某微型軸類零件的自動(dòng)化測量與碼料設(shè)備設(shè)計(jì)

（江蘇職業(yè)信息技術(shù)學(xué)院，無錫 214000）

0 引言

面對新趨勢，為了提高產(chǎn)線自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率，某公司提出了散落微型軸類零件自動(dòng)測量與碼料需求。微型軸類零件自動(dòng)測量與碼料系統(tǒng)包括尺寸測量、分選碼料。之前該公司的微型軸類零件的測量與分選都靠人工手動(dòng)完成。人工完成直徑跟高度的測量，其實(shí)現(xiàn)效率低，也容易引起操作錯(cuò)誤，而且測量一顆產(chǎn)品要很長時(shí)間，一旦操作不正確，會(huì)導(dǎo)致不良品沒有檢測出來流入下道工序，造成成品不良；測量完成后根據(jù)測量結(jié)果對零件進(jìn)行歸類，放入不同料盤，一般料盤數(shù)量在兩個(gè)以上，很容易出錯(cuò)。可以看到這種手工測量及碼料方式不適合現(xiàn)代微型軸類零件的批量生產(chǎn)。因此，迫切需要一個(gè)高生產(chǎn)效率、高精度、價(jià)格低廉的測量解決方案。基于這種應(yīng)用需求，我們設(shè)計(jì)了自動(dòng)化的測量與碼料機(jī)。此微型軸類零件成品外觀如圖1所示。

圖1 成品零件外觀

1 總體設(shè)計(jì)

針對人工測量過程中的不足，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，采用高精密的位移傳感器檢測微型零件加工過程中出現(xiàn)的偏差，直線驅(qū)動(dòng)的碼料系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)碼料。提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，很大程度節(jié)省了生產(chǎn)成本。自動(dòng)碼料裝置是由皮帶輸送系統(tǒng)、搬運(yùn)緩沖系統(tǒng)、轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、碼料系統(tǒng)五部分構(gòu)成。該自動(dòng)碼料裝置作為高度自動(dòng)化的智能裝備，在產(chǎn)品檢測以及穩(wěn)定性上保證可靠，整機(jī)三維實(shí)體建模如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 皮帶輸送系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)及工作原理

用于微型軸類零件輸送的零件自動(dòng)輸送線，其中主要包括去鐵屑蛇形軌道、零件導(dǎo)向槽和方向校正裝置，蛇形軌道與零件導(dǎo)向槽安裝在皮帶線上，如圖3所示，機(jī)床上零件加工完成后，沿著下料零件入料口掉入皮帶輸送系統(tǒng)，零件在皮帶上沿著蛇形軌道槽前行，移動(dòng)過程中，零件上的鐵屑和雜質(zhì)不會(huì)沿著蛇形槽移動(dòng)，在碰到鐵屑擋板后沿著擋板掉落到皮帶線下方的接油盤中。鐵屑去除后的零件通過輸送帶輸送至方向校正系統(tǒng)，如圖4所示，校正檢測位移傳感器檢測零件方向，通過校正旋轉(zhuǎn)夾緊氣缸動(dòng)作來保證零件同一方向輸送至搬運(yùn)緩沖系統(tǒng)。

圖3 去鐵屑蛇形軌道示意

圖4 方向校正裝置示意圖

1.2 搬運(yùn)緩沖系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)及工作原理

搬運(yùn)緩沖系統(tǒng)傳動(dòng)方式采用臺(tái)達(dá)ASDA-A2伺服驅(qū)動(dòng)[1]實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤高速、精確旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)方式采用齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)與負(fù)載匹配[2,3]，減速比1:5。如圖5所示，其中轉(zhuǎn)盤材質(zhì)采用透明亞克力，方便調(diào)試過程中確認(rèn)零件位置，另外加工過程中需要保證轉(zhuǎn)盤分度精度，這樣每轉(zhuǎn)一格（45°），零件都可以準(zhǔn)確丟入轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖6所示。

微型軸類零件經(jīng)過去鐵屑以及方向校正后，依次進(jìn)入搬運(yùn)緩沖系統(tǒng)。零件靠自重掉入緩沖系統(tǒng)轉(zhuǎn)盤，上料到位傳感器檢測有料后，伺服電機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一格（45°），待轉(zhuǎn)動(dòng)180°后零件從下料口掉入轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，下料到位傳感器檢測零件是否落到位，檢測落到位后才能執(zhí)行下一個(gè)指令。

圖5 搬運(yùn)緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)圖

1.3 轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)及工作原理

圖7 轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)傳動(dòng)方式采用威駟TC120G-8-A分割器傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)盤高速、精確旋轉(zhuǎn)[4]；如圖7所示，零件落到位后，凸輪分割器拖動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)一格（45°），動(dòng)作完成后分割器到位傳感器檢測有無信號(hào)，檢測有信號(hào)后，直徑檢測位移傳感器動(dòng)作夾持零件判斷零件直徑是否在設(shè)定范圍，高度檢測滑臺(tái)氣缸下壓，讀取高度檢測位移傳感器判斷零件高度是否在設(shè)定范圍，碼料零件到位傳感器檢測是否有料，吹氣裝置電磁閥動(dòng)作吹氣，清除工裝上殘留鐵屑以及其他雜質(zhì)。傳感器數(shù)據(jù)讀取完成后高度檢測滑臺(tái)氣缸上抬，直徑檢測位移傳感器復(fù)位，碼料零件到位傳感器檢測有料碼料系統(tǒng)啟動(dòng)動(dòng)作。

1.4 測量系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)及工作原理

直徑測量系統(tǒng)采用邁信諾DK812SBLR5位移傳感器、MG10-P1控制器與MG20-GK計(jì)數(shù)模塊來完成直徑測量[5]。如圖8所示，其中MG20-DK完成數(shù)據(jù)采集，MG10-P1控制器與西門子CP340[6,7]通訊模塊完成數(shù)據(jù)交換。動(dòng)作過程如下：直徑檢測位移傳感器動(dòng)作完成后，通過比較兩個(gè)傳感器位移值與設(shè)定值進(jìn)行比較，在公差范圍內(nèi)即為良品，不在范圍內(nèi)即為不良品。

高度測量系統(tǒng)采用邁信諾DK812SBR5位移傳感器、MG10-P1控制器與MG20-GK計(jì)數(shù)模塊來完成高度測量。如圖9所示，動(dòng)作過程如下：滑臺(tái)氣缸向下動(dòng)作，下壓頭與零件上表面接觸，當(dāng)彈簧彈力大于位移傳感器彈簧彈力時(shí)，高度檢測位移傳感器與工裝接觸產(chǎn)生位移，比較該位移量與標(biāo)定尺寸進(jìn)行比較，在公差范圍內(nèi)即為良品，不在范圍內(nèi)即為不良品。

圖8 直徑測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 高度測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 碼料系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)及工作原理

碼料系統(tǒng)采用科瑞力摩F01-37SX1600-F系列直線電機(jī)[8]與C1100-PN控制器來完成碼料動(dòng)作。控制器與西門子S7-300[9,10]通過PROFINET總線完成通訊[11]。如圖10所示。動(dòng)作流程如下：在碼料零件到位傳感器檢測有料時(shí)碼料系統(tǒng)Z軸伺服直線電機(jī)向下動(dòng)作，動(dòng)作到位后夾爪氣缸夾持零件，夾持到位后Z軸伺服直線電機(jī)向上動(dòng)作，動(dòng)作到位后X軸伺服直線電機(jī)動(dòng)作將零件放入指定的托盤或料槽中。

圖10 碼料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)束語

本裝置是一套原理簡單、操作方便的自動(dòng)測量與碼料系統(tǒng)，包含了PLC、傳感器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、總線控制等技術(shù)的綜合應(yīng)用，涉及范圍比較廣泛。在機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣硬件設(shè)計(jì)以及裝配完成后，調(diào)試過程要不斷觀察系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況，將其記錄下來，然后配合軟件程序反復(fù)調(diào)試系統(tǒng)，在滿足速度節(jié)拍要求下，降低宕機(jī)機(jī)率，直至系統(tǒng)運(yùn)行良好。該項(xiàng)目的成功研制可以降低工廠工人勞動(dòng)強(qiáng)度與風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省人力成本；對有自動(dòng)下料需求的中小型機(jī)械加工廠我們可以提供綜合解決方案，幫助客戶以機(jī)器代替人工，提高效率，提高品質(zhì)。

[1]中達(dá)電通股份有限公司.[EB/OL].http://www.deltagreentech.com.cn/productlv4-374-164.html.

[2]肖瀟.伺服電機(jī)的選型原則與計(jì)算[J].機(jī)床與液壓,2014,42(22):44-46,49.

[3]李軍.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)慣量的分析與計(jì)算[J].裝備制造技術(shù),2014,(2):151-152,157.

[4]衛(wèi)進(jìn).凸輪分割式旋轉(zhuǎn)踩曲機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的研究與仿真[J].食品與機(jī)械,2015,31(3):78-81.

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[5]上海邁信諾自動(dòng)化技術(shù)有限公司.[EB/OL].http://www.magnescale.cn/threestyle/magnescale/firstcatalog/2610458/1.html.

[6]關(guān)賢武.基于PLC串口通訊的多數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[J].四川水力發(fā)電,2013,32(2):58-60,176.

[7]李其中.S7-300 PLC串行通訊及應(yīng)用[J].機(jī)械與電子,2009,(7):55-58.

[8]科瑞集團(tuán)控股有限公司.[EB/OL].http://www.linmot.cn/chanpinzhongxin/guanshizhixiandianji.

[9]西門子股份有限公司.SIEMENS STEP7 V13編程手冊[Z].2011.

[10]S7-300/400PLC技術(shù)與應(yīng)用,電子工業(yè)出版社,2015,01:344-353.

[11]孫蓉.PROFINET控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(4):103-107.