一種電能表銘牌自動上料機設計與試驗

祝正兵，朱呈霞，王扣成

（常熟理工學院，江蘇 常熟215500）

0 引 言

目前對電能表銘牌進行激光打碼時，主要是依靠工人手動將條帶電子元件推送到激光打標機中進行打標，打完后再取下。每臺機器都需要一名工人從事上下料工作，增加了產品生產成本，工人每天重復單調的機械動作，效率不高，工作疲勞之后存在放卡不準確，導致打碼歪斜、產生次品問題。由于銘牌尺寸較小，傳統手動方式上料過程中，激光打碼時需要工人用手壓住銘牌，手距離激光工作區域很近，皮膚有被激光灼傷的危險。工人需要長時間直視激光工作區域，雖然激光不是直射眼睛，并且有護目鏡，但長時間工作的情況下會導致眼睛的疲勞，易對操作者造成傷害。目前，該行業生產的上料方式主要為手動上料，也存在一部分自動上料的方式，但現有的自動上料方式存在一定的局限性。因此，亟待開發一種新型上料機替代人工上料，實現銘牌打碼上下料生產自動化，并且可以適應多種不同規格銘牌的工況，實現“一機多用”的目的，可以節約大量的生產成本，提高產品的競爭能力。

1 總體方案設計

在推送銘牌一類的薄片工件時，經常會出現誤推或推空的現象。由于一般銘牌基本都是薄片形式，為了避免一次推兩張料，推桿需要更薄，而且要緊貼底面。但這樣推桿容易插入銘牌間的空隙，導致上料不成功。設計主要解決的技術問題是實現電能表不同規格銘牌激光打碼的自動上下料，使操作者只需要將空白銘牌放入料斗中，待接料斗收滿成品后將成品收集即可。擬實現自動上料的電能表銘牌規格如圖1所示。

圖1 3種典型銘牌

1.1 電能表銘牌自動上料機技術要求

1）設置進料倉，并判斷有無銘牌[1]。自動送銘牌到激光打標機工作區域，并自動判斷銘牌有無送到位。當沒有推到銘牌或送不到位時，不發出打標信號給打標機，并聲光報警[2]。

2）判斷打出的條碼是否正常，如條碼無法讀取或順序不對，需要自動將銘牌暫停在條碼掃描槍下，并以聲光報警提示直到人工復位（紅燈）。

3）自動打標，自動將計完數的銘牌送到收料倉。打完標自動計數，打標不正常的銘牌不計數。

4）收料倉收料達到設定數量后自動換倉并聲光報警，聲音報警10 s后停，黃色警示燈長亮直到人工復位。

1.2 電能表銘牌自動上料機的機械系統設計

整機主要由儲料部件、工作部件、接料部件組成[3]。儲料部件與工作部件固定在鋁制底板上，底板固定在支架上的手搖式螺旋升降機上；接料部件固定在支架上的氣動分度盤上。支架由4040鋁型材經鋁角碼固定而成。放料部件與工作部件所有組件都是安裝在底板上，底板由一整塊厚度為8 mm的鋁板加工而成。電能表銘牌自動上料機總體設計方案如圖2所示。

圖2 電能表銘牌自動上料機總體設計方案圖

1.3 電能表銘牌自動上料機的控制系統設計

1）長桿氣缸向下運動，接觸到最上面的銘牌處感應到磁環，PLC接收到信號，控制三位五通閥驅動長桿氣缸停止[4]。

2）PLC控制兩位三通閥工作，連接的真空發生器工作，驅動真空吸盤吸起最上面的銘牌。

3）長桿氣缸帶著真空吸盤向上運動感應到磁環處，PLC控制三位五通閥驅動長桿氣缸停止。

4）PLC控制三位五通閥驅動無桿氣缸帶著長桿氣缸、真空吸盤及其上的銘牌向左運動到感應磁環處停止。

5）PLC控制三位五通閥驅動長桿氣缸帶著真空吸盤及其上的銘牌向下運動感應磁環處停止。

6）銘牌落下的下方安裝的光電傳感器感應到有料，發出信號給PLC，PLC控制兩位三通閥使真空發生器停止工作，真空吸盤因負壓消失而松開銘牌，銘牌落到輸送帶上。

7）電動機轉動輸送帶，將銘牌帶到激光打碼處。為準確定位，在銘牌接近激光打碼區時安裝的光電傳感器感應到信號后傳輸給PLC，PLC控制兩位三通閥驅動阻擋氣缸彈起，將銘牌準確定位，同時電動機停止轉動，長桿氣缸回到頂部，無桿氣缸回到右端，為下一次循環準備。

8）打碼結束后激光發生器發出一個打碼結束的信號給PLC，PLC發出命令給兩位三通閥，控制阻擋氣缸回縮，電動機同時轉動，控制輸送帶轉動，將銘牌傳輸到輸送帶上。

9）輸送帶帶動銘牌運動，經過掃碼處的光電傳感器處時，發出信號給PLC，控制掃描槍開啟。由掃描槍掃描，將掃描出的條形碼傳輸給PLC，由PLC判斷所打的條形碼是否正確，正確則無動作，錯誤則電動機停止轉動，并報警，由工人檢查。

10）掃碼后，銘牌經過滑道滑到接料斗中。

11）光電傳感器兼有計數器的功能，每計數100后，PLC控制兩位三通閥控制氣動分度盤啟動，轉過90°后靠氣動分度盤內部機構停止，將空接料斗自動對準輸送道。

2 電能表銘牌主要部件設計

2.1 開放式料斗與料斗滑塊固定塊

根據技術要求，設計能通用的寬度分別為95 mm、54 mm和36 mm。這就要求料斗的寬度可調，并且能按要求固定住，防止因為機器振動導致活動端與銘牌的距離過大、銘牌放置地凌亂，真空吸盤在吸料時發生誤差，導致真空吸盤無法準確地放料到輸送帶上。一次裝料的數量一定，隨著取料、放料的動作，料斗里的銘牌越來越少，需要吸盤在取料的時候越來越往下運動。氣缸動作固定，料斗底板做成活動式，固定在螺旋升降機上，由電動機帶動上升，在真空吸盤吸料的位置安裝針孔式傳感器，傳感器感應不到料時，電動機工作，螺旋升降機上升，傳感器感應到料時停止，保證長桿氣缸的固定動作下能取到銘牌。在料斗底板上安裝傳感器，在底板上無料時，電動機反向旋轉，料斗快速下降，直至觸碰到下極限位置的行程限位開關后停止，由工人重新裝料。開放式料斗設置2個面為基準面，固定不動，第3個面為活動面，固定在滑塊上，滑塊安裝在滑軌上，可以沿前后方向自由移動，方便3種不同寬度的銘牌使用。為加工方便、節約成本，開放式料斗的幾個面都是由不同規格的角鋁加工而成[5]，既方便加工，又能保證垂直度與平行度。

開放式料斗結構如圖3所示，料斗滑塊固定板是一個類似于L形的角鋁，形狀如圖4所示。因為加工不方便，且不易保證精度，現拆分為兩個部分，由螺釘聯接，如圖5所示。

2.2 吸盤安裝板

吸盤通過吸盤安裝板（如圖6）固定在長桿氣缸的活塞桿上。活塞桿易受連接吸盤與真空發生器的氣管的干擾而發生偏轉，造成真空吸盤放料不準確而導致機器停止運行?，F采用在吸盤安裝板上固定兩根細長桿，穿過固定在長桿氣缸固定座上的直線軸承，與活塞桿呈三角形分布，可以有效防止活塞桿發生偏轉。

2.3 輸送道

本機器要輸送不同寬度的銘牌，以其中一條輸送帶固定板的內側面作為基準邊，與料斗的基準邊對齊[6]，保證銘牌在運輸過程中有可以參考的基準邊；另一條輸送帶固定在活動板上，跟隨活動板活動?；顒影逋ㄟ^直線軸承固定在兩塊固定板上的兩根導向桿上，可以始終保證與固定板相平行，給銘牌提供一個平直的輸送道，防止因為某處距離過小而卡住。導向桿通過兩端的螺紋孔分別與兩塊固定板上的沉頭孔配合并用螺釘緊固，方便且可靠。輸送帶固定板與導向桿如圖7所示。

圖3 開放式料斗

圖4 L形角鋁模型圖

圖5 滑塊固定塊模型圖

圖6 吸盤安裝板

圖7 輸送帶固定板與導向桿

2.4 傳動軸與主動滾輪

齒輪電動機的動力通過同步帶輪傳遞給傳動軸，傳動軸帶動固定在傳動軸上的主動滾輪來驅使輸送帶轉動。因為輸送帶被做成分離式，一半被固定在活動板上，這部分的主動滾輪需要既能被傳動軸驅動，又能跟隨活動板調節寬度，且能可靠地工作。傳動軸由六角棒做成，主動滾輪為與之配合使用，用線切割出六角通孔。將主動滾輪的一段固定在軸承中，再將軸承固定在活動板上，主動滾輪就能隨活動板自由調節輸送道的寬度，主動滾輪與六角棒制成的傳動軸可以很好地傳遞動力。傳動軸與主動滾輪如圖8所示。

圖8 傳動軸與主動滾輪

2.5 從動滾輪與張緊輪

輸送帶要能正常工作，還需要有從動輪與張緊輪。如圖9所示，從動輪與主動輪一樣，同樣做成分離式的，分別固定在輸送道兩側的固定板與活動板上。為了安裝方便與運行可靠，每個從動輪兩端分別固定一個凸緣外圈深溝球軸承。因為在輸送道中還要安裝3個光電感應器，空間所限，輸送道最窄的寬度為36 mm，所以不能使用普通的內六角螺釘，采用平基內六角螺釘固定從動滾輪。

輸送帶是定制的PU輸送帶，可能在確定長度時有誤差，可能加工安裝孔時有偏差，工作時間久了以后輸送帶變松等原因，需要在輸送帶上加上張緊裝置，現用3對凸緣外圈深溝球軸承相對固定，作為張緊輪使用。中間的張緊輪固定在輸送道兩邊固定板上的腰孔中，便于調節輸送帶張緊程度，如圖10所示。

圖9 從動滾輪

圖10 張緊輪與輸送帶

2.6 底板

本機器大部分的零件，如開放式料斗、齒輪電動機、螺旋升降機、手搖式蝸輪蝸桿升降機、氣缸組合、輸送道，以及3個傳感器與3個按鈕開關都是安裝在底板上的，且空間有限，整體布局就顯得尤為重要。底板結構如圖11所示。

2.7 滑道與滑道固定塊

滑道是用來將輸送帶上檢測正常的料送至接料斗的裝置，因為輸送帶相對于接料斗位置比較高，所以只靠重力就可以讓銘牌經滑道自由地落入接料斗。設計中將兩片滑道利用滑道固定塊分別固定在氣動分度盤的支架上，如圖12所示，每次換寬度不同的銘牌時，需要人工手動調節其中一側滑道以適應不同寬度的銘牌。

因為滑道固定塊的奇異形狀，如果做成一個零件的話，會比較復雜，不便于加工且成本較高，現將其拆分為兩個零件，如圖13所示。這樣，既方便加工，也方便安裝。

2.8 接料斗與分料隔板

作為本機器的最后一個部分，接料斗的工作好壞情況將影響到實際生產中的效率。接料斗是放置在固定于氣動分度盤的電木板上。以最寬的銘牌為準做出的接料斗固定在電木板上?，F用202不銹鋼做成隔板，將一塊大小適中的不銹鋼板折成90°，焊接在一塊比接料斗底板略小的不銹鋼板上，做成倒置的T形板（如圖14）放置在料斗中，左右剩下的空間足夠分別放置中等寬度與窄的銘牌。

圖11 底板

圖12 滑道與滑道安裝塊

圖13 滑道安裝塊的分解

圖14 倒T形隔板

當工作對象是窄型的銘牌時，將倒T形不銹鋼板的窄的一側對準輸送道；同理，當工作對象是中等寬度的銘牌時，將倒T形不銹鋼板的寬的一側對準輸送道；當工作對象是寬型的銘牌時，將倒T形不銹鋼板拿掉。后側板與底板都折出一定傾角，使接到的銘牌不易甩出。接料斗底部開個缺口，方便將接好的銘牌取出。接料斗結構示意圖如圖15所示。

圖15 接料斗結構示意圖

2.9 機械系統模型圖與現場樣機

同步帶、傳動軸和輸送帶配合使用，輸送銘牌的輸送道寬度可調，適合多種不同的銘牌。儲料部分與輸料部分做成分離式，各自調節、互不干擾，接料斗與隔板的配合使用，可以方便收取寬度不同的銘牌。三維模型如圖16所示，實物照片如圖17所示。

圖16 三維模型圖

3 結 語

圖17 實物照片

設計開發了一種新型的電能表銘牌自動上料機，實現了銘牌打碼上下料生產的自動化。完成了升降機、氣缸、真空吸盤和輸送帶等機械機構的設計計算以及控制系統設計，實物樣機現場試驗表明電能表銘牌自動上料機能準確方便地上下料，工作效率高，并且可以適應多種不同規格的銘牌的工況，實現“一機多用”的目的。設計中需要用到同步帶傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動、滾珠絲桿傳動和氣動等多種傳動方式，在設計時需要從理論上確定需要何種傳動方式，再結合實際情況進行整合修改，使之達到使用要求。設計中機器主體結構由4040鋁型材及其配件搭建而成。市面上有大量的該型鋁材及其配件銷售，成本低、組裝方便、可靠性高且容易調整。按照本設計所提出的方法與解決思路，生產出來的機器經過試驗，可以達到預期的要求，能有效地節約人力成本。