喇叭鼓膜沖壓自動(dòng)線的設(shè)計(jì)

周名偵 曾東武 楊小萍 李大偉

關(guān)鍵詞：喇叭鼓膜;沖壓自動(dòng)線;機(jī)械手

0引言

喇叭鼓膜的生產(chǎn)要經(jīng)過上料、工位轉(zhuǎn)移、下料、放料等工序。沖壓機(jī)采用氣壓驅(qū)動(dòng)，通過控制氣路系統(tǒng)中的氣閥實(shí)現(xiàn)沖壓模具的上升和下降，從而完成沖壓操作。沖壓機(jī)的上下料操作目前是由人工完成，而工人在操作過程中，對(duì)工件的移動(dòng)位置、工作位置的掌握全憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，往往容易導(dǎo)致工件位置移動(dòng)偏差、加工質(zhì)量出現(xiàn)瑕疵的情況。因此，用機(jī)械代替手工操作、實(shí)現(xiàn)喇叭鼓膜工件的全自動(dòng)加工、降低人工參與率和人力成本、減少誤操作、減少操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高加工效率和質(zhì)量是喇叭鼓膜生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

本文采用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)喇叭鼓膜的工序、尺寸、材料、形狀等情況，首先對(duì)喇叭鼓膜自動(dòng)上下料裝置進(jìn)行了零部件和整機(jī)虛擬設(shè)計(jì)，并在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)的修正，使裝置的性能更加良好。然后制作了實(shí)物，并完成相應(yīng)的PLC控制。整套裝置已在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中試運(yùn)行，并進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。結(jié)果表明，喇叭鼓膜沖壓機(jī)配置本自動(dòng)上下料裝置后，沖壓產(chǎn)品合格率大于99%，設(shè)備綜合效率大于90%，功耗小于0.2kW。這些主要技術(shù)指標(biāo)均在企業(yè)要求的范圍內(nèi)，滿足了企業(yè)的要求。

1自動(dòng)上下料裝置設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)上下料裝置整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，該裝置包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)兩部分。機(jī)械結(jié)構(gòu)由上下料執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、物料升降機(jī)構(gòu)組成。上下料執(zhí)行機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用下，完成喇叭鼓膜工件的取料、上料、工位轉(zhuǎn)移、下料和放料操作。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)X、Y、Z軸由伺服電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成;物料升降機(jī)構(gòu)由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)與升降機(jī)構(gòu)組成;電氣控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、傳感器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器等主要電氣元器件形成自動(dòng)化集成。

本設(shè)計(jì)方案做了如下方面的考慮。

（1）沖壓機(jī)采用閉環(huán)控制，X、Y、Z軸能準(zhǔn)確聯(lián)動(dòng)，重復(fù)定位精準(zhǔn)度高。

（2）物流系統(tǒng)采用雙臂聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，一只機(jī)械臂在抓取物料、上料的同時(shí)，另一只機(jī)械臂在下料、放料，有效提高機(jī)器人的工作效率。

（3）末端抓取采用多個(gè)緩沖吸盤和一個(gè)定位吸盤組成，能對(duì)不同弧面形狀的鼓膜進(jìn)行精準(zhǔn)吸附。

（4）物料升降機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在放滿物料的情況下，取料架能自動(dòng)上升物料，放料筒部分能檢測(cè)到當(dāng)前物料的數(shù)量以及作出物料滿載提示和報(bào)警。

（5）加工過程采用PLC控制，光電位置檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控工作狀態(tài)并對(duì)突發(fā)故障能應(yīng)急處理。觸摸屏上能實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的運(yùn)行狀態(tài)與生產(chǎn)狀況，并能修改加工速度、沖壓時(shí)問等參數(shù)。

（6）采用柔性化設(shè)計(jì)，能適用于多種類型的喇叭鼓膜生產(chǎn)，對(duì)于不同的喇叭鼓膜沖壓機(jī)床，只要配置本自動(dòng)上下料裝置，并稍微修改控制程序，便能完成自動(dòng)加工，不需改動(dòng)沖壓機(jī)床。因此，具有低成本、效率高和操作方便等優(yōu)勢(shì)。

本設(shè)計(jì)考慮到各部件的特征、參數(shù)和幾何約束關(guān)系，上下料機(jī)構(gòu)外形總體尺寸設(shè)計(jì)為2000mmx1000mmx1200mm，X軸、Y軸、Z軸可移動(dòng)距離分別為1800mm、500mm、500mm，如圖2所示。

2上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上下料機(jī)械手能在控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的工件取料、上料、工位轉(zhuǎn)移、下料、放料等操作。上下料機(jī)械手由安裝板6、上料臂和下料臂組成，如圖2-3所示。為了高效地滿足上下料的操作要求，本文的機(jī)械手設(shè)計(jì)為直角坐標(biāo)三自由度機(jī)械手。

上料臂和下料臂均由延伸桿7和夾具5組成。氣吸夾具5由吸盤安裝板10、吸盤11等組成，如圖3所示。由于喇叭鼓膜尺寸小、且為非金屬，所以本設(shè)計(jì)采用氣吸夾具。

設(shè)計(jì)中，X軸導(dǎo)軌為最低層，直接設(shè)置在床身表面上;Y軸導(dǎo)軌為中層，設(shè)置在X軸滑軌上;Z軸導(dǎo)軌為頂層，設(shè)置在Y軸導(dǎo)軌上。Z軸導(dǎo)軌上方安裝上下料機(jī)械手，通過設(shè)定X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)軌跡來帶動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)生空間位移，從而實(shí)現(xiàn)取料、上料、下料、放料和工件在加工過程中的工位轉(zhuǎn)移。

如圖2所示，安裝板6垂直安裝在Z軸導(dǎo)軌4的表面上，并且與Z軸導(dǎo)軌4滑動(dòng)連接;延伸桿7垂直連接在安裝板6的表面上，并且朝著預(yù)設(shè)方向延伸一定距離;吸盤安裝板10可水平貼附在延伸桿7的末端底面上，而吸盤11可立設(shè)在吸盤安裝板10上，并且吸盤11一般垂直朝下，可通過氣體負(fù)壓原理吸取依次放好的喇叭鼓膜工件。若生產(chǎn)中，需要更換加工若干種不同類型、尺寸或規(guī)格的喇叭鼓膜工件，為確保機(jī)械手能夠適應(yīng)不同工件的取放料，在吸盤安裝板10上沿其周向方向開設(shè)了若干個(gè)備用安裝槽12。各個(gè)備用安裝槽12主要用于安裝吸盤11，以在工件的尺寸較大時(shí)，可以通過呈圓周向分布的多個(gè)吸盤11同時(shí)吸附工件的邊緣位置（工件一般呈回轉(zhuǎn)形），從而將其穩(wěn)定地吸取。比如，可在吸盤安裝板10上沿周向方向開設(shè)3-6個(gè)備用安裝槽12，當(dāng)工件的尺寸較大時(shí)，可以去除中問的吸盤11，同時(shí)在各個(gè)備用安裝槽12內(nèi)安裝吸盤11，如此即可通過各個(gè)吸盤11同時(shí)吸附工件的邊緣位置，將工件吸取出來。當(dāng)然，若工件的尺寸較小時(shí)，只需使用吸盤安裝板10中心位置的單一吸盤11即可。

為了提高吸盤11的吸取能力，夾具機(jī)械手5在取料過程中，可在Z軸導(dǎo)軌4上進(jìn)行垂向位移調(diào)整，從而增加吸取時(shí)的下壓力。由于夾具5就設(shè)置在延伸桿7的末端位置，通過延伸桿7的適當(dāng)延伸距離，可使得機(jī)械手夾具5的初始位置位于取料工位（或下料工位）。

3自動(dòng)上下料裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1電氣控制系統(tǒng)組成與硬件選用

本裝置采用三菱PLC為控制中心，通過觸摸屏（或按鈕）操作、傳感器的位置檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的精準(zhǔn)定位以及電磁閥組的吸放，達(dá)到協(xié)調(diào)控制之目的?？刂葡到y(tǒng)組成如圖4所示，主要包括PLC控制器1臺(tái)、觸摸屏1臺(tái)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器2套（取料架和放料筒的升降）、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3套（X、Y、Z軸移動(dòng)）、傳感器13個(gè)、電磁閥組2個(gè)、開關(guān)電源等元器件。

元器件選擇時(shí)重點(diǎn)考慮的參數(shù)包括功率、電壓、精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性、工作環(huán)境、工作溫度、價(jià)格等因素。具體選擇的結(jié)果是：FX3U-4 8MT PLC，湯姆斯57-3.6N·m伺服電機(jī)、湯姆斯57驅(qū)動(dòng)器、雷賽42-0.9N·m步進(jìn)電機(jī)、雷賽42驅(qū)動(dòng)器、20mm霍爾傳感器、SMC-24 V電磁閥等。

3.2電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本裝置的電氣控制系統(tǒng)功能是：（1）可以實(shí)行手動(dòng)、自動(dòng)、急停，回原點(diǎn)控制;（2）除了用按鈕操作外，也可以在觸摸屏界面上操作;（3）觸摸屏界面中可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)相關(guān)的重要數(shù)據(jù);（4）控制參數(shù)可依據(jù)實(shí)際加工需要進(jìn)行調(diào)整改變。

依據(jù)以上要求，軟件設(shè)計(jì)包含兩方面，分別為PLC控制程序與觸摸屏控制程序。PLC控制程序根據(jù)I/O分配以及本裝置工藝流程控制要求（圖5）采用SFC方式編寫。如果需要多臺(tái)PLC聯(lián)合控制，則需要增加RS485通訊模塊，并在程序中相應(yīng)地增加N：N網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。觸摸屏界面顯示依據(jù)操作要求、設(shè)備參數(shù)、顯示狀態(tài)等進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定時(shí)要特別注意數(shù)據(jù)與PLC程序的對(duì)應(yīng)連接。

4喇叭鼓膜自動(dòng)沖壓線測(cè)試

4.1主要技術(shù)指標(biāo)及計(jì)算方法

（1）設(shè)備綜合效率

機(jī)械停機(jī)、裝料速度和廢品率造成的損失是影響設(shè)備綜合效率的主要原因。因此，設(shè)備綜合效率由時(shí)間開動(dòng)率、性能開動(dòng)率以及合格品率體現(xiàn)，其計(jì)算公式為：

現(xiàn)裝置中的耗能設(shè)備主要有：伺服電機(jī)，每臺(tái)伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器90w，90wx3=270w;步進(jìn)電機(jī)，每臺(tái)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器30w，30wx2=60w;開關(guān)電源30w;PLC、觸摸屏、電磁閥、傳感器、指示燈等共約為50w，總功率P約為410w。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，各項(xiàng)主要指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1～2所示。

5結(jié)束語

從測(cè)試數(shù)據(jù)可見，本文基于solidworks設(shè)計(jì)的喇叭鼓膜沖壓自動(dòng)上下料裝置，性能達(dá)到了企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求。該系統(tǒng)已在生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試運(yùn)行，重點(diǎn)驗(yàn)證了裝置的功能、性能、安全性、連續(xù)運(yùn)行可靠性、電源適應(yīng)性。該生產(chǎn)線的應(yīng)用，極大地減少了人工成本，產(chǎn)品質(zhì)量顯著提高。