一種多工位全自動(dòng)玩具噴涂機(jī)的設(shè)計(jì)

林　敏，徐小明，彭忠凱（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州　510006）

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一種多工位全自動(dòng)玩具噴涂機(jī)的設(shè)計(jì)

林敏，徐小明，彭忠凱
（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

摘要：設(shè)計(jì)了一種適用于小型塑膠玩具外表面噴涂的多工位全自動(dòng)噴涂機(jī)。首先，詳細(xì)闡述了多工位全自動(dòng)噴涂機(jī)的工作原理，接著，對(duì)噴涂機(jī)的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，包括移動(dòng)模座、移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，最后，確定了噴涂機(jī)的控制系統(tǒng)。該機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)玩具360°翻轉(zhuǎn)、多種顏色的噴涂，具有工作可靠、結(jié)構(gòu)模塊化和卸料容易等優(yōu)點(diǎn)，稍作改造還可適用于其他小型物件的外表面噴涂。

關(guān)鍵詞：噴涂；多工位；噴涂機(jī)；模塊化

0　引言

塑膠玩具制造過程中，表面裝飾是一道重要的工序，而表面裝飾一般是對(duì)塑膠玩具進(jìn)行噴涂[1]。目前市場上出現(xiàn)了大量的自動(dòng)化噴涂設(shè)備，但都局限于對(duì)單個(gè)玩具、單種顏色的平面噴涂，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，自動(dòng)化程度較低。伴隨著玩具種類的增多和工藝復(fù)雜性的提升，現(xiàn)有的噴涂設(shè)備已經(jīng)無法滿足行業(yè)需求。因此，研制一種用于塑膠玩具表面噴涂的多工位全自動(dòng)噴涂機(jī)，對(duì)提升塑膠玩具行業(yè)的生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量和行業(yè)自動(dòng)化程度十分必要。

本課題研究的基于PLC的塑膠玩具多工位全自動(dòng)噴涂機(jī)，實(shí)現(xiàn)了塑膠玩具360°翻轉(zhuǎn)、多種顏色的噴涂，流水線生產(chǎn)，在單臺(tái)玩具噴涂機(jī)上完成玩具表面不同位置的噴涂任務(wù)，極大的提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。對(duì)于不同的玩具和噴涂工序，只須更換不同的銅模，亦能對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴涂。因多工位玩具噴涂機(jī)機(jī)構(gòu)模塊化，為了敘述方便，本文以二色塑膠玩具噴涂機(jī)（以下簡稱玩具噴涂機(jī)）進(jìn)行說明。

1　玩具噴涂機(jī)的工作原理

玩具噴涂機(jī)設(shè)有五個(gè)工位，分別為兩個(gè)清洗工位、兩個(gè)噴涂工位和一個(gè)落料工位，由移動(dòng)模座1、移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)2、噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)3、洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4等4個(gè)主要機(jī)械部分及控制系統(tǒng)5組成，如圖1所示。移動(dòng)模座1錯(cuò)位布置在清洗工位1、噴涂工位1、清洗工位2和噴涂工位2，并且，同側(cè)的移動(dòng)模座通過連接桿固定連接，能同步運(yùn)動(dòng)；噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)3安裝在噴涂工位1和噴涂工位2；洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)4安裝在清洗工位1和清洗工位2；整體布局呈多組串聯(lián)直線型結(jié)構(gòu)。

圖1　二色塑膠玩具噴涂機(jī)系統(tǒng)示意圖

玩具噴涂機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先把待噴涂的塑膠玩具人工放入到位于清洗工位1的移動(dòng)模座的夾模中（或自動(dòng)上料），由移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將其運(yùn)送到噴涂工位1，通過夾模張合和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)玩具在移動(dòng)模座間傳遞；初始移動(dòng)模座復(fù)位到清洗工位1，并對(duì)空的夾模上料；噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)迫使噴槍按照預(yù)先設(shè)定的路徑到達(dá)夾模上端噴涂處并對(duì)翻轉(zhuǎn)的夾模進(jìn)行噴涂及復(fù)位。完成第一種顏色噴涂的玩具，由移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將其運(yùn)送到清洗工位2，并在移動(dòng)模座間傳遞，由另一側(cè)的移動(dòng)模座運(yùn)送到噴涂工位2，進(jìn)行第二種顏色的噴涂工作；此時(shí)，停留在清洗工位的移動(dòng)模座，洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)洗模槍對(duì)夾模進(jìn)行清洗并復(fù)位。

玩具噴涂機(jī)通過結(jié)構(gòu)上的模塊化及并行布置的移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玩具在不同工位間的傳遞，并允許同步對(duì)銅模進(jìn)行清洗及上料。當(dāng)完成玩具兩種顏色的噴涂后，移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)模座至落料工位處，通過夾模張合和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成落料。

2　玩具噴涂機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

玩具噴涂機(jī)主要由移動(dòng)模座、移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成，下面詳細(xì)介紹其結(jié)構(gòu)組成和運(yùn)動(dòng)原理。

2.1移動(dòng)模座

移動(dòng)模座包括噴涂模夾總成、移動(dòng)支撐座、直線滑塊軸承和步進(jìn)電機(jī)等，如圖2所示。噴涂模夾總成是玩具翻轉(zhuǎn)噴涂和傳遞的關(guān)鍵部件，其上銅模的下表面和下銅模的上表面共面貼合，形成夾模。中軸一端與銅模橫梁固定連接，一端與步進(jìn)電機(jī)用銷釘連接；步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)夾模同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)塑膠玩具的360°翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)玩具全面噴涂。移動(dòng)支撐座通過直線滑塊軸承安裝在直線導(dǎo)軌上。

本課題研究的玩具噴涂機(jī)有四個(gè)移動(dòng)模座，其噴涂模夾總成中心共面，不同移動(dòng)模座間上銅模和下銅模可以重新結(jié)合，構(gòu)成新的夾模，這是實(shí)現(xiàn)玩具在不同工位間傳遞的關(guān)鍵。同側(cè)的移動(dòng)模座通過連接桿固定連接，簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提升了銅模的定位精度。

圖2　移動(dòng)模座結(jié)構(gòu)示意圖

2.2移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、連接桿等，如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在絲桿螺母上的安裝座與移動(dòng)模座固定連接，從而帶動(dòng)移動(dòng)模座作軸向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)模座安裝在線性導(dǎo)軌上，與同側(cè)的移動(dòng)模座用連接桿固定連接并同步運(yùn)動(dòng)。由于電機(jī)可以在需要的位置啟動(dòng)、停止和調(diào)速，以及滾珠絲桿的高傳動(dòng)精度，易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)模座的快速啟動(dòng)、精確停止和速度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)玩具在不同移動(dòng)模座間的傳遞。

圖3　移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、螺桿、滾珠絲桿、導(dǎo)軌和齒輪等。噴槍具有三個(gè)自由度，分別為沿X軸、Y軸和Z軸的直線移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿沿Z軸上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴槍的上下移動(dòng)，對(duì)噴槍高度定位；其余兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得噴槍沿X軸和Y軸移動(dòng)，對(duì)噴涂位置定位。通過三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的協(xié)調(diào)配合，可以對(duì)空間中任一位置開口的銅模中的玩具進(jìn)行噴涂，并保證噴漆涂層的厚度和質(zhì)量[2]。

2.4洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿和導(dǎo)軌等。洗模槍包含兩個(gè)自由度，分別為沿Y軸和Z軸的直線移動(dòng)。通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)，可以控制洗模槍相對(duì)銅模的位置，達(dá)到最佳的清洗效果。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

玩具噴涂機(jī)的控制系統(tǒng)可以采用多種方式，如單板機(jī)或單片機(jī)控制，這種控制方式不僅要軟件開發(fā)，還需要設(shè)計(jì)硬件電路、接口電路、驅(qū)動(dòng)電路，尤其是工業(yè)現(xiàn)場中的抗干擾問題。因?yàn)镻LC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，本課題主系統(tǒng)采用三菱PLC控制。通過觸摸屏將執(zhí)行參數(shù)輸入到PLC中，運(yùn)用組態(tài)軟件編寫設(shè)計(jì)程序，降低了難度，便于程序的二次開發(fā)，極大提高了產(chǎn)品的適應(yīng)性[3]。玩具噴涂機(jī)的控制系統(tǒng)硬件組成如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)硬件組成

首先編寫觸摸屏程序，把運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)輸入到PLC中，同時(shí)在觸摸屏上顯示當(dāng)前運(yùn)行的坐標(biāo)值，采用組態(tài)的配方數(shù)據(jù)傳遞，保證數(shù)據(jù)更新的速度。觸摸屏里可以保存多組按設(shè)定的工藝參數(shù)編好的程序，更好的適應(yīng)產(chǎn)品更改的需求。PLC主要是處理計(jì)算觸摸屏參數(shù)，同時(shí)根據(jù)輸入信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)[4]。本文中使用的步進(jìn)電機(jī)對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)的精度要求比較高，因此，采用了三菱的定位模塊FX2n-1PG來控制[5]。在FX2n-1PG模塊里有一個(gè)BFM寄存器，可以設(shè)置最大速度、加速減速時(shí)間、基速等一系列參數(shù)，極大的保證了不丟步，且每次回到上頂點(diǎn)時(shí)坐標(biāo)值都會(huì)自動(dòng)回零以保證每次在同一個(gè)位置時(shí)它的坐標(biāo)都是相同的，減少了累計(jì)誤差，保證了噴涂質(zhì)量。

設(shè)計(jì)的多工位全自動(dòng)玩具噴涂機(jī)具有如下特點(diǎn)：（1）玩具噴涂機(jī)可以搭配不同的銅模，即可噴涂不同尺寸物件的外表面和和不同位置；（2）移動(dòng)模座的往復(fù)移動(dòng)、噴槍和洗模槍的動(dòng)作具有定位檢測，機(jī)械、電氣雙保險(xiǎn)精確定位；（3）玩具噴涂機(jī)結(jié)構(gòu)模塊化，能夠?qū)崿F(xiàn)玩具360°翻轉(zhuǎn)、多種顏色的噴涂。玩具噴涂機(jī)的性能參數(shù)為：移動(dòng)模座相鄰

工位間距為500 mm，移動(dòng)速度400 mm/s(速度可調(diào))，日產(chǎn)8 000件。

4　結(jié)束語

設(shè)計(jì)的多工位全自動(dòng)玩具噴涂機(jī)有移動(dòng)模座、移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、噴槍空間運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、洗模槍往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等4個(gè)主要機(jī)械部分和控制系統(tǒng)組成，運(yùn)用并行布置的移動(dòng)模座往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)玩具在不同工位間的傳遞及噴涂工序、清洗工序和上下料工序的協(xié)同進(jìn)行。本課題研究的二色塑膠玩具噴涂機(jī)實(shí)現(xiàn)了玩具360°翻轉(zhuǎn)、兩種顏色的噴涂，整機(jī)結(jié)構(gòu)模塊化，通過串聯(lián)組合相同的噴涂工位和清洗工位，實(shí)現(xiàn)對(duì)更多顏色種類的噴涂。采用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)高效噴涂并保證噴涂品質(zhì)和產(chǎn)量。該塑膠玩具噴涂機(jī)還具有工作可靠、卸料容易等優(yōu)點(diǎn)，適合玩具企業(yè)的需要。

參考文獻(xiàn)：

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［5］秦春斌，張繼偉. PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

(編輯：阮毅)

Design of a Multi-Station Full Automatic Spraying Machine for Toys

LIN Min，XU Xiao-ming，PENG Zhong-kai
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract:A kind of multi-station full automatic spraying machine was described，which was suitable for surface spraying of small plastic toys. First，the working principle of multi-station full automatic spraying machine was expounded in detail，and then the structural constitutions were introduced，including the moving mold holder，the moving mold holder reciprocation system，the gun space motion system and the wash-gun reciprocation system. Finally，the control system was determined. This machine can achieve toy 360°flip and spray a plurality of colors，with the advances of reliable，modular structure and easy unloading materials. A little reformation of this machine would also be suitable for surface spraying of other small objects.

Key words:spraying；multi-station；spraying machine；modular

作者簡介：第一林敏，男，1991年生，江西贛州人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

收稿日期：2015－05－06

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 007

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0026－03