一種自動(dòng)化分裝投料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 鵬

（沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

1 生產(chǎn)工藝流程

該分裝投料系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成物料的拆疊盤、定量投料、信息綁定與追溯等工作，其主要由橫移舉升工位、拆疊盤工位、移載工位、定量投料工位、攤勻工位和料車移載工位組成，系統(tǒng)的每個(gè)循環(huán)都以人工將臺(tái)車就位工序作為開(kāi)始工序，以人工將滿料臺(tái)車取出工序作為結(jié)束工序，其工作流程如圖1 所示。

2 系統(tǒng)布局

整個(gè)系統(tǒng)總體呈“U”形布置，如圖2 所示，各個(gè)工位之間的料筐的傳輸由積放式滾筒輸送線完成，滾輪直徑為50 mm，由減速電機(jī)通過(guò)鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變頻器控制可以調(diào)節(jié)傳輸速度[1]。每個(gè)工位末端設(shè)計(jì)一組氣動(dòng)可伸縮擋停單元，與對(duì)射傳感器配合實(shí)現(xiàn)料筐的擋停與放行。在工作站外側(cè)使用圍欄進(jìn)行安全防護(hù)，在合適的位置設(shè)計(jì)安全門，方便人員進(jìn)入整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行維修與故障處理。輸送線下方根據(jù)生產(chǎn)線走向搭設(shè)線纜橋架，規(guī)格為200 mm×100 mm，動(dòng)力線纜和控制線纜分開(kāi)鋪設(shè)在橋架內(nèi)。

3 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

該分裝投料系統(tǒng)需要與供料系統(tǒng)和車間物流系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)應(yīng)用的料筐和臺(tái)車需要按照要求設(shè)計(jì)加工制造，投料系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下。

設(shè)備尺寸（L×W×H）：9 000 mm×3 800 mm×3 000 mm。

節(jié)拍要求：每1 料筐在12 s 內(nèi)完成投料，投料重量2 kg。

輸送速度：最大可達(dá)到20 m/min，速度可通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)。

投料精度：投料量可人工設(shè)定，系統(tǒng)保證物料計(jì)量的精度，誤差值控制在-5%～+5%，計(jì)量的物料量可實(shí)時(shí)上傳到系統(tǒng)中。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

圖2 系統(tǒng)三維布局圖

料筐尺寸（L×W×H）：900 mm×900 mm×150 mm，在指定位置粘貼條碼，供RFID Reader 讀取。

臺(tái)車尺寸（L×W×H）：1 100 mm×1000 mm×850 mm，在指定位置粘貼條碼，供RFID Reader 讀取。

4 系統(tǒng)組成及功能介紹

4.1 上下料橫移舉升工位

上下料橫移舉升工位設(shè)備主要由焊接鋼架、氣動(dòng)舉升單元、伸縮貨叉等組成。舉升氣缸缸徑為125 mm，豎向安裝，氣缸桿采用浮動(dòng)接頭方式與移動(dòng)部件相連，配備單向節(jié)流閥，通過(guò)節(jié)流閥可以調(diào)節(jié)氣缸升降速度。伸縮貨叉為三段式，2 個(gè)方向都可運(yùn)動(dòng)，叉面尺寸900 mm×500 mm，滿載移動(dòng)速度30 m/min，可通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)，最大承重200 kg。舉升單元與伸縮貨叉相互配合，完成堆疊料筐在臺(tái)車與拆疊盤工位之間的移位[2]。

4.2 拆盤工位

拆盤工位設(shè)備主要由抬升單元、可伸縮插腳和導(dǎo)向裝置組成，對(duì)稱分布在傳輸線左右兩側(cè)。抬升單元由2 個(gè)缸徑為32 mm的氣缸背對(duì)背串聯(lián)組成，安裝中需要增加氣缸防轉(zhuǎn)擋塊，2 個(gè)氣缸行程不同，通過(guò)邏輯控制能實(shí)現(xiàn)3 個(gè)不同的插腳達(dá)到不同的高度位置。插腳由氣缸通過(guò)導(dǎo)向裝置帶動(dòng)，完成伸出和縮回動(dòng)作，導(dǎo)向裝置由標(biāo)準(zhǔn)的雙導(dǎo)軌雙滑塊結(jié)構(gòu)組成。左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的2 個(gè)相同動(dòng)作氣缸由一路壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，這樣能夠確保兩側(cè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作一致同步。工作原理為抬升單元配合可伸縮插腳，將下面倒數(shù)第二層及以上料筐抬起，最下層料筐經(jīng)輸送線傳遞到一下工位，抬升機(jī)構(gòu)下降，重復(fù)以上動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)將堆疊在一起12 層料筐依次拆成單層料筐。

4.2.1 移載工位

移載工位設(shè)備由滾筒輸送機(jī)、氣動(dòng)舉升單元、擋停機(jī)構(gòu)組成。該工位的滾筒高度比上一工位低20 mm，工作流程是當(dāng)接收到該工位有料筐流入的信號(hào)時(shí)，舉升氣缸伸出，2 根輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，將料筐從上一工位移動(dòng)到擋停位，氣缸縮回，料筐落到滾筒輸送線上，滾筒滾動(dòng)將料筐移動(dòng)到下一工位，完成料筐的90°轉(zhuǎn)角自動(dòng)輸送。

4.2.2 定量投料工位

定量投料工位設(shè)備由不銹鋼料倉(cāng)、皮帶提升機(jī)、自動(dòng)開(kāi)閉收集槽、自動(dòng)稱重系統(tǒng)和往復(fù)落料機(jī)構(gòu)組成。不銹鋼料倉(cāng)為喇叭口形狀，作為人工投料緩存使用，容積為1.5 m3。皮帶提升機(jī)長(zhǎng)度為5 m，與地面傾斜60°安裝，皮帶面寬度為600 mm，每隔200 mm 均布隔板，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在頂部，通過(guò)變頻器可自動(dòng)控制皮帶提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。收集槽口下部有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)擋板，可旋轉(zhuǎn)擋板的旋轉(zhuǎn)中心軸由一個(gè)在90°范圍內(nèi)往復(fù)旋轉(zhuǎn)的擺動(dòng)氣缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，可控制收集槽口的開(kāi)閉。智能秤體安裝在收集槽下面，秤面尺寸為500 mm×500 mm，可精確稱量掉落下來(lái)的物料重量，稱重精確度為0.1%，并可以與PLC 通信，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。往復(fù)落料機(jī)構(gòu)的2 個(gè)口字形腔體經(jīng)由氣缸帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)行程為500 mm。工作原理為人工將物料投入料倉(cāng)中，皮帶提升機(jī)帶動(dòng)物料提升到物料收集槽內(nèi)，料倉(cāng)底部稱重模塊自動(dòng)計(jì)量落料重量，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制槽口處的閥門關(guān)閉，往復(fù)落料機(jī)構(gòu)動(dòng)作將秤面上的物料推落到料筐中，RFID Reader 將相關(guān)信息寫入料筐標(biāo)簽中[3]。

4.2.3 攤勻工位

攤勻工位設(shè)備由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)同步帶驅(qū)動(dòng)單元、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和刮板組成，工作原理為電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)移動(dòng)組件沿X 和Z 方向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)同步帶驅(qū)動(dòng)刮板沿Y 方向運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刮板90°旋轉(zhuǎn)，刮板移動(dòng)行程覆蓋整個(gè)料筐，刮板高度可自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)將成堆物料均勻攤平。

4.2.4 疊盤工位

疊盤工位與拆盤工位的設(shè)備組成相同，功能相反，能夠?qū)螌恿峡鹨来味询B成12 層，工作原理為插腳先將該工位最下邊一層的料筐抬起，然后下一個(gè)料筐自動(dòng)傳入該工位，插腳下降，料筐堆疊在一起后，重復(fù)插取料筐動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疊盤功能。

4.2.5 料車移載工位

料車移載工位設(shè)備主要由鋼結(jié)構(gòu)框架、驅(qū)動(dòng)單元、抓取機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、RFID 讀取器等組成。鋼結(jié)構(gòu)框架呈門字形，兩側(cè)支腿通過(guò)化學(xué)螺栓固定在地面上，橫梁上方為雙導(dǎo)軌三滑塊結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)單元為減速電機(jī)通過(guò)齒輪齒條結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)板移動(dòng)，移動(dòng)有效距離為2 m，橫梁兩端有限位開(kāi)關(guān)控制滑臺(tái)到位停止。通過(guò)抓取機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)單元相互配合，實(shí)現(xiàn)臺(tái)車由上料區(qū)域自動(dòng)移載至下料區(qū)域，安裝在上下料區(qū)域的RFID讀取器能夠自動(dòng)讀取臺(tái)車的條碼信息，并實(shí)時(shí)上傳至PLC 與料筐綁定。

5 電控系統(tǒng)

分裝投料控制系統(tǒng)的核心選用可編程控制器（PLC）控制，選用觸摸屏作為人機(jī)界面（HMI），利用變頻器調(diào)節(jié)輸送線速度和生產(chǎn)節(jié)拍，使用RFID 技術(shù)綁定物料信息。并具有空料筐信息判定、空料筐與臺(tái)車信息綁定等功能。控制系統(tǒng)通過(guò)光電傳感器、接近傳感器及RFID 標(biāo)簽獲取信息反饋，經(jīng)由PLC 程序驅(qū)動(dòng)相應(yīng)機(jī)構(gòu)完成自動(dòng)化分裝投料工作，電氣控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信。控制系統(tǒng)具有手動(dòng)與自動(dòng)2 種工作模式，手動(dòng)/自動(dòng)模式通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)完成模式切換[4]。正常生產(chǎn)時(shí)使用自動(dòng)工作模式，分裝投料設(shè)備自動(dòng)完成稱重、拆疊盤、信息綁定、報(bào)警提示等功能。當(dāng)分裝投料設(shè)備出現(xiàn)故障或需要調(diào)試時(shí)，使用手動(dòng)工作模式，手動(dòng)工作模式可分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)獨(dú)立動(dòng)作單元。

6 結(jié)語(yǔ)

在該自動(dòng)化分裝投料系統(tǒng)中，綜合應(yīng)用了自動(dòng)化傳輸、自動(dòng)稱量、傳感器識(shí)別、信息讀寫、數(shù)據(jù)采集、氣動(dòng)控制、PLC控制等相關(guān)技術(shù)，提高了物料分裝作業(yè)的生產(chǎn)效率和計(jì)量精確度，通過(guò)實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)想的設(shè)計(jì)要求。