自動化生產線上下料裝置的設計開發

摘要：自動化生產線是根據工藝順序實施的一套自動化設備，它是能自動完成全部或部分制造過程的生產系統。制造自動化包括機械加工自動化、裝配自動化、包裝自動化等各個門類，其中裝配自動化是整個非標制造自動化的核心，是其他制造自動化的基礎，其傳動系統一般都包括上下料裝置、輸送系統和存儲裝置等。本研究來源于生產實際，根據空調外機裝配輸送線的實際要求進行自動上下料裝置的開發設計。

關鍵詞：自動化生產線；上下料裝置；氣動系統；電氣系統

引言：據統計，目前機電產品的裝配工作量占總產品制造工作量的20%～70%，裝配成本約占其總成本的1／3--1／2。隨著我國制造自動化水平的迅猛發展，以機器代替人力，以保證裝配精度的一致性、提高裝配的自動化刻不容緩。對此，文章針對自動化生產線上下料裝置的設計開發提出了幾點建議，希望能夠給相關人士提供重要的參考價值。

1.自動上下料裝置開發設計步驟

第一，按照基本要求進行自動上下料裝置的總體方案設計，運用ＵＧ／等軟件進行系統的外觀初步設計和干涉檢查。第二，自動機械節拍的分析與設計。第三，結構設計（包括裝配圖、零件圖設計）。第四，氣動、電氣系統設計。第五，完善設計的料單BOM、三維圖紙、二維圖紙，提出全部外購件、通用標準件、加工件清單。第六，現場裝配調試。第七，編寫設備的技術手冊、使用說明書。

2.總體方案設計

本裝置的作用是在裝配時搬運和傳送空調外機的工裝板，使其能夠按照規定的節拍進行全自動上下、前后移動，裝配空調外機的工裝板的尺寸為1200×1000×50（mm），如圖１所示，重量為30kg，工裝板最高行程高度為1000mm。本設計針對使用企業的工廠專業化和規模化生產要求，按照空調外機裝配輸送線的實際要求，參考相似產品進行設計，其結構模型如圖1所示。

圖1.自動上下料裝置結構模型：

3.自動機械節拍的分析與設計

根據生產實際需要，要求整個自動上下料裝置按照規定的節拍運行，總節拍在40s以內。自動機械具體運行流程如下：①抓取機構初始化，到達原點位置；②抓取機構下降到指定位置（4s）后用吸盤吸取工裝板（1.5s）；③抓取機構上升到指定位置（6s）；④抓取機構前后移動到指定位置（5s）；⑤抓取機構下降到指定位置（6s）；⑥抓取機構釋放吸盤（1.5s），將工裝板放到輸送線上；⑦抓取機構上升到指定位置（6s）；⑧抓取機構歸位到原位（5s），重復上述工序。

所以理論節拍時間為：TC＝4＋1.5＋6＋5＋6＋1.5＋6＋5＝35S。又由于實際操控中電氣、氣動信號有所滯后，故需將理論節拍時間乘以系數1.1，則實際節拍時間為：Td＝TC×1.1＝38.3ｓ＜40ｓ。所以節拍時間符合設計要求。進行完節拍分析與設計后，進行結構設計，包括裝配圖、零件圖設計，對其按照實際使用要求進行設計，本論文重點考慮氣動、電氣系統設計。

4.氣動系統設計

氣動系統實際工作中可按以下步驟進行：氣動回路設計、氣缸的選型與安裝結構設計、電磁換向閥的選型、磁感應開關的選型、真空吸盤選型、控制元件和輔助元件的選型等。氣動回路主要用于上下升降機構和前后運動機構，如圖2所示。

圖2.氣動回路：

氣缸選型的一般步驟為：選擇系列、確定缸徑和行程、選定安裝方法、選定安裝附件等。

4.1升降機構

由于工裝板的升降運動是豎直方向固定距離的上下運動，因此氣缸常用的兩個品牌為FESTO、SMC，設計要求氣缸需具有足夠的承載能力和結構剛性，考慮擺放空間，所以可采用無桿氣缸。無桿氣缸分為磁偶式與機械式兩大類，由于機械式密封性能差，容易產生外泄漏且受負載力小，因此本設計選用磁偶式無桿氣缸，查閱SMC氣缸選型手冊，采用SMC公司的MY系列。由于氣缸在豎直方向上工作，屬于動載荷，因此按負載率ε＝50%來進行計算，工件重量F＝30ｋg。假定氣缸工作時壓縮空氣的壓力為0.5MPa，則氣缸所需要的理論輸出力F0為＝60kgf。根據SMC氣缸選型手冊[1]，考慮垂直運動的可靠性，選擇缸徑為６３ｍｍ的氣缸，其理論輸出力為156kgf，選擇MY1B63G－1000－Z73無桿氣缸，其標準行程為1000mm，滿足使用要求。氣缸垂直方向安裝時應使氣缸中心通過安裝中心，采用上下法蘭盤安裝。一般而言，控制雙作用氣缸選擇4通～5通電磁閥，本次設計選用的是雙作用氣缸，所以選擇５通電磁閥，采用ＳＭＣ公司的二位五通先導閥SY7320－5DZD－02，速度控制閥采用SMC公司的AS3291F－03－08。

4.2前后運動機構

由于前后運動機構使用場合寬，需要中間可以停止及急停，因此我們選擇雙作用帶鎖氣缸，在此選擇SMC公司的MDNBB系列的雙作用帶鎖氣缸CNAFN63－1000－D－Z73。先導閥與速度控制閥的選用與升降機構相同，另外還采用ＳＭＣ公司的先導式電磁閥VQZ332－5YZ－C6、消聲器AN101－01。由于需要抓取的工裝板表面光滑，選用真空吸盤作為搬運夾具，型號為ZPT80HNJ75－B01－A。

5.電氣系統設計

電氣系統設計首先要分析系統的工作步驟，本設計為自動單循環工作,根據系統要求，在升降機構和前后機構的極限位置均設有磁感應開關SQ1、SQ2、SQ3、SQ4，通過PLC程序按照機械節拍流程進行控制。PLC控制部分的設計流程如圖3所示[2]。

圖3.升降機構單支路系統的工作步驟：

結論：

簡而言之，針對空調裝配生產線實際要求，本文進行了非標自動化生產線上下料裝置的設計開發，通過一系列具體的軟、硬件系統設計和調試，最終設計出一套自動上下料裝置。實踐表明，設計的產品具有精度高、響應快的特點。它對于非標自動化設計、手動升級為自動的智能制造裝備開發具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]趙碧，巴鵬，徐英鳳．氣動上下料機械手手部結構的設計與分析［J］．沈陽理工大學學報，2017，25（6）：58-60．

[2]王田苗，丑武勝.機電控制基礎理論及應用［M］.北京：清華大學出版社，2019.

崔欣 1991.12? 陜西 漢 男 本科 初級工程師 西北農林科技大學? 非標自動化設備設計應用