手機(jī)SIM卡插槽自動沖壓系統(tǒng)的設(shè)計與控制

張 慧

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226007）

手機(jī)SIM卡插槽原料為厚0.1 mm的不銹鋼鋼帶，鋼帶尺寸如圖1所示。鋼帶寬度為30 mm，兩邊有兩排直徑為1.5 mm的小孔，在每19 mm長度范圍內(nèi)，有兩片插槽需要沖壓出來(圖1中的陰影部分)。鋼帶經(jīng)過先期加工和電鍍后，用紙帶進(jìn)行層與層之間的隔離，卷曲在料盤上，即為原料，如圖2所示。鋼帶在沖壓加工時，一方面需要將SIM卡插槽從鋼帶中沖下來，同時需要將紙帶收卷。由于鋼帶較薄，送料過程中易出現(xiàn)鋼帶偏移和送料長度誤差大的情況，故需要設(shè)計合理的沖壓系統(tǒng)以保證送料可靠，并在送料、沖壓、放料和收卷之間進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。針對這一要求，以J23-16型開式?jīng)_床為加工設(shè)備，設(shè)計了自動沖壓系統(tǒng)并對其進(jìn)行控制。

圖1 鋼帶尺寸示意圖

圖2 原料實(shí)物圖

1 沖壓系統(tǒng)的構(gòu)成

該沖壓系統(tǒng)的機(jī)械部分主要由送料機(jī)構(gòu)、沖床、放料機(jī)構(gòu)和收料機(jī)構(gòu)等4個部分組成，沖壓系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。J23-16型沖床有1個操作桿，拉動該操作桿即可進(jìn)行沖壓。根據(jù)該沖床規(guī)格大小和鋼帶尺寸，每次可沖壓6個SIM卡插槽，需要送料的鋼帶總長度為6×19 mm=114 mm。在操作桿正下方安裝1個電磁鐵以實(shí)現(xiàn)沖床的自動控制。當(dāng)電磁鐵線圈通電時，拉動操縱桿；當(dāng)電磁鐵線圈失電時，操縱桿復(fù)位，沖床完成1次沖壓。被沖壓下來的插槽由吹氣管吹到收集袋里。放料機(jī)構(gòu)將鋼帶和紙帶從放料盤里放出，鋼帶進(jìn)入送料機(jī)構(gòu)，紙帶進(jìn)入收料機(jī)構(gòu)，并由收料機(jī)構(gòu)收卷到收料盤里。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)主要由送料盤、送料電機(jī)、減速箱（減速比為1∶24）、凸輪、撥桿和檢測盤組成。送料機(jī)構(gòu)的1個送料周期分為送料階段和停止階段，在停止階段沖床進(jìn)行沖壓。送料機(jī)構(gòu)的原理如圖4所示。送料電機(jī)啟動后，通過減速箱使凸輪旋轉(zhuǎn)，凸輪旋轉(zhuǎn)時帶動撥桿使輸出軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動送料盤轉(zhuǎn)動送料。[1]

圖4 送料機(jī)構(gòu)原理圖

2.1 送料盤

送料盤安裝在輸出軸的一端，其外圓上設(shè)有兩排針，插入鋼帶上的孔中，確保在送料盤轉(zhuǎn)動時鋼帶無偏移地送料，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。在設(shè)計時，首先將送料盤圓周角分成72等分，即中心角ψ為5°，在送料盤圓周鉆兩排孔，安裝直徑d為1.5 mm的針，兩個針之間的軸向距離L為25 mm，圓周上兩個針之間的弧長等于19 mm。由π×D/72=19 mm，求得送料盤直徑D約為435.7 mm。

圖5 送料盤結(jié)構(gòu)圖

2.2 撥桿與凸輪

在輸出軸的另一端安裝的圓盤上均勻分布12根撥桿，rp為撥桿中心的節(jié)圓半徑，撥桿的直徑為dp，如圖6所示[2]。當(dāng)凸輪旋轉(zhuǎn)1周時，驅(qū)動其中的1根撥桿沿凸輪輪廓線移動，使圓盤旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動輸出軸旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度為τ=360°/12=30°。

凸輪輪廓線由2部分組成。第一段為正弦曲線，對應(yīng)的凸輪旋轉(zhuǎn)角度α為240°，該段曲線推動撥桿移動，使輸出軸平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)；第二段為直線，對應(yīng)的凸輪旋轉(zhuǎn)角度β為120°，在該旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)，由于凸輪輪廓線沒有升程，故凸輪旋轉(zhuǎn)時撥桿不移動，輸出軸不旋轉(zhuǎn)。正弦曲線和直線兩部分平滑連接。

凸輪原理如圖6所示。由圖6d可知，凸輪升程H的計算式為：H=A=2rpsin30°。凸輪輪廓線的數(shù)學(xué)表達(dá)式為，其中θ為凸輪旋轉(zhuǎn)角度。由于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為1 440 r/min，減速箱的減速比為1∶24，故凸輪旋轉(zhuǎn)1周的時間T的計算式為：T=1400 r/min÷60÷24=1 s。

圖6 凸輪原理

凸輪旋轉(zhuǎn)1周，推動1根撥桿移動，通過輸出軸使送料盤旋轉(zhuǎn)1個分度角τ(τ=30°)，即完成1次送料動作。在1個送料周期T內(nèi)，輸出軸在2T/3時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)1個分度角τ后，停止T/3時間。在停止送料階段，沖床進(jìn)行沖壓。如圖4所示，在凸輪軸的末端，安裝有檢測盤和檢測開關(guān)2。凸輪軸旋轉(zhuǎn)在0°～240°范圍內(nèi)，檢測開關(guān)2可檢測到信號，表明送料機(jī)構(gòu)處于送料階段；凸輪軸旋轉(zhuǎn)在240°～360°范圍內(nèi)，檢測開關(guān)2檢測不到信號，表明送料機(jī)構(gòu)處于停止?fàn)顟B(tài)，可啟動沖床進(jìn)行沖壓。

由于采用了鋼帶上兩邊的孔進(jìn)行長度定位，因此通過送料盤的角度控制能準(zhǔn)確地把1組6個SIM卡插槽送入沖床內(nèi)，這種送料方式避免了使用伺服電機(jī)等其他送料方式帶來的送料長度誤差累積的缺陷。[3]

3 放料和收料機(jī)構(gòu)

放料機(jī)構(gòu)將鋼帶從放料盤中放出，同時放出保護(hù)紙帶，收料機(jī)構(gòu)將紙帶回收在收料盤上。兩個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 放料和收料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

3.1 放料原理

在導(dǎo)料槽下方安裝檢測開關(guān)1。送料后鋼帶在送料機(jī)構(gòu)與放料盤之間的長度縮短，鋼帶上移，檢測開關(guān)檢測不到鋼帶時啟動放料電機(jī)開始放料，檢測到鋼帶時停止放料，放料原理如圖8所示。這種主動放料的方法保證了送料機(jī)構(gòu)與放料盤之間的鋼帶具有較富余的長度，使送料時不會因瞬間拉動料盤而產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。

圖8 鋼帶富余量檢測

3.2 收料原理

放料盤上放出的鋼帶進(jìn)入送料機(jī)構(gòu)，紙帶進(jìn)入收料盤，通過收料機(jī)構(gòu)回收到收料盤上。收料機(jī)構(gòu)主要由收料電機(jī)、收料盤、張緊軸、擺桿和檢測開關(guān)組成，如圖7所示。紙帶經(jīng)過過渡桿，在張緊軸的重力作用下被拉出并處于張緊狀態(tài)[4]。當(dāng)放料機(jī)構(gòu)放出紙帶后，張緊軸下移到檢測開關(guān)3的位置時，收料電機(jī)啟動，使收料盤逆向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行紙帶的收卷；在收卷時，張緊軸被動上移，當(dāng)上移到檢測開關(guān)4位置時，收料電機(jī)停止，完成1次收卷。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制元件，對送料電機(jī)、放料電機(jī)、收料電機(jī)、沖床和吹氣管進(jìn)行控制，[5]其輸入輸出信號如表1所示。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)采用三菱FX2N-16MR PLC作為控制主機(jī)，該型號的PLC共有16個I/O口，輸出電路為繼電器輸出。PLC外部接線圖如圖9所示。根據(jù)系統(tǒng)工作要求，其送料電路、電磁鐵、放料電路和收料電機(jī)的控制與相應(yīng)的開關(guān)檢測信號之間的時序圖如圖10所示。[6]送料電機(jī)由啟動/停止按鈕進(jìn)行控制。送料電機(jī)啟動后便一直處于運(yùn)動狀態(tài)，驅(qū)動送料盤旋轉(zhuǎn)，做1個周期T為1 s的送料運(yùn)動，其中，送料階段的時間為2T/3，停止階段的時間為T/3。SQ2為送料機(jī)構(gòu)中檢測送料階段的元件。當(dāng)SQ2=0時，送料盤處于停止階段，此階段電磁鐵得電，進(jìn)行沖壓。電磁鐵得電的持續(xù)時間為0.2 s。SQ1為料帶富余量檢測元件，當(dāng)SQ1=0時，電機(jī)啟動放料；SQ1=1時，電機(jī)停止放料。SQ3和SQ4為張緊軸位置檢測元件，SQ3檢測到張緊軸時，啟動收料電機(jī)，SQ3信號瞬間消失；SQ4檢測到張緊軸時，收料電機(jī)停止工作。

圖9 PLC外部接線圖

表1 PLC輸入輸出信號表

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用凸輪實(shí)現(xiàn)間歇性送料，在送料停止階段啟動沖床運(yùn)行，使送料和沖壓相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了沖床每秒1次的沖壓。利用鋼帶上的孔進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)鋼帶的無偏移送料。通過檢測開關(guān)檢測鋼帶富余量和張緊軸的位置，控制放料電機(jī)和收料電機(jī)的啟停。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該沖壓系統(tǒng)方法新穎、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，能滿足小型加工廠的需求，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價值。