玻璃架轉臺設計原理及應用

高昌頎,汪宏飛,楊曉偉

(中建材凱盛機器人(上海)有限公司,上海 201600)

隨著科技的進步和玻璃工業的高速發展，各玻璃加工設備越來越能快速、高效的生產出高質量的玻璃產品，對設備進料速度要求越來越嚴格。許多深加工玻璃生產線不得不在主線，深加工鋼化爐前，設計多條支線，以實現生產效率的最大化。多條支線意味著更大的空間布局，特別是搬運玻璃機器人加工段的橫向不能過寬，避免增加不必要的連接輥道、浪費過多的場地面積。這就要求我們必須舍棄從前把玻璃架子一左一右放置在機器人兩側的布局結構，盡可能的使每個機器人系統單元占用最小的工作面積。因此設計一個能夠盡可能不影響生產效率、結構合理、操作方便、安全可靠的玻璃放置轉臺，具有巨大的意義和廣闊的應用空間。

1 總體設計

1.1 總體結構

玻璃架轉臺機械部分主要由轉臺基座、旋轉軸、旋轉平臺、定位裝置、安全圍欄、驅動裝置和控制系統組成。圓形基座圓心上安裝旋轉軸，旋轉軸上方搭建方形旋轉平臺，旋轉平臺中間由安全圍欄一分為二。驅動裝置部分為鏈條驅動，由鏈條引出值驅動動力源，即步進電機鏈輪處。此電機為外置布局，可根據設計布局要求更改外置方向。而控制系統則由接近開關和電機驅動器通過控制器控制。總體結構如圖1所示。

1.2 工作原理

生產過程中，可將兩架玻璃分別放置在玻璃架轉臺前后兩個位置，由安全圍欄隔開。此時機器人抓取其中一架玻璃直至抓取完成，經人工確認另一架玻璃準備好后，通過按鈕啟動玻璃架轉臺，此時卡簧銷釘縮回，檢測到控制氣缸收回到位后，控制系統通過檢測裝置判定電機旋轉方向，隨后啟動電機，玻璃架轉臺的旋轉平臺開始旋轉，當檢測裝置檢測到旋轉平臺旋轉了180°后，停止電機，通過氣缸彈出卡簧銷釘，固定旋轉平臺，檢測到銷釘深處到位后，控制系統發送命令，使機器人能夠快速再次進入工作狀態。

2 主要機構設計

2.1 轉臺基座

轉臺基座主要用于固定轉臺位置、檢測裝置和限位裝置的安裝固定，見圖2。

由于此裝置荷載較重，配合機器人抓取玻璃精度要求高，需要保持在系統布局中的某一固定位置和固定角度，所以轉臺基座必須要采用一種可靠的固定方法。這里采用分別在四個九十度分割線上開孔，使用膨脹螺栓直接釘入地面的方式，形成了一個牢固的工作平臺，成為此裝置能穩定運行的基礎。

此外，轉臺基座還需要配合旋轉平臺和控制系統完成旋轉定位。通過在一定位置安裝檢測裝置的固定支架，實現控制系統啟動和停止控制；安裝旋轉位置限位塊、銷釘氣缸定位裝置，配合旋轉平臺避免旋轉平臺沖過合適位置、運行過程中旋轉平臺旋轉溜滑造成機構紊亂，造成危險。

2.2 轉臺旋轉軸

轉臺旋轉軸主要用于使旋轉平臺旋轉以切換玻璃加工工位，結構見圖3。

此裝置為整個機構中，連接轉臺基座、旋轉平臺和驅動裝置的核心部件，設計精巧，承重力強，對加工精度和加工原材料都有很高的要求。此裝置固定于基座上，承接上方的旋轉平臺，其本體形似鏈輪。在工作過程中，和驅動裝置由鏈條鏈接，傳動至旋轉軸帶動旋轉平臺轉動。注意：由于此裝置是整個裝置核心連接零部件，所以要避免使用過程中出現磨損嚴重、卡頓等現象的發生。要求加工精度高，材質合適且有潤滑機構。

2.3 轉臺旋轉平臺

轉臺旋轉平臺主要用于承載和定位玻璃架、配合轉臺基座完成定位和固定功能，見圖4。

此裝置承載玻璃架且需要頻繁轉動。配合控制系統，需要在合適的位置安裝檢測裝置支架、轉臺旋轉擋塊和固定機構。在工作過程中，通過平臺上的檢測支架確定旋轉平臺是否到位，通過間隔安裝兩個定位輪，便于銷釘頂入固定旋轉平臺。

另外，增加了橫檔和防護圍欄安裝機構，避免了玻璃架子的位置偏差過大，且避免了架子相互干涉。一個平整度好，旋轉過程穩定無晃動的旋轉平臺，會大大提高產線的生產效率。

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2.4 定位裝置

定位銷主要用于限制轉臺旋轉平臺的轉動，結構見圖5。

此機構主要由定位銷、氣缸、定位輪輪和控制檢測裝置組成。其中氣缸配合銷釘、控制檢測裝置安裝固定于轉臺基座上，兩個定位輪分開固定于轉臺旋轉平臺上。工作過程中，當轉臺需要旋轉時，氣缸帶動銷釘收回，轉臺旋轉平面得以旋轉；當轉臺旋轉到位停下時，氣缸伸出，使銷釘插入固定輪之間的縫隙，有效防止了機器人運行過程中旋轉平臺滑移造成機器人相關設備損壞。

注意：在旋轉平臺旋轉過程中，一定要在合適的位置安裝旋轉限位擋塊，避免轉臺旋轉平面在電機停止驅動時，在慣性的作用下旋轉超出銷釘工作范圍，使得銷釘彈出失敗，甚至彈出位置偏差過大，造成系統錯誤，對人員或機構部件造成不必要的損傷。布局成熟的卡簧銷釘、限位擋塊配合控制系統，使工作過程更加流暢，有效避免了生產過程中可能發生的各種風險。

2.5 轉臺圍欄

圖1中轉臺圍欄為此機構重要的安全防護裝置，能最大限度避免不必要的人身財產損失。

安全生產是企業管理的重點，是企業發展的根本保證，是一個日積月累、持續不斷的過程。而設備的防護裝置是企業安全生產的物質基礎。這就要求設備設計人員盡可能模擬現場生產環境、人員操作習慣和生產過程中可能出現的各種狀況，周全地考慮到此設備存在的安全風險，以避免安全事故發生。

此設備考慮到機器人抓取過程中，可能會出現的其中一架玻璃架子傾倒導致另一架玻璃掉落風險，采用了在兩架玻璃中間加裝安全圍欄的方法，杜絕了此風險的發生。另外，由于操作工人可能需要到等待旋轉的玻璃架子周圍走動，設計加寬了圍欄避免工作過程中的玻璃架子上玻璃破損掉落、玻璃飛濺造成安全事故。

2.6 轉臺驅動裝置

轉臺驅動裝置由一個變頻器驅動的步進電機構成。此裝置采用外置設計。其底座連接固定于主體基座上，以保證傳動過程中不會出現過大的誤差；其上安裝電機和齒輪輪盤，作為旋轉平臺旋轉的動力驅動和傳動件，配合轉臺主體部件旋轉軸上的輪盤，實現旋轉平臺旋轉功能；外裝罩殼和護板，避免人員經過時發生意外。此驅動裝置可根據產線設備布局靈活改變方向，能較大限度的利用廠房空間，并對電氣布線和后期維護提供便利。

2.7 轉臺控制系統

轉臺控制系統是整個系統信號采集、數據處理和命令輸出的核心。一個嚴謹可靠的控制系統會使系統各個部件完美的相互配合，快速高效的完成生產作業。狀態控制系統大體分為軟件和硬件兩部分。

1)軟件部分分為信號采集、信號處理、信號輸出三部分：(1)信號采集： 首先，該裝置應用獨立性接近傳感器(接近開關又稱無觸點接近開關，是理想的電子開關量傳感器。當金屬檢測體接近開關的感應區域，開關就能無接觸、無壓力、無火花、迅速發出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程。)，配合安裝在旋轉平臺合適位置的感應板，在感應板接近感應開關時觸發，輸入到控制系統一個信號；其次，應用磁性開關，又稱磁控管，是一種通過磁場信號來控制的線路開關器件，兩個分別獨立安裝在氣缸伸出和收回的合適位置，作為銷釘氣缸伸出/收回的一種有效可靠的檢測裝置。(2)信號處理： 采用德國西門子可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC)作為信號處理中樞。通過編寫控制程序對采集的信號分析處理，判斷機構當前狀態，并根據工藝邏輯要求對系統各電氣元器件做出動作指示。(3)信號輸出： 信號輸出由PLC輸出至控制繼電器，由控制繼電器控制系統執行機構硬件做出相應動作。

2)硬件部分分為氣缸電磁閥、變頻器、控制按鈕、指示燈和人機界面五部分：(1)電磁閥：作為驅動銷釘氣缸的元器件使用，由控制系統輸出命令彈出/收回銷釘。(2)變頻器：作為驅動步進電機轉動的動力元件，由控制系統輸出命令、柜內供電，控制電機正轉/反轉。

3)控制按鈕、指示燈和人機界面： 主要用于人工給定工作狀態、單獨控制各個部件等功能。工作過程中：首先，通過控制按鈕設定轉臺兩個工位準備好。準備好后按下按鈕，激活轉臺工位，待正在運行的工位上工件抓取結束，通過指示燈提醒工作人員確認可以旋轉后，在人機界面上發出旋轉指令。

此時，控制器收集轉臺本體上安裝的接近傳感器、磁性開關信號和與機器人的交互信號，確認旋轉平臺當前位置正常、銷釘狀態正常，且機器人處于原點位置。

然后，控制器輸出信號使銷釘電磁閥切換狀態，驅動氣缸伸縮桿上的銷釘收回。當氣缸上面的磁性開關檢測到氣缸伸縮桿收回到位后，立即命令變頻器工作，驅動電機旋轉，帶動旋轉平臺按照指定的方向正(反)轉。

緊接著，當跟隨旋轉平臺旋轉的檢測板行進到接近傳感器檢測面，控制器接收到傳感器信號后，立馬停止變頻器工作。旋轉平臺隨慣性平穩停止的同時，再次切換電磁閥工作狀態，使銷釘頂進定位輪之間，再次形成整體穩固狀態。

最后，檢測各部件工作狀態正常，輸出準備完成信號至控制器，等待機器人啟動開始工作。至此完成該機構整個工作周期。

3 結 論

受世界能源緊缺和環境污染雙重壓力的影響，太陽能光伏產業越來越受到重視。快速、高效的生產高質量產品，盡可能節約成本、節能減排，實現效益最大化，是行業中每家供應商都需要著重考慮的事情。此設備以實現本世紀中葉碳達峰、2060年碳中和的宏偉目標為指引，能有效避免隨設備升級產能加速使得的整條產線過于龐大，造成資源過度浪費問題。