燈頭座鋁圈自動裝配機構與控制系統(tǒng)設計

郝曉曦

（五邑大學 機電工程學院，江門 529020）

0 引言

燈頭座是燈飾產品不可缺少的基礎配件之一，它包括鋁圈、舌片、瓷套、導線等零件，目前主要依賴手工進行裝配，生產效率低和產品質量一致性差是其長期困擾企業(yè)生產的老大難問題[1]。近年來，隨著國內外市場對燈飾的需求不斷增加以及對燈飾質量的要求逐漸嚴格，采用傳統(tǒng)手工裝配的生產模式日益顯現其弊端，現如今已成為制約中小燈具配件企業(yè)進一步發(fā)展的瓶頸[2]。顯然，燈具配件制造及裝配實現自動化是燈具加工制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并成為相關生產企業(yè)努力追求的目標。

越來越多的中小企業(yè)在高密度人工操作的裝配環(huán)節(jié)采用自主設計的小型自動化裝配設備實現自動化或半自動化裝配[3～5]，以提高生產效率并改善裝配質量。在此機器換人的大背景下，本文以E26型燈頭座的裝配工位作為研究對象，圍繞其中裝配較為棘手的具有薄殼特征的鋁圈開展自動化裝配探索，根據鋁圈的結構特點以及生產裝配工序流程，研發(fā)出一套能夠實現目標鋁圈自動裝配的機械裝置以及相應的控制系統(tǒng)，籍此實現了鋁圈裝配的初步自動化，既節(jié)約了人力還提高了生產效率，同時裝配質量亦有較大程度提高，達到了預期的設計目的。

1 燈頭座裝配工藝及鋁圈裝配的特點

圖1所示為E26型燈頭座的組成示意圖。其裝配的工藝流程為：輔助下模固定在工作臺上，先將三個鉚釘分別放置于該下模的三個導柱上，接著將鋁圈上的兩個鉚孔對準邊頭的兩個鉚釘并讓其下落套裝在相應的鉚釘上，然后將舌片放入中間鉚釘上，之后分別將瓷套和導線按圖示位置對準鉚釘放置，最后利用沖頭將鉚釘沖壓翻邊，即可完成燈頭座的裝配。

圖1 E26型燈頭座組成及鋁圈結構示意圖

從裝配工藝的角度看，鋁圈的裝配是在鉚釘放置之后進行的，此時鉚釘被倒T形放置在三根導柱上，由于鉚釘與鉚孔間預留裝配的間隙較小，同時倒置的鉚釘與導柱之間也存在配合間隙，因此鉚釘存在位置誤差并極易受到震動的影響而脫落，所以在進行鋁圈裝配時需嚴格保證鋁圈上的兩對稱孔與左右兩個鉚釘對準，否則將導致鉚釘掉落或鋁圈無法放置在正確的位置上。顯然，讓鋁圈準確對位鉚釘有一定的難度，這是本文自動裝配裝置的一個設計要點和難點。

另外，從鋁圈的結構和材質上看，由于鋁圈殼體只有0.4mm厚且為鋁材制造，因此在送料和裝配的過程中極易產生變形，而當鋁圈的變形量超過1mm時，鋁圈將無法正常地裝配到規(guī)定的位置。特別地，鋁圈可以定位的部位顯然是上部的開口槽，而該零件用于固定的鉚孔又恰位于槽口上方，若夾持力的大小及施力點的選擇不當，則很容易造成變形過大而導致鋁圈鉚孔無法對準鉚釘。經試驗發(fā)現，在鋁圈上料的過程當中：若從A、B兩點施加夾緊力（為避免與定位元件發(fā)生干涉，夾持部位低于鋁圈開口槽的下緣，以下同），則容易使鋁圈開口槽外張而導致兩個鉚孔的孔距增大而產生位置誤差，并容易造成鋁圈下端失圓而難以套入下模；若在C、D兩點作用夾持力，此時鋁圈變形主要為下端失圓，不過在相同夾持力的情況下，不僅鋁圈下端失圓相對較小，而且鋁圈上端的開口槽變形亦較?。蝗粼贓、F兩點作用夾持力時，則鋁圈變形主要表現為上端的兩個鉚孔會發(fā)生錯位性外張的變形，此時鉚孔對準鉚釘更加困難，而且鋁圈下端還同樣產生不小的失圓形變。綜上，對鋁圈的夾持部位宜布置在C、D兩點，并在設計鋁圈的自動裝配機構時，從隊列送料到夾持就位再到裝配至下模，還需要使鋁圈處于一種相對獨立而不受過分擠壓的狀態(tài)，唯有如此才能控制鋁圈的變形量不影響正常的裝配。另外需要指出的是，本案E26型燈頭座鋁圈在夾緊力為4N時，可以滿足夾持要求，此時最大變形量不超過0.8mm，因此，在鋁圈自動裝配過程的各個環(huán)節(jié)，都應確保鋁圈受到的壓力不大于4N為宜。

2 鋁圈自動裝配機構設計

為了鋁圈在整個裝配過程中不發(fā)生擠壓和形變，確保裝配位置的準確性，在設計時，將鋁圈自動裝配機構分為4個部分，分別是送料機構、隔料機構、夾料機構以及導料機構，如圖2所示。鋁圈通過震盤分揀并排序進入送料機構，經隔料機構將待裝配的鋁圈隔離和定位后，夾料機構在導料機構的輔助下將鋁圈輸送至裝配輔助下模的指定位置，至此完成鋁圈的裝配，接著可進入后續(xù)的裝舌片工位和裝瓷套工位。

2.1 送料槽

鋁圈裝配時必須保證不干涉已放在下模左右導柱上的鉚釘，要求裝配時鋁圈上兩對稱孔與左右導柱對準，因此送料過程中需限制鋁圈的位置。送料槽利用鋁圈的U型缺口，限定鋁圈的上料狀態(tài)，即在送料槽上方采用T型軌道設計，限制鋁圈的自由度，保證安裝位置正確。為防止在送料過程中鋁圈相互擠壓導致變形，因此在送料槽上加開導向槽進行隔料。

圖2 鋁圈裝配機總體設計方案

2.2 隔料機構

隔料的目的是將待裝配的鋁圈從送料槽中分離出來，隔料機構如圖3所示。當待裝配鋁圈進入裝配位置，擋料氣缸②帶動前擋料板④處于前伸狀態(tài)，避免鋁圈從前端掉落。檢測到鋁圈到達隔料位置后，隔料氣缸①前伸，帶動隔料板③擋住后面的鋁圈，從而完成了鋁圈的隔料。

圖3 隔料機構

2.3 夾料機構

夾料機構的目的是將待裝配鋁圈推入正確的裝配位置。如圖4所示，夾料機構由三部分組成，夾持裝置①、夾料氣爪②、送料氣缸③。為防止鋁圈在夾送過程脫落或變形，夾持裝置①設計為半圓弧狀并選用橡膠作材料。夾料過程中，夾料氣爪②帶動夾持裝置①夾取鋁圈，送料氣缸③隨即將鋁圈往前送出至裝配位置。

圖4 夾料機構

3.4 導料機構

導料機構是確保鋁圈在裝配至下模時準確對準且不干涉左右導柱上的鉚釘，其機械結構如圖5所示。為確保鋁圈在裝配時直線落料，滑動支承④的導向作用使導柱運動實現直線運動，鎖緊環(huán)⑦分別與導向桿③、推料裝置⑤鎖緊，并限制其運動位置。導料氣缸①，在導柱彈簧②力傳遞作用下，帶動左右兩導向桿③下移，導向桿③在下移過程中，穿過由夾料機構傳送的、處于導料機構正下方的鋁圈內的兩小孔，并到達下模鉚釘孔內，導向桿③上的兩鎖緊環(huán)⑦剛好碰觸滑動支承④。此時，夾料氣爪松開，鋁圈可順著兩導向桿③滑落到下模指定位置。由于鋁圈質量較輕，出于安裝穩(wěn)定性的考慮，在導向桿③到達下模裝好的鉚釘孔后，導料氣缸①還需繼續(xù)下移，限位板⑧迫使導柱彈簧②不斷壓縮，導料氣缸①的缸桿推動推料裝置⑤，使得推料彈簧⑥壓縮，直到推料裝置⑤推動鋁圈完成鋁圈的安裝。

圖5 導料機構

3 鋁圈自動裝配機控制系統(tǒng)設計[6～9]

鋁圈自動裝配機的控制系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為主控制器?？刂葡到y(tǒng)通過觸摸屏響應外部各種控制指令，各類傳感器、磁性開關等控制信號作為PLC的輸入信號，用于控制氣動系統(tǒng)和電機，氣動系統(tǒng)響應各個控制指令，驅動對應的各類氣缸和電機，實現裝配動作，該控制系統(tǒng)的結構框圖如圖6所示。

圖6 鋁圈自動裝配控制系統(tǒng)框圖

圖7為裝置氣動控制系統(tǒng)的工作原理圖。氣缸選用SMC的CDJ2B10系列氣缸，為了確保在送料、隔料以及落料時不造成鋁圈的嚴重變形，氣缸的最大作用力設置為不超過4N，分別在鋁圈的送料位置、沿導引機構的落料位置以及間隔相鄰鋁圈的隔料位置均安裝一對氣缸實現相應的動作。送料氣缸是將振盤排好序的鋁圈推送至指定的上料位置，再由隔料氣缸將待裝配的鋁圈與其它排好序的鋁圈隔開，最后導料氣缸推動鋁圈沿導柱將其放置在指定的裝配位置上。

圖7 鋁圈自動裝配機氣動方案原理圖

鋁圈自動裝配機控制系統(tǒng)對氣動系統(tǒng)中每個氣缸動作的先后順序有著嚴格的要求。如若氣缸的或者磁性開關的動作時間發(fā)生跳變或響應錯誤，則無法實現正確上料和裝配。控制系統(tǒng)的主流程圖如圖8所示。

圖8 鋁圈自動裝配控制主流程圖

4 結束語

燈頭鋁圈自動裝配的設計難點在于目標鋁圈壁薄易變形，且其組件形狀可供辨識和就位的特征比較單一，選擇余地太少，給夾持、運送和定位帶來了較大的困難。本文根據鋁圈的特點設計了專門的送料機構、隔料機構、夾料機構以及導料機構，籍此提高了裝置的可用性和可靠性，從而為實現燈頭座鋁圈工位的自動裝配奠定了基礎。同時，本文還提出一套對應的控制系統(tǒng)設計方案，由此確保了自動裝配工位運行的可靠性和準確性。實踐表明，所設計的燈頭座鋁圈自動裝配機構能有效提高鋁圈的裝配效率和裝配質量的一致性。

[1] 米增渝.論珠江三角洲專業(yè)鎮(zhèn)經濟的發(fā)展—中山市古鎮(zhèn)燈飾專業(yè)鎮(zhèn)的個案分析[J]. 中國農業(yè)大學學報 (社會科學版),2003,4: 37-44.

[2] 申兆光,鄺國良.廣東中山古鎮(zhèn)燈飾產業(yè)集群模式研究[J].改革與戰(zhàn)略,2007(11):109-111.

[3] 黃金鳳,武金藝,李煒,崔建國.自動袋裝物料裝車機結構研究與分析[J].制造業(yè)自動化,2015(22):50-53.

[4] 戴亞輝,羅亮,劉知貴.拉鉚釘在線檢測系統(tǒng)的自動供料機構設計與仿真[J].機械設計與制造,2015(10):256-259.

[5] 劉海濤,高躍飛,信義兵.一種自動推彈裝置設計與分析[J].機械設計,2015(32):50-54.

[6] 凌松,趙海彬,張亮,馮寶林.基于PLC的銀導爆索自動拉絲機控制系統(tǒng)設計[J].制造業(yè)自動化,2015(12):125-127.

[7] 周林.基于西門子PLC的燒結廠成品篩分自動控制系統(tǒng)[J].機械工程與自動化,2014(2):166-167.

[8] 鞠青辰,王海祥,梁雅婷,王鵬飛.基于PLC的折彎機自動控制系統(tǒng)的研制[J].機械設計與制造工程,2013(2):52-57.

[9] 朝明軍,鄭武,農振,楊旭磊.氣缸順序動作控制系統(tǒng)設計[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2014(4):13-16.