玻璃架轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

高昌頎,汪宏飛,楊曉偉

(中建材凱盛機(jī)器人(上海)有限公司,上海 201600)

隨著科技的進(jìn)步和玻璃工業(yè)的高速發(fā)展，各玻璃加工設(shè)備越來越能快速、高效的生產(chǎn)出高質(zhì)量的玻璃產(chǎn)品，對設(shè)備進(jìn)料速度要求越來越嚴(yán)格。許多深加工玻璃生產(chǎn)線不得不在主線，深加工鋼化爐前，設(shè)計(jì)多條支線，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化。多條支線意味著更大的空間布局，特別是搬運(yùn)玻璃機(jī)器人加工段的橫向不能過寬，避免增加不必要的連接輥道、浪費(fèi)過多的場地面積。這就要求我們必須舍棄從前把玻璃架子一左一右放置在機(jī)器人兩側(cè)的布局結(jié)構(gòu)，盡可能的使每個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)單元占用最小的工作面積。因此設(shè)計(jì)一個(gè)能夠盡可能不影響生產(chǎn)效率、結(jié)構(gòu)合理、操作方便、安全可靠的玻璃放置轉(zhuǎn)臺(tái)，具有巨大的意義和廣闊的應(yīng)用空間。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

玻璃架轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械部分主要由轉(zhuǎn)臺(tái)基座、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、定位裝置、安全圍欄、驅(qū)動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)組成。圓形基座圓心上安裝旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸上方搭建方形旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中間由安全圍欄一分為二。驅(qū)動(dòng)裝置部分為鏈條驅(qū)動(dòng)，由鏈條引出值驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，即步進(jìn)電機(jī)鏈輪處。此電機(jī)為外置布局，可根據(jù)設(shè)計(jì)布局要求更改外置方向。而控制系統(tǒng)則由接近開關(guān)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過控制器控制?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

生產(chǎn)過程中，可將兩架玻璃分別放置在玻璃架轉(zhuǎn)臺(tái)前后兩個(gè)位置，由安全圍欄隔開。此時(shí)機(jī)器人抓取其中一架玻璃直至抓取完成，經(jīng)人工確認(rèn)另一架玻璃準(zhǔn)備好后，通過按鈕啟動(dòng)玻璃架轉(zhuǎn)臺(tái)，此時(shí)卡簧銷釘縮回，檢測到控制氣缸收回到位后，控制系統(tǒng)通過檢測裝置判定電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，隨后啟動(dòng)電機(jī)，玻璃架轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)檢測裝置檢測到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)了180°后，停止電機(jī)，通過氣缸彈出卡簧銷釘，固定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，檢測到銷釘深處到位后，控制系統(tǒng)發(fā)送命令，使機(jī)器人能夠快速再次進(jìn)入工作狀態(tài)。

2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)基座

轉(zhuǎn)臺(tái)基座主要用于固定轉(zhuǎn)臺(tái)位置、檢測裝置和限位裝置的安裝固定，見圖2。

由于此裝置荷載較重，配合機(jī)器人抓取玻璃精度要求高，需要保持在系統(tǒng)布局中的某一固定位置和固定角度，所以轉(zhuǎn)臺(tái)基座必須要采用一種可靠的固定方法。這里采用分別在四個(gè)九十度分割線上開孔，使用膨脹螺栓直接釘入地面的方式，形成了一個(gè)牢固的工作平臺(tái)，成為此裝置能穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

此外，轉(zhuǎn)臺(tái)基座還需要配合旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和控制系統(tǒng)完成旋轉(zhuǎn)定位。通過在一定位置安裝檢測裝置的固定支架，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)啟動(dòng)和停止控制；安裝旋轉(zhuǎn)位置限位塊、銷釘氣缸定位裝置，配合旋轉(zhuǎn)平臺(tái)避免旋轉(zhuǎn)平臺(tái)沖過合適位置、運(yùn)行過程中旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)溜滑造成機(jī)構(gòu)紊亂，造成危險(xiǎn)。

2.2 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸主要用于使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)以切換玻璃加工工位，結(jié)構(gòu)見圖3。

此裝置為整個(gè)機(jī)構(gòu)中，連接轉(zhuǎn)臺(tái)基座、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)裝置的核心部件，設(shè)計(jì)精巧，承重力強(qiáng)，對加工精度和加工原材料都有很高的要求。此裝置固定于基座上，承接上方的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，其本體形似鏈輪。在工作過程中，和驅(qū)動(dòng)裝置由鏈條鏈接，傳動(dòng)至旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。注意：由于此裝置是整個(gè)裝置核心連接零部件，所以要避免使用過程中出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、卡頓等現(xiàn)象的發(fā)生。要求加工精度高，材質(zhì)合適且有潤滑機(jī)構(gòu)。

2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)

轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)主要用于承載和定位玻璃架、配合轉(zhuǎn)臺(tái)基座完成定位和固定功能，見圖4。

此裝置承載玻璃架且需要頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)。配合控制系統(tǒng)，需要在合適的位置安裝檢測裝置支架、轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)擋塊和固定機(jī)構(gòu)。在工作過程中，通過平臺(tái)上的檢測支架確定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)是否到位，通過間隔安裝兩個(gè)定位輪，便于銷釘頂入固定旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。

另外，增加了橫檔和防護(hù)圍欄安裝機(jī)構(gòu)，避免了玻璃架子的位置偏差過大，且避免了架子相互干涉。一個(gè)平整度好，旋轉(zhuǎn)過程穩(wěn)定無晃動(dòng)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，會(huì)大大提高產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

初中數(shù)學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的重要學(xué)科。在這個(gè)過程中，我們不僅要傳授數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，同樣還需培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。因此教師需要在進(jìn)行數(shù)學(xué)知識(shí)教學(xué)的過程中，逐步培養(yǎng)學(xué)生的邏輯能力，推理能力，空間想象等能力，同時(shí)強(qiáng)化學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題的能力，綜合提升學(xué)生核心素養(yǎng)。而令學(xué)生具有利用數(shù)學(xué)知識(shí)解決問題的能力，首要之急便是將數(shù)學(xué)與實(shí)踐聯(lián)系起來。因此教師在教學(xué)過程中需要通過各種各樣的實(shí)踐活動(dòng)，令學(xué)生在實(shí)踐之中習(xí)得新知識(shí)，感受知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)之中，學(xué)生自己動(dòng)手進(jìn)行探索解決問題更可以提升其核心素養(yǎng)。

2.4 定位裝置

定位銷主要用于限制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)見圖5。

此機(jī)構(gòu)主要由定位銷、氣缸、定位輪輪和控制檢測裝置組成。其中氣缸配合銷釘、控制檢測裝置安裝固定于轉(zhuǎn)臺(tái)基座上，兩個(gè)定位輪分開固定于轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上。工作過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)需要旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣缸帶動(dòng)銷釘收回，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平面得以旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)到位停下時(shí)，氣缸伸出，使銷釘插入固定輪之間的縫隙，有效防止了機(jī)器人運(yùn)行過程中旋轉(zhuǎn)平臺(tái)滑移造成機(jī)器人相關(guān)設(shè)備損壞。

注意：在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)過程中，一定要在合適的位置安裝旋轉(zhuǎn)限位擋塊，避免轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)平面在電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)時(shí)，在慣性的作用下旋轉(zhuǎn)超出銷釘工作范圍，使得銷釘彈出失敗，甚至彈出位置偏差過大，造成系統(tǒng)錯(cuò)誤，對人員或機(jī)構(gòu)部件造成不必要的損傷。布局成熟的卡簧銷釘、限位擋塊配合控制系統(tǒng)，使工作過程更加流暢，有效避免了生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的各種風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)圍欄

圖1中轉(zhuǎn)臺(tái)圍欄為此機(jī)構(gòu)重要的安全防護(hù)裝置，能最大限度避免不必要的人身財(cái)產(chǎn)損失。

安全生產(chǎn)是企業(yè)管理的重點(diǎn)，是企業(yè)發(fā)展的根本保證，是一個(gè)日積月累、持續(xù)不斷的過程。而設(shè)備的防護(hù)裝置是企業(yè)安全生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。這就要求設(shè)備設(shè)計(jì)人員盡可能模擬現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境、人員操作習(xí)慣和生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各種狀況，周全地考慮到此設(shè)備存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，以避免安全事故發(fā)生。

此設(shè)備考慮到機(jī)器人抓取過程中，可能會(huì)出現(xiàn)的其中一架玻璃架子傾倒導(dǎo)致另一架玻璃掉落風(fēng)險(xiǎn)，采用了在兩架玻璃中間加裝安全圍欄的方法，杜絕了此風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。另外，由于操作工人可能需要到等待旋轉(zhuǎn)的玻璃架子周圍走動(dòng)，設(shè)計(jì)加寬了圍欄避免工作過程中的玻璃架子上玻璃破損掉落、玻璃飛濺造成安全事故。

2.6 轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置

轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置由一個(gè)變頻器驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成。此裝置采用外置設(shè)計(jì)。其底座連接固定于主體基座上，以保證傳動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)過大的誤差；其上安裝電機(jī)和齒輪輪盤，作為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)件，配合轉(zhuǎn)臺(tái)主體部件旋轉(zhuǎn)軸上的輪盤，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)功能；外裝罩殼和護(hù)板，避免人員經(jīng)過時(shí)發(fā)生意外。此驅(qū)動(dòng)裝置可根據(jù)產(chǎn)線設(shè)備布局靈活改變方向，能較大限度的利用廠房空間，并對電氣布線和后期維護(hù)提供便利。

2.7 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)

轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和命令輸出的核心。一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)可靠的控制系統(tǒng)會(huì)使系統(tǒng)各個(gè)部件完美的相互配合，快速高效的完成生產(chǎn)作業(yè)。狀態(tài)控制系統(tǒng)大體分為軟件和硬件兩部分。

1)軟件部分分為信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)輸出三部分：(1)信號(hào)采集： 首先，該裝置應(yīng)用獨(dú)立性接近傳感器(接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)接近開關(guān)，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測體接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸、無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和行程。)，配合安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)合適位置的感應(yīng)板，在感應(yīng)板接近感應(yīng)開關(guān)時(shí)觸發(fā)，輸入到控制系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)；其次，應(yīng)用磁性開關(guān)，又稱磁控管，是一種通過磁場信號(hào)來控制的線路開關(guān)器件，兩個(gè)分別獨(dú)立安裝在氣缸伸出和收回的合適位置，作為銷釘氣缸伸出/收回的一種有效可靠的檢測裝置。(2)信號(hào)處理： 采用德國西門子可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC)作為信號(hào)處理中樞。通過編寫控制程序?qū)Σ杉男盘?hào)分析處理，判斷機(jī)構(gòu)當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)工藝邏輯要求對系統(tǒng)各電氣元器件做出動(dòng)作指示。(3)信號(hào)輸出： 信號(hào)輸出由PLC輸出至控制繼電器，由控制繼電器控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)硬件做出相應(yīng)動(dòng)作。

2)硬件部分分為氣缸電磁閥、變頻器、控制按鈕、指示燈和人機(jī)界面五部分：(1)電磁閥：作為驅(qū)動(dòng)銷釘氣缸的元器件使用，由控制系統(tǒng)輸出命令彈出/收回銷釘。(2)變頻器：作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力元件，由控制系統(tǒng)輸出命令、柜內(nèi)供電，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)。

3)控制按鈕、指示燈和人機(jī)界面： 主要用于人工給定工作狀態(tài)、單獨(dú)控制各個(gè)部件等功能。工作過程中：首先，通過控制按鈕設(shè)定轉(zhuǎn)臺(tái)兩個(gè)工位準(zhǔn)備好。準(zhǔn)備好后按下按鈕，激活轉(zhuǎn)臺(tái)工位，待正在運(yùn)行的工位上工件抓取結(jié)束，通過指示燈提醒工作人員確認(rèn)可以旋轉(zhuǎn)后，在人機(jī)界面上發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令。

此時(shí)，控制器收集轉(zhuǎn)臺(tái)本體上安裝的接近傳感器、磁性開關(guān)信號(hào)和與機(jī)器人的交互信號(hào)，確認(rèn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)當(dāng)前位置正常、銷釘狀態(tài)正常，且機(jī)器人處于原點(diǎn)位置。

然后，控制器輸出信號(hào)使銷釘電磁閥切換狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)氣缸伸縮桿上的銷釘收回。當(dāng)氣缸上面的磁性開關(guān)檢測到氣缸伸縮桿收回到位后，立即命令變頻器工作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)按照指定的方向正(反)轉(zhuǎn)。

緊接著，當(dāng)跟隨旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)的檢測板行進(jìn)到接近傳感器檢測面，控制器接收到傳感器信號(hào)后，立馬停止變頻器工作。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)隨慣性平穩(wěn)停止的同時(shí)，再次切換電磁閥工作狀態(tài)，使銷釘頂進(jìn)定位輪之間，再次形成整體穩(wěn)固狀態(tài)。

最后，檢測各部件工作狀態(tài)正常，輸出準(zhǔn)備完成信號(hào)至控制器，等待機(jī)器人啟動(dòng)開始工作。至此完成該機(jī)構(gòu)整個(gè)工作周期。

3 結(jié) 論

受世界能源緊缺和環(huán)境污染雙重壓力的影響，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)越來越受到重視。快速、高效的生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品，盡可能節(jié)約成本、節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)效益最大化，是行業(yè)中每家供應(yīng)商都需要著重考慮的事情。此設(shè)備以實(shí)現(xiàn)本世紀(jì)中葉碳達(dá)峰、2060年碳中和的宏偉目標(biāo)為指引，能有效避免隨設(shè)備升級(jí)產(chǎn)能加速使得的整條產(chǎn)線過于龐大，造成資源過度浪費(fèi)問題。