轉軌內被翻轉一定的角度，移印機對其進行印刷。完成印刷后，翻轉控制缸G縮回，工件則在翻轉軌內被翻轉回到原來位置，步進傳送裝置的定位推板又進行定位后將其送入下一工位。限位釘17是限制翻轉軌的擺動位置，可以起到調節翻轉角度的作用。

4.2 工作程序

自動傳送裝置的PLC可編程控制器設計了手動和自動工作模式[20]：手動調整時，PLC可編程控制器接收到控制板上的開關按鈕信號，按程序控制輸出[21]，通過電磁閥控制相應的氣路系統,最終對自動傳送系統實現控制；自動模式時，由傳感器輸入信號，PLC可編程控制器執行自動程序，按照程序進行自動印刷作業，氣動控制的各個機構動作程序如圖5所示。

圖?5 氣路系統工作程序

5 樣機驗證

基于移印的自動傳送裝置電氣控制系統在福建省三明恒順印刷機械有限公司研制成功，并已在浙江杭州三恒印刷有限公司投入使用，與原人工操作的移印機相比得到結果如表1所示。

表1 人工操作和現配自動傳送裝置的系統對比

由此可以得出所研發的系統具有如下特點：

(1)由1人操作移印單機變為1人可操作4臺現有設備，節省了勞動力，提高了工作效率；(2)克服了工件特征區別不明顯引發的安裝定位出錯，提高了產品印刷的合格率；(3)自動上料和自動印刷，自動化水平提高；(4)易于擴展，可進行二次開發，與生產線進行配套。

總之，基于移印的自動傳送裝置電氣控制系統是在移印機的基礎上增設自動傳送裝置進行工作，實現摩托車把開關座印刷的自動化，提高了生產效率。另外，改進了原設備的氣動回路，在不更換原氣動元件的情況下結合機械構件實現了移印機的膠頭清潔，保證了產品的印刷質量；增加了防止停機斷氣后印刷部件自重下落的功能，避免了可能引起的膠頭損傷，保證印刷安全。裝置主要由氣動元件、傳感器、PLC可編程控制器和機械構件組成，具有結構緊湊、自動化程度高、經濟實用、成本低等特點，對于同類自動化設備的設計與改進具有借鑒和參考價值。