雙款移液器吸頭自動(dòng)篩選擺放設(shè)備的 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

黃 波 涂 琴 李潤(rùn)澤 王 潔

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

1 振動(dòng)盤簡(jiǎn)介

振動(dòng)盤是一種在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的輔助送料設(shè)備，可將沒(méi)有順序的工件有序排列起來(lái)移動(dòng)，還可以應(yīng)用于組裝產(chǎn)品、檢測(cè)質(zhì)量以及計(jì)數(shù)包裝產(chǎn)品等[1]。應(yīng)用振動(dòng)盤自動(dòng)化供料，可加快生產(chǎn)速度，提升工作效率，提高自動(dòng)化程度，節(jié)約人力資源。它在五金、電子、電器、汽車、醫(yī)藥、化工、食品以及包裝等行業(yè)中廣泛應(yīng)用，是解決工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備供料的必須設(shè)備[2]。

2 設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)

本文設(shè)計(jì)的振動(dòng)盤是雙款移液器吸頭自動(dòng)篩選擺放設(shè)備的上料機(jī)構(gòu)，可用于10 μL與200 μL兩種規(guī)格的移液器吸頭的篩選、整列定向與上料。兩種規(guī)格的移液器吸頭如圖1所示。設(shè)備運(yùn)行時(shí)要求移動(dòng)平穩(wěn)、速度快，每分鐘的上料速度在30～60個(gè)。

圖1 10 μL與200 μL移液器吸頭

2 上料機(jī)構(gòu)方案的分析與確定

吸頭的包裝形式主要有袋裝和盒裝。在中國(guó)，袋裝是吸頭主要的包裝形式。多數(shù)用戶買來(lái)袋裝吸頭后，人工把吸頭放入吸頭盒，耗費(fèi)人工，也可能污染吸頭。因此，采用小型自動(dòng)化設(shè)備裝盒吸頭是必然趨勢(shì)[3]。振動(dòng)盤輔助自動(dòng)化設(shè)備上料是目前較為成熟可靠的技術(shù)方案。

吸頭采用聚丙烯塑料制造，細(xì)長(zhǎng)且非常輕。10 μL規(guī)格的外表面光滑，200 μL的吸頭上端外表面有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。為此設(shè)計(jì)了兩種供料方案，分別如圖2和圖3所示。

圖2 雙振動(dòng)盤單軌道方案

圖3 單振動(dòng)盤雙軌道方案

圖2的方案中，自動(dòng)化設(shè)備配置兩個(gè)單軌振動(dòng)盤。一個(gè)振動(dòng)盤對(duì)設(shè)備供給10 μL的吸頭，另一個(gè)供給200 μL的吸頭。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整列效率高、速度快以及調(diào)試與操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是占用面積較大，疊加的噪聲較大，且投入與運(yùn)行的成本較高。

圖3方案是雙軌道的振動(dòng)盤，在兩個(gè)軌道上篩選、整列定向10 μL和200 μL吸頭。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是占用面積較小，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行與維護(hù)成本低，噪聲相對(duì)較小，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，上料速度相對(duì)較慢。

考慮到設(shè)備是在實(shí)驗(yàn)室使用，要求占地面積盡可能小，噪聲盡可能小，在滿足擺放機(jī)構(gòu)供料速度的情況下，上料速度可以適當(dāng)降低。綜合分析兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，圖3方案最適合實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)所使用。

3 上料機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)計(jì)算

上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及到的主要參數(shù)為料槽螺旋升角α、料斗內(nèi)徑DH、電磁吸力F以及供料率Q等。

3.1 料斗盤主要尺寸

料斗盤主要尺寸如圖4所示。

圖4 料斗盤主要尺寸

3.1.1 料斗的螺旋升角α的確定

螺旋升角α一般由升程和中徑的大小決定，但也與工件拋射角β及工件與料道間的摩擦系數(shù)μ有關(guān)。吸頭材料聚丙烯（PP）的摩擦系數(shù)在0.20～0.35[4]。根據(jù)企業(yè)經(jīng)驗(yàn)，選取料斗的螺旋升角α=3°。

3.1.2 料斗盤直徑

料斗盤內(nèi)徑DH常大于L工的8～10倍。L工是吸頭的最大外輪廓尺寸[5]。200 μL吸頭的長(zhǎng)度是70 mm，10 μL吸頭的長(zhǎng)度是50 mm。在上料過(guò)程中，有可能出現(xiàn)2～3個(gè)吸頭套在一起的情況，因此取L工=90 mm，DH=900 mm。

料斗外徑為：

料斗平均直徑為：

式中：e為筒體壁厚，一般為5～10 mm；B是料道寬度，等于b與Δb的和，其中b是吸頭的最大尺寸70 mm，Δb（余量）一般取1～3 mm。

因此，帶入數(shù)據(jù)計(jì)算可得De=910 mm，Dp=828 mm。

3.1.3 料斗的螺距t

由圖4可得料斗的螺距：

式中：h為工件直徑或高度；δ為料道厚度，常取4～8 mm。

吸頭形狀細(xì)長(zhǎng)，整列時(shí)是平躺狀態(tài)，因此h取吸頭的最大直徑7.5 mm?？紤]到若干層吸頭重疊在一起的情況，調(diào)整h為30 mm。計(jì)算料斗的螺距t=53 mm，滿足要求。

3.1.4 料斗的高度H

料斗的高度H為：

式中：n為螺旋料道的圈數(shù)，常取n=1.5～3.5。于是，計(jì)算可得H=511 mm。

以上計(jì)算結(jié)果，可作為制作振動(dòng)盤料斗與選購(gòu)底座的依據(jù)。

3.2 上料機(jī)構(gòu)的主要工藝參數(shù)

3.2.1 供料率Q

供料率Q主要取決于工件在軌道上移動(dòng)的平均速度VP，其與料槽的傾斜角度α、工件物理性質(zhì)以及電磁振動(dòng)參數(shù)等相關(guān)，有：

式中：K為速度損失系數(shù)，滑移前行時(shí)取0.6～0.7；η為工件填充系數(shù)，工件簡(jiǎn)單光滑時(shí)取0.7～0.9；L為吸頭長(zhǎng)度；A為料槽振幅，一般取0.5～1 mm。

代入數(shù)值計(jì)算10 μL和200 μL吸頭每分鐘的上料個(gè)數(shù)Q，有：當(dāng)振幅A=0.5 mm時(shí)，Q200μL=84，Q10μL=118；當(dāng)振幅A=1 mm時(shí)，Q200μL=169，Q10μL=237。

因?yàn)閮煞N吸頭混合，實(shí)際供料速度受理論計(jì)算較慢的吸頭影響，兩種吸頭的供料率可以控制在每分鐘84～169個(gè)，即每秒1.4～2.8個(gè)。在實(shí)際定向時(shí)，部分吸頭落回料斗，實(shí)際供料率會(huì)略低，因此實(shí)際供料率需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況而定。

3.2.2 電磁鐵的頻率和電壓

電磁鐵頻率以及其電壓由工件尺寸、工件重量和料斗大小決定。本設(shè)計(jì)中料斗直徑DH=900 mm，屬大型料斗，則取電流頻率f=50 Hz，電壓U=220 V。此外，大型料斗的底座電磁鐵應(yīng)垂直于支承彈簧安裝，可減小電磁鐵功率。

4 料斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型料斗一般采用將筒體與螺旋出料槽、導(dǎo)軌等零部件焊接成整體的焊接方式，再用螺栓與底盤裝配[4]。工件為塑料件，不需料斗與電銜鐵隔磁，料斗底部錐角為160°，便于工件向料筒底部邊緣滑移集中。料斗要求質(zhì)量輕，容易振動(dòng)，且內(nèi)表面光滑，耐磨損，能隔離磁性，成本低。本振動(dòng)盤上料的對(duì)象是醫(yī)用耗材，所以采用醫(yī)用器械設(shè)備常用的304不銹鋼。

4.1 料斗的整列定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振動(dòng)盤上料器要求在單位時(shí)間內(nèi)將無(wú)序的工件沿料斗軌道從下往上有序整列定向移動(dòng)。一般采用定向的方法為剔除法，根據(jù)工件的重心和形狀，在軌道上加裝擋塊，使軌道變細(xì)或變?yōu)樾泵娴萚4]。也可以加裝吹氣系統(tǒng)，將質(zhì)量小、重疊的工件吹到料筒底部。通過(guò)以上方法將方向不符合要求的工件矯正或者去除，從而實(shí)現(xiàn)有序的排列與定向。針對(duì)吸頭這類小且輕的工件，吹氣方案是車間常用的整列定向方法。但是，由于該設(shè)備限制在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，普通壓縮機(jī)中的空氣雜質(zhì)會(huì)污染吸頭，需要配置專門的醫(yī)用壓縮機(jī)，導(dǎo)致采購(gòu)與使用成本高。因此，吹氣方案不滿足多數(shù)實(shí)驗(yàn)室條件或環(huán)境。

在確定的單振動(dòng)盤雙軌道方案中，料斗需將混雜的兩種規(guī)格的吸頭進(jìn)行篩選、整列定向與上料。因?yàn)閮煞N吸頭口部直徑與長(zhǎng)度差異較大，所以在篩選前可能出現(xiàn)同規(guī)格或不同規(guī)格吸頭混在一起甚至套在一起的情況，需要在料斗上設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)將彼此分離。此外，要在上料前完成吸頭尖頭朝下的粗略與精確整列定向兩個(gè)動(dòng)作[5]。

針對(duì)以上需要解決的技術(shù)問(wèn)題，考慮到醫(yī)用設(shè)備對(duì)空氣污染的嚴(yán)格要求，只有在料斗上設(shè)置導(dǎo)軌、擋條和定位塊等部件，才能滿足吸頭篩選分離、整列定向等問(wèn)題。最終料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和實(shí)際效果圖，分別如圖5和圖6所示。

圖6 實(shí)際效果圖

4.2 振動(dòng)底盤型號(hào)的選用

料斗外徑是910 mm，底座直徑應(yīng)不小于料斗直徑的70%，即637 mm。底盤廠家推薦底座直徑為650 mm，適用直徑1 000 mm的料斗盤體。

5 結(jié)語(yǔ)

該上料機(jī)構(gòu)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，要求對(duì)兩種吸頭上料，且空間環(huán)境對(duì)設(shè)備的要求較高。為了盡量減小體積、降低噪聲以及避免在上料過(guò)程中污染吸頭，沒(méi)有采用車間常用的雙振動(dòng)盤單獨(dú)上料和氣動(dòng)定向的傳統(tǒng)技術(shù)方案，而是采用單振動(dòng)盤的多軌道方案，以接觸式的篩選和整列定向的方式上料。

在確定振動(dòng)盤的設(shè)計(jì)方案后，根據(jù)企業(yè)實(shí)際案例、產(chǎn)品技術(shù)資料以及振動(dòng)盤設(shè)計(jì)手冊(cè)，詳細(xì)計(jì)算出料斗盤的相關(guān)尺寸與工藝參數(shù)，為料斗盤設(shè)計(jì)、底盤、直線振動(dòng)器以及相應(yīng)控制器等選型和振動(dòng)盤的制作與調(diào)試提供了依據(jù)。