小型金屬件的自動包裝裝置設計*

張秋容，張文婷

（1.河源職業技術學院機電工程學院，廣東河源 517000；2.宏達機械制造（河源）有限公司，廣東河源 517000）

0 引言

隨著用工荒及中國制造2025戰略發展趨勢，國內大多數企業在尋求自我發展出路時加快了自動化升級改造的步伐［1］。以當前一些小型金屬件如螺釘、墊片、鑰匙模板等大多數依賴作坊式的微型企業生產為例，這些企業在包裝工序上多采用人工稱重包裝，存在著包裝精度有誤差及工作效率低下、生產成本高等不足。針對上述不足，本文以某鑰匙模板生產企業的包裝工序為目標，結合企業現有的生產鏈狀況，采用UG軟件對鑰匙模板自動包裝裝置機械結構進行設計與建模，并采用PLC為控制核心，配合步進驅動系統、氣動控制系統等控制裝置的協調運作，以實現鑰匙模板的高精度、高效率自動包裝。進而為其他小型金屬件生產企業的包裝工序實現自動化生產提供參考方案。

1 裝置總體機械結構方案設計

鑰匙自動包裝裝置主要由機械手運輸機構、開袋機構和封裝機構組成［2］。機械手在初始位置，取袋工位的旋轉氣缸向下旋轉，取袋吸盤氣缸伸出吸起袋子，然后旋轉氣缸轉回原位，由固定工位上的手指氣缸固定袋子，固定后開袋吸盤氣缸伸出，與取袋氣缸上的吸盤一同吸住袋口，同時縮回打開袋口，伸縮氣缸也會同步縮回；第一次開口后，步進電機帶動軸轉動，移動工位到達開袋工位，進行二次開袋；接下來移動到送料及計數工位，進行鑰匙裝袋，達到預定數量后，移動到壓料工位，對袋口的鑰匙進行下壓，防止擋在封口位置；最后到達封口工位進行熱封口；封裝完成放下產品，移動工位回到原點位置重復以上工序。打包好的產品通過下方斜板滑向流水線送走。結構如圖1所示。

圖1 總體機械結構

1.1 移動及固定工位

由于導軌絲桿傳動機構在精確傳動中有極其突出的優點［3］，自動包裝裝置的機械手運輸機構主要采用了滾珠絲桿光軸和SBR直線導軌滑塊組成導軌，其滑臺上面則是可移動的固定工位，可隨絲杠進行左右傳動，如圖2所示。當取袋工位將水平放置的包裝袋旋轉90°并送至固定工位，夾袋寬度調整缸縮回且夾袋氣缸夾緊包裝袋，首次開袋吸盤和取袋工位吸盤同時吸壓實現首次開袋。考慮固定工位所需帶動的對象為鑰匙包裝袋，在落料工位時鑰匙進入袋中會增加重量，所以夾袋氣缸端部的夾具采用粗糙的橡膠塊來增大摩擦，同時袋子下方也有支撐板，當袋子達到一定重量時，由支撐板分擔一部分重量；首次開袋伸縮缸伸出后要注意吸嘴的末端處應處于夾袋夾具中線過一點，以實現吸嘴完全接觸袋子，成功將袋子吸開。

圖2 移動工位結構

1.2 開袋工位

開袋工位由1個升降氣缸和1個手指氣缸組成，如圖3所示。利用手指氣缸的張開和閉合，對包裝袋口進行再次開袋，屬于保證機構，用于防止袋口不完全張開的情況發生，升降氣缸則是用于調節手指氣缸的高度位置，需要時下降使爪子進入袋口，不需要時上升，防止爪子與移動工位產生碰撞。

圖3 開袋工位結構

1.3 封袋工位

封袋工位由1個升降氣缸和1個張力手指氣缸以及加熱片組成，如圖4所示，當移動工位到達熱封工位時，升降氣缸下降，張力手指氣缸閉合，加熱片將袋口封裝，然后張開、上升，即封裝完成，加熱片采用模擬量控制，防止溫度過低無法成功封口，或者溫度過高將袋口融穿。

圖4 封袋工位結構

2 控制系統設計

自動包裝裝置運行時，步進電機、運動氣缸等按照預設的程序流程先后順序動作，具有運行效率高、響應速度快、穩定性好等特點。

2.1 氣動控制系統

氣動系統原理如圖5所示，圖中電磁閥線圈的通斷由PLC程序控制，進而可自動實現每個工位上各個氣缸所帶的工作機構完成相應的直線運動或旋轉運動。真空發生器是利用正壓氣源產生負壓，與吸盤配合，達到吸附袋子的作用［4～6］。

圖5 氣動系統原理

2.2 電氣控制系統設計

2.2.1 硬件設計

本電氣控制系統主要分為主電路和控制電路兩部分，系統I／O分配如表1所示。主電路選用兩相空氣開關作為整個控制電路的總開關，當兩相空氣開關接上時，外部220 V電壓通過開關電源轉化為系統所需要的24 V電壓；通過端子排1將開關電源的24 V和0 V電壓傳輸給系統系統中其他元器件。

表1 控制系統I／O分配

選用西門子PLC為整個系統的控制器，但由于PLC本身的輸入輸出點不足，故采用SM 1223 DC模塊來增加輸入輸出點，兩者間利用接口完成信號對接［7］，具體控制電路圖如圖6～7所示。57步進主要控制用于工作臺的移動；端子排1與端子排2分別作為信號傳輸使用；開關電源則是起到將交流電轉為系統所需要直流電作用。

圖6 電氣控制系統原理（主模塊）

圖7 電氣控制系統原理（擴展模塊）

2.2.2 控制流程圖設計

按照裝置的任務要求，設計PLC程序工作流程如圖8所示。當按下開始按鈕，取袋工位、移動工位、開袋工位、壓料工位及封袋工位按單序列或并行序列順序執行動作，每完成一次工序返回原點［8～9］。

圖8 控制流程

3 結束語

本文經過裝置機械結構設計及建模、氣動控制系統設計、電氣控制系統設計和虛擬實驗調試，完成了基于PLC控制的小型金屬件自動包裝裝置設計，裝置可以實現螺釘、墊片、鑰匙模板等金屬件的自動包裝，運行穩定、可靠，效果良好。設計中也存在一些不足，例如移動工位采用步進驅動系統，各個工位的位置準確性在多運行幾圈后會下降；取袋工位單獨采用吸盤取袋，相對于硬度及厚度較好的包裝袋裝置取袋精度很高，但對于較薄的包裝袋其取袋精度不夠。在以后的研究中，要進一步優化機械結構方案，實現大范圍厚度包裝袋包裝工序的全自動化。