喇叭鼓膜沖壓自動線的設(shè)計

周名偵 曾東武 楊小萍 李大偉

關(guān)鍵詞：喇叭鼓膜;沖壓自動線;機(jī)械手

0引言

喇叭鼓膜的生產(chǎn)要經(jīng)過上料、工位轉(zhuǎn)移、下料、放料等工序。沖壓機(jī)采用氣壓驅(qū)動，通過控制氣路系統(tǒng)中的氣閥實現(xiàn)沖壓模具的上升和下降，從而完成沖壓操作。沖壓機(jī)的上下料操作目前是由人工完成，而工人在操作過程中，對工件的移動位置、工作位置的掌握全憑個人經(jīng)驗，往往容易導(dǎo)致工件位置移動偏差、加工質(zhì)量出現(xiàn)瑕疵的情況。因此，用機(jī)械代替手工操作、實現(xiàn)喇叭鼓膜工件的全自動加工、降低人工參與率和人力成本、減少誤操作、減少操作人員勞動強(qiáng)度、提高加工效率和質(zhì)量是喇叭鼓膜生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

本文采用Solidworks三維設(shè)計軟件，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)喇叭鼓膜的工序、尺寸、材料、形狀等情況，首先對喇叭鼓膜自動上下料裝置進(jìn)行了零部件和整機(jī)虛擬設(shè)計，并在仿真的基礎(chǔ)上，對設(shè)計進(jìn)行了相關(guān)的修正，使裝置的性能更加良好。然后制作了實物，并完成相應(yīng)的PLC控制。整套裝置已在企業(yè)實際生產(chǎn)中試運行，并進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測試。結(jié)果表明，喇叭鼓膜沖壓機(jī)配置本自動上下料裝置后，沖壓產(chǎn)品合格率大于99%，設(shè)備綜合效率大于90%，功耗小于0.2kW。這些主要技術(shù)指標(biāo)均在企業(yè)要求的范圍內(nèi)，滿足了企業(yè)的要求。

1自動上下料裝置設(shè)計方案

自動上下料裝置整體設(shè)計方案如圖1所示，該裝置包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)由上下料執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、物料升降機(jī)構(gòu)組成。上下料執(zhí)行機(jī)構(gòu)在驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用下，完成喇叭鼓膜工件的取料、上料、工位轉(zhuǎn)移、下料和放料操作。驅(qū)動機(jī)構(gòu)X、Y、Z軸由伺服電機(jī)與傳動機(jī)構(gòu)等組成;物料升降機(jī)構(gòu)由2個步進(jìn)電機(jī)與升降機(jī)構(gòu)組成;電氣控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、傳感器、步進(jìn)驅(qū)動器等主要電氣元器件形成自動化集成。

本設(shè)計方案做了如下方面的考慮。

（1）沖壓機(jī)采用閉環(huán)控制，X、Y、Z軸能準(zhǔn)確聯(lián)動，重復(fù)定位精準(zhǔn)度高。

（2）物流系統(tǒng)采用雙臂聯(lián)動設(shè)計，一只機(jī)械臂在抓取物料、上料的同時，另一只機(jī)械臂在下料、放料，有效提高機(jī)器人的工作效率。

（3）末端抓取采用多個緩沖吸盤和一個定位吸盤組成，能對不同弧面形狀的鼓膜進(jìn)行精準(zhǔn)吸附。

（4）物料升降機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在放滿物料的情況下，取料架能自動上升物料，放料筒部分能檢測到當(dāng)前物料的數(shù)量以及作出物料滿載提示和報警。

（5）加工過程采用PLC控制，光電位置檢測，實時監(jiān)控工作狀態(tài)并對突發(fā)故障能應(yīng)急處理。觸摸屏上能實時監(jiān)控裝置的運行狀態(tài)與生產(chǎn)狀況，并能修改加工速度、沖壓時問等參數(shù)。

（6）采用柔性化設(shè)計，能適用于多種類型的喇叭鼓膜生產(chǎn)，對于不同的喇叭鼓膜沖壓機(jī)床，只要配置本自動上下料裝置，并稍微修改控制程序，便能完成自動加工，不需改動沖壓機(jī)床。因此，具有低成本、效率高和操作方便等優(yōu)勢。

本設(shè)計考慮到各部件的特征、參數(shù)和幾何約束關(guān)系，上下料機(jī)構(gòu)外形總體尺寸設(shè)計為2000mmx1000mmx1200mm，X軸、Y軸、Z軸可移動距離分別為1800mm、500mm、500mm，如圖2所示。

2上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

上下料機(jī)械手能在控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作下，實現(xiàn)自動化的工件取料、上料、工位轉(zhuǎn)移、下料、放料等操作。上下料機(jī)械手由安裝板6、上料臂和下料臂組成，如圖2-3所示。為了高效地滿足上下料的操作要求，本文的機(jī)械手設(shè)計為直角坐標(biāo)三自由度機(jī)械手。

上料臂和下料臂均由延伸桿7和夾具5組成。氣吸夾具5由吸盤安裝板10、吸盤11等組成，如圖3所示。由于喇叭鼓膜尺寸小、且為非金屬，所以本設(shè)計采用氣吸夾具。

設(shè)計中，X軸導(dǎo)軌為最低層，直接設(shè)置在床身表面上;Y軸導(dǎo)軌為中層，設(shè)置在X軸滑軌上;Z軸導(dǎo)軌為頂層，設(shè)置在Y軸導(dǎo)軌上。Z軸導(dǎo)軌上方安裝上下料機(jī)械手，通過設(shè)定X、Y、Z軸的運動軌跡來帶動機(jī)械手產(chǎn)生空間位移，從而實現(xiàn)取料、上料、下料、放料和工件在加工過程中的工位轉(zhuǎn)移。

如圖2所示，安裝板6垂直安裝在Z軸導(dǎo)軌4的表面上，并且與Z軸導(dǎo)軌4滑動連接;延伸桿7垂直連接在安裝板6的表面上，并且朝著預(yù)設(shè)方向延伸一定距離;吸盤安裝板10可水平貼附在延伸桿7的末端底面上，而吸盤11可立設(shè)在吸盤安裝板10上，并且吸盤11一般垂直朝下，可通過氣體負(fù)壓原理吸取依次放好的喇叭鼓膜工件。若生產(chǎn)中，需要更換加工若干種不同類型、尺寸或規(guī)格的喇叭鼓膜工件，為確保機(jī)械手能夠適應(yīng)不同工件的取放料，在吸盤安裝板10上沿其周向方向開設(shè)了若干個備用安裝槽12。各個備用安裝槽12主要用于安裝吸盤11，以在工件的尺寸較大時，可以通過呈圓周向分布的多個吸盤11同時吸附工件的邊緣位置（工件一般呈回轉(zhuǎn)形），從而將其穩(wěn)定地吸取。比如，可在吸盤安裝板10上沿周向方向開設(shè)3-6個備用安裝槽12，當(dāng)工件的尺寸較大時，可以去除中問的吸盤11，同時在各個備用安裝槽12內(nèi)安裝吸盤11，如此即可通過各個吸盤11同時吸附工件的邊緣位置，將工件吸取出來。當(dāng)然，若工件的尺寸較小時，只需使用吸盤安裝板10中心位置的單一吸盤11即可。

為了提高吸盤11的吸取能力，夾具機(jī)械手5在取料過程中，可在Z軸導(dǎo)軌4上進(jìn)行垂向位移調(diào)整，從而增加吸取時的下壓力。由于夾具5就設(shè)置在延伸桿7的末端位置，通過延伸桿7的適當(dāng)延伸距離，可使得機(jī)械手夾具5的初始位置位于取料工位（或下料工位）。

3自動上下料裝置控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1電氣控制系統(tǒng)組成與硬件選用

本裝置采用三菱PLC為控制中心，通過觸摸屏（或按鈕）操作、傳感器的位置檢測、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的精準(zhǔn)定位以及電磁閥組的吸放，達(dá)到協(xié)調(diào)控制之目的。控制系統(tǒng)組成如圖4所示，主要包括PLC控制器1臺、觸摸屏1臺、步進(jìn)驅(qū)動器2套（取料架和放料筒的升降）、伺服電機(jī)驅(qū)動器3套（X、Y、Z軸移動）、傳感器13個、電磁閥組2個、開關(guān)電源等元器件。

元器件選擇時重點考慮的參數(shù)包括功率、電壓、精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性、工作環(huán)境、工作溫度、價格等因素。具體選擇的結(jié)果是：FX3U-4 8MT PLC，湯姆斯57-3.6N·m伺服電機(jī)、湯姆斯57驅(qū)動器、雷賽42-0.9N·m步進(jìn)電機(jī)、雷賽42驅(qū)動器、20mm霍爾傳感器、SMC-24 V電磁閥等。

3.2電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本裝置的電氣控制系統(tǒng)功能是：（1）可以實行手動、自動、急停，回原點控制;（2）除了用按鈕操作外，也可以在觸摸屏界面上操作;（3）觸摸屏界面中可實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)和生產(chǎn)相關(guān)的重要數(shù)據(jù);（4）控制參數(shù)可依據(jù)實際加工需要進(jìn)行調(diào)整改變。

依據(jù)以上要求，軟件設(shè)計包含兩方面，分別為PLC控制程序與觸摸屏控制程序。PLC控制程序根據(jù)I/O分配以及本裝置工藝流程控制要求（圖5）采用SFC方式編寫。如果需要多臺PLC聯(lián)合控制，則需要增加RS485通訊模塊，并在程序中相應(yīng)地增加N：N網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。觸摸屏界面顯示依據(jù)操作要求、設(shè)備參數(shù)、顯示狀態(tài)等進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定時要特別注意數(shù)據(jù)與PLC程序的對應(yīng)連接。

4喇叭鼓膜自動沖壓線測試

4.1主要技術(shù)指標(biāo)及計算方法

（1）設(shè)備綜合效率

機(jī)械停機(jī)、裝料速度和廢品率造成的損失是影響設(shè)備綜合效率的主要原因。因此，設(shè)備綜合效率由時間開動率、性能開動率以及合格品率體現(xiàn)，其計算公式為：

現(xiàn)裝置中的耗能設(shè)備主要有：伺服電機(jī)，每臺伺服電機(jī)及其驅(qū)動器90w，90wx3=270w;步進(jìn)電機(jī)，每臺步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動器30w，30wx2=60w;開關(guān)電源30w;PLC、觸摸屏、電磁閥、傳感器、指示燈等共約為50w，總功率P約為410w。

4.2試驗結(jié)果

經(jīng)過企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場實測，各項主要指標(biāo)測試結(jié)果如表1～2所示。

5結(jié)束語

從測試數(shù)據(jù)可見，本文基于solidworks設(shè)計的喇叭鼓膜沖壓自動上下料裝置，性能達(dá)到了企業(yè)實際生產(chǎn)需求。該系統(tǒng)已在生產(chǎn)實際現(xiàn)場進(jìn)行了試運行，重點驗證了裝置的功能、性能、安全性、連續(xù)運行可靠性、電源適應(yīng)性。該生產(chǎn)線的應(yīng)用，極大地減少了人工成本，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。