傳統(tǒng)機械結構與自動化技術的結合應用研究

徐海威

（福建星云電子股份有限公司，福建 福州 350015）

循環(huán)式定位機構沒有常規(guī)移載機構的回程時間，具有效率高的優(yōu)點，在自動化集成應用中屬于一種較常用的結構，一般采用分割器、伺服旋轉平臺、環(huán)形滑軌等結構實現(xiàn)，由于鏈傳動的自身特性，常使用于低速、重載、工作環(huán)境惡劣的場合，有定位精度需求的場合較少采用鏈結構的方式實現(xiàn)，但是，旋轉類循環(huán)定位機構在某些場合并不適用，且環(huán)形滑軌相對成本較高占用的空間也較大，在結構緊湊的場合也不適用，因此，設計并驗證了一套采用對射傳感器對隨鏈工裝進行自定位方式的多位鏈傳動機構，不加裝外部二次定位機構、定位精度：單工位±0.12mm,多工位±0.21mm，基本可滿足多工位一般精度定位場合的使用要求，且具有結構緊湊、成本低的優(yōu)勢。

1 結構簡介

如圖1，該鏈式定位機構共由進/出料工位、掃碼工位、預留工位、工作位一、工作位二，共六個工位組成，要求定位精度＜±0.25mm，工位移動時間＜1.5s,采用隨鏈的定位機構對電木治具進行定位，通過治具與外部輸送線形成循環(huán)，一個工作循環(huán)＜3S，理論產(chǎn)能＞1200Pcs/h。

圖1

定位原理及相關參數(shù)計算具體如下。

隨鏈定位機構與鏈條固定，隨鏈條循環(huán)運動。左側定位條采用金屬材質，右側浮動定位機構采用非金屬材質且高度低于左側的固定定位機構。定位接近傳感器采用金屬檢測型接近傳感器，由于治具、右側浮動定位機構均為非金屬材質，可保證在定位過程中檢測到的必定是定位條。當定位接近傳感器檢測到金屬定位條時，定位對射傳感器的位置設定于兩個電木具之間，因浮動定位機構的高度低于定位條，當鏈條繼續(xù)移動時，定位對射傳感器必然是被定位條遮擋，此模式下可有效保證定位精度。根據(jù)驗證，采用越低的速度遮擋對射傳感器并停止鏈輪可以獲得越高的精度，在該應用中，一個隨鏈定位機構的跨距為203mm,如全程采用低速定位則無法達到工位移動時間＜1.5s的需求，因此，定位邏輯采用先高速運行，當定位接近傳感器檢測到定位條時，切換至低速，以低速運動對射傳感進行遮擋并停止，以獲取較少的運行時間和較高的定位精度（見圖3）。此處需保證低速段必須以勻速運動遮擋對射定位傳感器，如在高速的減速階段遮擋對射定位傳感器，會導致定位停止的位置不確定，影響定位精度（見圖4）。為避免以上情況，可通過加速度公式進行計算，公式如下：

圖3

圖4

S：當定位條被接近傳感器感應時定位條與定位對射傳感器的位置（圖3、圖4）=25～37mm。

如前述，為避免出現(xiàn)圖四的情況，需保證高速時的減速階段移動的距離＜S（25～37mm）,取最小值25mm并預留安全距離5mm,即只要保證高速運行時減速階段運行的距離S加＜20mm，則必定不會出現(xiàn)圖四的定位不良現(xiàn)象。

則V勻=20mm/t加×2，由于加/減速時間設定過?。礃O短的時間內(nèi)要從零速度增加至最高速）會產(chǎn)生較大振動，一般取0.1～0.3s,由于此處有工位移動時間＜1.5s的需求，且設備采用鋼結構框架具有較大的穩(wěn)定性，因此，采用0.1s的加速時間，代入

后可得到V勻= 20mm/0.1s×2=400mm/s。

勻速階段移動的距離S勻=S總-S加-S定

S總：定位機構的跨距=203mm

S加：加速階段移動的距離=V勻×t加/2=20mm

S定：當定位條被接近傳感器感應時，定位機構還需要移動的距離≈48～60mm。

此處S定取最小值，以假定勻速時運行最長的移動距離則S勻=S總-S加-S定=203-20-48=135mm，可計算勻速階段移動的時間=135/400=0.3375s≈0.34s，所以一個高速運行階段從加速-勻速-減速移動的時間總和：T高=0.1+0.34+0.1=0.54s。

低速階段移動的距離S低=S定-S減

S減：當定位條被接近傳感器感應時，高速運行將進行減速，此過程移動的距離=V勻×t減/2=20mm，則S低=S定-S減=（48～60)-20=40mm

此處S定取最大值，以假定低速時運行最長的移動距離。

根據(jù)需求工位移動時間＜1.5s，T低=1.5-T高=1.5-0.54=0.96s

則V勻低=S低/t勻=S低/(T低-t減)=40/(0.96-0.1)≈46.5mm/s，因此電氣編程控制時，設定加/減速時間為0.1s,高速速度400mm/s,低速速度50mm/s，既可滿足工位移動時間＜1.5s，又實現(xiàn)了低速的定位以保證精度。

2 機構安全防護及機構復位邏輯

機構在緊急停止、人工操作等各種可能導致機構初始位置不正確的情況，如機構在啟動后不能回到正確工作位置，會導致治具或產(chǎn)品卷入料輪機構下方造成產(chǎn)品損壞或者機構損壞，因此，制定一套復位邏輯，以保證機構不論處于任何位置下，均可回到正確的工作位。

如圖2，機構頭尾均設有機械限位，可保證在調(diào)試等人為移動鏈條時，治具無法掉入鏈輪下方。同時，頭尾各設定兩套安全傳感器作為軟限位、軟極限限位，軟極限限位用于防止軟限位失效。一般情況下，軟極限限位不會觸發(fā)，當軟極限限位被觸發(fā)時（非人工干預的情況），就需要確認軟限位傳感是否失效。

圖2

機構復位邏輯流程，如圖5所示。

圖5

2.1 低速反轉

判斷條件一：反轉安全極限判斷。

（1）反轉極限被觸發(fā)，報警。如在復位前沒有人工對機構位置進行改變，需確認反轉限位的傳感器是否失效。

（2）反轉極限被觸發(fā)，報警。如在復位前有人工對機構位置進行改變，人工將機構位置移動至正確位置。

判斷條件二：反轉限位判斷。

（3）反轉限位被觸發(fā)，執(zhí)行低速正轉動作。反轉限位由接近型傳感器+對射型傳感器組合而成，接近傳感器的位置用于檢測隨鏈定位機構的定位條，對射傳感器用于檢測電木治具，接近傳感器的位置設定可保證當定位條被檢測時，機構所處的位置，必然可以執(zhí)行正轉定位工作。對射傳感器檢測電木治具可作為防止治具掉入機構下方的第一層安全防護。

（4）反轉限位未被觸發(fā)且機構移動2個工作位，報警需確認反轉限位的傳感器是否失效。此故障與判定條件一中a項目相同，是為了避免反轉限位的傳感器失效且所有工位都沒有治具的情況下，觸發(fā)不了反轉極限，機構將進入反轉死循環(huán)。

2.2 低速正轉

判斷條件一：正轉安全極限判斷（判定條件同反轉安全極限判斷）。

判斷條件二：正轉限位判斷。

（1）正轉限位被觸發(fā)，報警:正轉限位由接近型傳感器+對射型傳感器組合而成，檢測原理同反轉限位，如圖1、圖6，鏈輪上方共用8個工位，其中工作位6個（進料工位、掃碼工位、緩沖工位、工作位一、工作位二、出料位），緩沖位二個（機構頭尾各一個），復位時機構反轉，當滿足正轉條件時，此處工位上必然無電木治具，因此不可能出現(xiàn)定位條和電木治具同時檢測到的情況，除非有人為因素改變了機構上的治具數(shù)量或者位置，如觸發(fā)該判定則需要人工進行確認，并排除錯誤位置的治具。

（2）正轉限位未被觸發(fā)，繼續(xù)執(zhí)行低速正轉動作

判斷條件三：定位接近點判定。

（3）定位接近未被觸發(fā)，繼續(xù)執(zhí)行正轉。

（4）定接近觸發(fā)，繼續(xù)執(zhí)行正轉，尋找定位點判斷條件四：定位接近點判定。

（5）定位點未被觸發(fā)，繼續(xù)執(zhí)行正轉（在此過程中同步進行一、二、三的判定條件）。

（6）定位點被觸發(fā)，執(zhí)行正轉定位。

（7）執(zhí)行正轉定位邏輯，移動指定距離并停止。

（8）復位流程結束。

以上過程中，所有判定條件均是同步實時執(zhí)行，當任一條件滿足，即執(zhí)行相應動作。如上，編制一套完整的復位流程，并在正確的位置設定傳感器，可保證機構在正常工作狀態(tài)下的任何異常停止，人工調(diào)試狀態(tài)下的任何異常干預均可恢復至正常位置或提示性報警，有效保證機構運行和產(chǎn)品安全（人員安全由外部防護框架及門禁等相關安全措施組成，不在此處贅述）。

3 現(xiàn)場調(diào)試及精度校驗

（1）單工位精度校驗。采用一個百分表放置于外部的移載機構上，外部移載機構可沿定位條方向移動，依照二章節(jié)的定位原理對鏈輪機構進行定位，每定位一次對定位條進行一次檢測并記錄百分表數(shù)據(jù)，現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)3000次，按讀取的最大值和最小值，作為定位誤差，實際檢測結果定位精度＜±0.12mm。

（2）多工位等分調(diào)整。先使用游標卡尺按圖紙理論尺寸測量并調(diào)整兩個相鄰工位的定位條間距，測量最后一個位置的間距，并按理論尺寸與最后一個位置的間距差值除以工位數(shù)量，得出每個工位需要修正的距離。接著采用兩個百分表放置于外部的移載機構上，同時，對兩個相鄰工位的定位條進行檢測，根據(jù)修正距離，依次調(diào)整每個相鄰的定位條的相對間距，調(diào)整至最后一個工位時，確認最后一個工位與的相對間距，再按以上流程進行二次調(diào)整，調(diào)整后誤差＜±0.025mm。

（3）多工位精度校驗。按單工位精度校驗方式，同時采用兩個百分表對相鄰工位的定位條進行檢測，現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)3000次，按兩個百分表讀取的最大值和最小值，作為定位誤差，實際檢測結果定位精度＜±0.21mm，滿足＜±0.25mmd的定位精度需求。

4 結語

實踐是檢驗理論的最好依據(jù)，該機構運行參數(shù)設備在現(xiàn)場實際運行多年，均未出現(xiàn)定位失敗及精度不足問題，實際產(chǎn)能1210～1250pcs/h，完全滿足設計開發(fā)需求。由于工況屬于輕載中速，除底板鏈條托襯(POM材質)有輕微磨損，未見其他機械問題，工作穩(wěn)定可靠。因此，在不適合使用環(huán)形滑軌、分割器，且精度要求不高、結構要求緊湊的場合還是很具有優(yōu)勢。