線圈自動下料機機械機構設計

楊文杰

（廣東省高級技工學校，廣東 惠州516100）

1 項目分析

需要解決的關鍵問題：（1）產品的分析，了解產品的品質要求、生產工藝、各方面尺寸以及來料情況。（2）解決機械結構的設計問題，要求設備結構簡單、經濟實用、效率高。（3）設備可行性、效率、成本等方面的評估。（4）傳感器的類型選擇。（5）氣動控制元件的選擇。

氣動控制的特點：（1）結構裝置簡單、輕便，易于安裝和維護，且可靠性高、使用壽命長。（2）氣動系統易于實現快速動作，輸出力和運動速度的調節都很方便，且成本低，同時在過載時能自動保護。（3）壓縮空氣的工作氣壓一般在0.4～0.8MPa，故輸出力和力矩不太大，傳動效率低，且氣缸的動作速度易隨負載的變化而變化。

2 線圈自動下料裝料要求

產品來料情況以及裝料要求：客戶產品來料設備來料方式為通過機械手一次夾取4個產品。客戶產品原來的設備下料方式是通過夾取4個產品至輸送帶中送出，人工再把產品裝載到料盤中，現在客戶要求設計一臺設備連接原來的設備實現自動下料至料盤中。圖1為已有設備來料時的擺放，圖2為裝在料盤中的擺放。

圖1 已有設備來料時的擺放（俯視圖）

圖2 裝在料盤中的擺放（俯視圖）

設備設計要求：（1）實現已有設備之間的連接以及下料、裝料的全自動化。（2）產品在裝料過程中不得有任何損傷。（3）空料盤與滿料盤可實現儲料。

工作步驟設計方案：已有設備夾取產品出料至新設備—撥料機構撥動產品翻轉90°—裝載線圈的運送機構移至推料機構中—推料機構推線圈至下料機構的料盤中—下料機構自動送空料盤和滿料盤。

3 連接線圈出料及運送機構的設計

3.1 連接線圈出料部分設計

已有設備夾取4個線圈出料后，4個線圈分別以一定的間距隔開擺放（間距已經由已有設備定下），設計連接結構時需根據產品之間的距離以及產品的各方面尺寸來決定該機構的尺寸。由于產品來料時與裝在料盤中的擺放方式不一致，要實現產品最終在料盤中的擺放方式，需設計一個撥動產品翻轉90°的動作機構。此機構是以一個氣缸（品牌：SMC）帶動撥叉安裝板實現左右移動，撥叉把上面的線圈向右撥動使線圈掉進槽中，實現線圈翻轉90°的擺放方式。

3.2 線圈到位檢測裝置設計

反射光纖感應器的安裝位置分別對準線圈掉落槽中的位置，當撥料機構把4個線圈撥至槽中，反射光纖發射一束光，前面的光束遇到線圈后反射回來，即可檢測線圈是否掉落槽中。

當4個線圈都檢測到位后，機構則執行下一個動作，若某個光纖沒有檢測到產品，則反饋到系統中，使設備處于不動作、報警狀態，并發出報警聲音通知人來解決對應的問題。

3.3 線圈運送部分設計

當4個線圈都檢測到位后，則需設計一個機構使線圈移動到一個位置以達到下一個機構動作的要求，那么就需要一個行程較長而且運動平穩的氣缸使線圈移到下一個機構的位置。因為移動行程比較長，因此要考慮氣缸的安裝氣管及感應器的走線方便，可安裝一個坦克鏈使電線及氣管隨線圈載體部分移動而移動，還有美化機構的作用。

此機構還有一個上下推動氣缸，作用是使落在槽中的線圈左右兩邊的安裝塊沉下去，以使線圈處于平滑的軌道中，實現下一機構的動作。

4 推料機構的設計

4.1 推料機構的動力選擇

由于產品在推料過程中要求平穩、不能在推的過程中抖動且精度要求高，所以選用伺服電機作為動力源。考慮機構的成本以及行程的長短，選擇伺服電機搭配同步輪、同步帶及高精度的線性滑軌作為運動的執行機構。

4.2 推料機構氣缸的選擇

根據上一機構的設計，推料機構需要使用一個雙導桿氣缸帶動推料塊上下動作，使推料塊推料至料盤后返回時不會有干涉到其他機構的動作。在考慮機構的成本以及動作的平穩性后選擇了雙導桿氣缸。因為在推的過程中產品要求平穩性較高且不能對產品有損傷，因此需在推料軸上安裝彈簧以發揮一定緩沖作用，使推料塊不至因過于剛性而對產品造成刮傷。

4.3 推料機構整體設計布局

由于采用了伺服電機作為整個執行機構的動力源，所以要在機構中加入回原點及限位的感應開關，每次開機后都要執行回零動作，使機構回到初始位置。本機構使用2個歐姆龍感應器。

5 裝料機構的設計

5.1 裝料機構的動力選擇

因為料盤每次裝滿一排線圈后移至下一排對定位精度要求很高，而且料盤需實現多位置精準定位，所以采用伺服電機作為動力源。

5.2 裝料機構執行機構的選擇

采用伺服電機提供動力，配備高精度的滾珠絲杠，通過在電機和絲桿上安裝同步輪，中間使用同步帶連接，使絲桿所走的距離與電機驅動的距離一致。

5.3 裝料機構整體設計布局

由于采用了伺服電機作為整個執行機構的動力源，所以要在機構中加入回原點及限位的感應開關，每次開機后都要執行回零動作，使機構回到初始位置。本機構使用2個歐姆龍感應器。

6 空料盤及滿料盤上下料機構的設計

6.1 料盤裝放機構設計

根據客戶的需求，空料盤和滿料盤可以儲存一定數量的線圈，以方便操作人員使用設備和有更多時間準備、整理其他事情。所以該機構設計時使用了2對雙導桿氣缸分別對空料盤及滿料盤進行儲料，并且使用2對對射感應器對料盤的多少進行檢測，空料盤少于一定數量和滿料盤多于一定數量時設備發出報警聲，通知操作人員對料盤進行處理。

6.2 料盤自動上下料機構設計

分析空料盤自動下來和裝滿線圈的料盤一個個往上堆放的過程可知，該動作是需要走2段距離才能實現的。因為現在市場上很少有氣缸可以實現多段行程，且即使有價格也很高，所以考慮成本，使用2個氣缸組合在一起的方案實現自動上下料，即在料盤裝放機構的基礎上增加一個由2個氣缸組合而成的上下料機構。

（1）空料盤自動上料動作。2段行程中氣缸的作用是使頂料盤推桿上升，頂起料盤底部使其離開兩邊的氣缸，兩邊托著料盤的氣缸退回，短行程氣缸動作，使推桿下降一個料盤的距離，那么上方所有料盤下降一個料盤的距離后，兩邊氣缸再推出托著的第二個料盤，長行程氣缸托著最下面的料盤，隨著氣缸下降運動將料盤放落至線圈裝料機構的托盤之中，實現自動送空料盤動作。（2）滿料盤自動堆料動作。原理與空料盤上料一致，只是氣缸動作的先后順序不同。（3）空料盤及滿料盤上下料機構。此機構由2部分組成，上方為料盤的裝放部分，下方為實現料盤自動上下料的氣缸組合機構，2部分安裝在設備的大板上。

7 各機構的組合方案

各機構根據設計的各方面尺寸以及對應的氣缸行程要求合理安裝在設備的大板上，要求各機構安裝后的位置（圖3）及其動作過程不干涉其他機構動作。設備的完整外觀如圖4所示。

圖3 各機構安裝位置

圖4 設備的完整外觀

8 結語

氣動系統是強非線性系統，非線性的根本原因是空氣具有可壓縮性，使得系統中存在流量飽和效應、非線性摩擦力等因素，所以實現氣缸的精準定位非常困難。因此在其應用中，要對各參數進行調定，使設備達到比較理想的狀態。各部分機構的控制系統采用了技術性強、可靠性高的PLC進行控制，這使得機械設備更加靈活，動作準確，易于維護，勞動生產率大大得到提高。各種操作方式自由切換，滿足了生產要求。