自動化生產(chǎn)線上下料裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)

摘要：自動化生產(chǎn)線是根據(jù)工藝順序?qū)嵤┑囊惶鬃詣踊O(shè)備，它是能自動完成全部或部分制造過程的生產(chǎn)系統(tǒng)。制造自動化包括機(jī)械加工自動化、裝配自動化、包裝自動化等各個(gè)門類，其中裝配自動化是整個(gè)非標(biāo)制造自動化的核心，是其他制造自動化的基礎(chǔ)，其傳動系統(tǒng)一般都包括上下料裝置、輸送系統(tǒng)和存儲裝置等。本研究來源于生產(chǎn)實(shí)際，根據(jù)空調(diào)外機(jī)裝配輸送線的實(shí)際要求進(jìn)行自動上下料裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自動化生產(chǎn)線；上下料裝置；氣動系統(tǒng)；電氣系統(tǒng)

引言：據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前機(jī)電產(chǎn)品的裝配工作量占總產(chǎn)品制造工作量的20%～70%，裝配成本約占其總成本的1／3--1／2。隨著我國制造自動化水平的迅猛發(fā)展，以機(jī)器代替人力，以保證裝配精度的一致性、提高裝配的自動化刻不容緩。對此，文章針對自動化生產(chǎn)線上下料裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)提出了幾點(diǎn)建議，希望能夠給相關(guān)人士提供重要的參考價(jià)值。

1.自動上下料裝置開發(fā)設(shè)計(jì)步驟

第一，按照基本要求進(jìn)行自動上下料裝置的總體方案設(shè)計(jì)，運(yùn)用ＵＧ／等軟件進(jìn)行系統(tǒng)的外觀初步設(shè)計(jì)和干涉檢查。第二，自動機(jī)械節(jié)拍的分析與設(shè)計(jì)。第三，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包括裝配圖、零件圖設(shè)計(jì)）。第四，氣動、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第五，完善設(shè)計(jì)的料單BOM、三維圖紙、二維圖紙，提出全部外購件、通用標(biāo)準(zhǔn)件、加工件清單。第六，現(xiàn)場裝配調(diào)試。第七，編寫設(shè)備的技術(shù)手冊、使用說明書。

2.總體方案設(shè)計(jì)

本裝置的作用是在裝配時(shí)搬運(yùn)和傳送空調(diào)外機(jī)的工裝板，使其能夠按照規(guī)定的節(jié)拍進(jìn)行全自動上下、前后移動，裝配空調(diào)外機(jī)的工裝板的尺寸為1200×1000×50（mm），如圖１所示，重量為30kg，工裝板最高行程高度為1000mm。本設(shè)計(jì)針對使用企業(yè)的工廠專業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)要求，按照空調(diào)外機(jī)裝配輸送線的實(shí)際要求，參考相似產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1.自動上下料裝置結(jié)構(gòu)模型：

3.自動機(jī)械節(jié)拍的分析與設(shè)計(jì)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，要求整個(gè)自動上下料裝置按照規(guī)定的節(jié)拍運(yùn)行，總節(jié)拍在40s以內(nèi)。自動機(jī)械具體運(yùn)行流程如下：①抓取機(jī)構(gòu)初始化，到達(dá)原點(diǎn)位置；②抓取機(jī)構(gòu)下降到指定位置（4s）后用吸盤吸取工裝板（1.5s）；③抓取機(jī)構(gòu)上升到指定位置（6s）；④抓取機(jī)構(gòu)前后移動到指定位置（5s）；⑤抓取機(jī)構(gòu)下降到指定位置（6s）；⑥抓取機(jī)構(gòu)釋放吸盤（1.5s），將工裝板放到輸送線上；⑦抓取機(jī)構(gòu)上升到指定位置（6s）；⑧抓取機(jī)構(gòu)歸位到原位（5s），重復(fù)上述工序。

所以理論節(jié)拍時(shí)間為：TC＝4＋1.5＋6＋5＋6＋1.5＋6＋5＝35S。又由于實(shí)際操控中電氣、氣動信號有所滯后，故需將理論節(jié)拍時(shí)間乘以系數(shù)1.1，則實(shí)際節(jié)拍時(shí)間為：Td＝TC×1.1＝38.3ｓ＜40ｓ。所以節(jié)拍時(shí)間符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)行完節(jié)拍分析與設(shè)計(jì)后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括裝配圖、零件圖設(shè)計(jì)，對其按照實(shí)際使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，本論文重點(diǎn)考慮氣動、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣動系統(tǒng)實(shí)際工作中可按以下步驟進(jìn)行：氣動回路設(shè)計(jì)、氣缸的選型與安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁換向閥的選型、磁感應(yīng)開關(guān)的選型、真空吸盤選型、控制元件和輔助元件的選型等。氣動回路主要用于上下升降機(jī)構(gòu)和前后運(yùn)動機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2.氣動回路：

氣缸選型的一般步驟為：選擇系列、確定缸徑和行程、選定安裝方法、選定安裝附件等。

4.1升降機(jī)構(gòu)

由于工裝板的升降運(yùn)動是豎直方向固定距離的上下運(yùn)動，因此氣缸常用的兩個(gè)品牌為FESTO、SMC，設(shè)計(jì)要求氣缸需具有足夠的承載能力和結(jié)構(gòu)剛性，考慮擺放空間，所以可采用無桿氣缸。無桿氣缸分為磁偶式與機(jī)械式兩大類，由于機(jī)械式密封性能差，容易產(chǎn)生外泄漏且受負(fù)載力小，因此本設(shè)計(jì)選用磁偶式無桿氣缸，查閱SMC氣缸選型手冊，采用SMC公司的MY系列。由于氣缸在豎直方向上工作，屬于動載荷，因此按負(fù)載率ε＝50%來進(jìn)行計(jì)算，工件重量F＝30ｋg。假定氣缸工作時(shí)壓縮空氣的壓力為0.5MPa，則氣缸所需要的理論輸出力F0為＝60kgf。根據(jù)SMC氣缸選型手冊[1]，考慮垂直運(yùn)動的可靠性，選擇缸徑為６３ｍｍ的氣缸，其理論輸出力為156kgf，選擇MY1B63G－1000－Z73無桿氣缸，其標(biāo)準(zhǔn)行程為1000mm，滿足使用要求。氣缸垂直方向安裝時(shí)應(yīng)使氣缸中心通過安裝中心，采用上下法蘭盤安裝。一般而言，控制雙作用氣缸選擇4通～5通電磁閥，本次設(shè)計(jì)選用的是雙作用氣缸，所以選擇５通電磁閥，采用ＳＭＣ公司的二位五通先導(dǎo)閥SY7320－5DZD－02，速度控制閥采用SMC公司的AS3291F－03－08。

4.2前后運(yùn)動機(jī)構(gòu)

由于前后運(yùn)動機(jī)構(gòu)使用場合寬，需要中間可以停止及急停，因此我們選擇雙作用帶鎖氣缸，在此選擇SMC公司的MDNBB系列的雙作用帶鎖氣缸CNAFN63－1000－D－Z73。先導(dǎo)閥與速度控制閥的選用與升降機(jī)構(gòu)相同，另外還采用ＳＭＣ公司的先導(dǎo)式電磁閥VQZ332－5YZ－C6、消聲器AN101－01。由于需要抓取的工裝板表面光滑，選用真空吸盤作為搬運(yùn)夾具，型號為ZPT80HNJ75－B01－A。

5.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要分析系統(tǒng)的工作步驟，本設(shè)計(jì)為自動單循環(huán)工作,根據(jù)系統(tǒng)要求，在升降機(jī)構(gòu)和前后機(jī)構(gòu)的極限位置均設(shè)有磁感應(yīng)開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，通過PLC程序按照機(jī)械節(jié)拍流程進(jìn)行控制。PLC控制部分的設(shè)計(jì)流程如圖3所示[2]。

圖3.升降機(jī)構(gòu)單支路系統(tǒng)的工作步驟：

結(jié)論：

簡而言之，針對空調(diào)裝配生產(chǎn)線實(shí)際要求，本文進(jìn)行了非標(biāo)自動化生產(chǎn)線上下料裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)，通過一系列具體的軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試，最終設(shè)計(jì)出一套自動上下料裝置。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有精度高、響應(yīng)快的特點(diǎn)。它對于非標(biāo)自動化設(shè)計(jì)、手動升級為自動的智能制造裝備開發(fā)具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙碧，巴鵬，徐英鳳．氣動上下料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析［J］．沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，25（6）：58-60．

[2]王田苗，丑武勝.機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2019.

崔欣 1991.12? 陜西 漢 男 本科 初級工程師 西北農(nóng)林科技大學(xué)? 非標(biāo)自動化設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用