玻璃貼標機上下料機械手的開發*

□ 周 晶 □ 李俊陶 □ 葉兆杰 □ 鄧楊逍

東莞職業技術學院 機電工程學院 廣東東莞 523808

1 開發背景

微電子用玻璃面板加工過程中,需要將來料的大板玻璃切割成小板,然后再人工運送到玻璃貼標機上進行貼標加工。這種操作方式工作效率不高,并且轉運過程中由于長時間連續操作,容易失誤，造成人員受傷。通過改造設備，利用可編程序控制器控制電磁閥的通閉來控制氣動元件的運動,通過傳感器的感應來實現氣動元件上下運動，由氣動夾頭控制物料的抓取與放置,進而可以實現物料的加工和搬運。張允良等[1]設計了帶平轉功能的發動機缸體抓取機械手,對發動機缸體毛坯結構特點、輸送運動狀態等進行了較深入的分析。李小賓等[2]將改造后的內圓切片機并聯為機組，配合自行設計的上下料機械手系統進行全自動生產，形成全新的生產模式。朱華炳等[3]設計了機械手與拋光設備控制系統，兩者之間通過現場總線形式實現信息交換和連鎖對接[3]。

筆者開發了玻璃貼標機上下料機械手，實現物料的運送加工。利用氣動部件運轉物料，由真空機搬運物料，通過可編程序控制器實現對各種輸入信號的分析、處理,做出一定的邏輯判斷后,對各個輸出元件,如傳感器、電機驅動器、指示燈等下達執行命令,完成自動運料、加工及搬運等一整套全自動作業流程[4-6]。

2 結構設計

玻璃貼標機上下料機械手通過按鈕、光電傳感器將信號傳給可編程序控制器，控制電磁閥、電機,同時由電磁閥控制氣缸、真空發生器運轉,達到整體自動化運行的目的。玻璃貼標機共分為三個單元：上料單元、加工單元、下料單元,各個單元的執行機構以氣動執行機構為主,加工單元為電動執行機構[7]。上下料機械手在這三個單元中起傳輸物料的作用。

上下料機械手的基本功能如下:上料單元按需將待貼標的工件放在物料臺上,由氣缸自動推送到物料臺并夾緊；傳感器感應到物料后,加工單元開始貼標；通過真空發生器與回轉氣缸的配合,將工件旋轉90°搬運至下料單元。

玻璃貼標機上下料機械手結構如圖1所示。

通過玻璃貼標機上下料機械手,實現對待加工玻璃進行加工、搬運等全自動工作流程,通過架構優化,

▲圖1 玻璃貼標機上下料機械手結構

▲圖2 玻璃貼標機上下料機械手氣動回路

減輕重力,提高產品性能。上下料機械手的三個單元安裝在底板上,位置合理。控制生產過程的可編程序控制器等安裝在電氣控制柜內,機械裝置和電氣裝置安裝在設備臺上，便于各個機械及氣動部件的拆卸與安裝、控制線路的布線、氣動電磁閥及氣管的安裝。上料單元和下料單元采用最為靈活的拆裝式模塊結構,最大限度滿足綜合性設計的要求[8]。

上下料機械手的結構設計目標為能在一個穩定牢固的支架中保證各氣動元件工作的穩定性,具有足夠的運動空間,實現夾取與放置物品的功能。筆者選用4080與3030型材作為底盤支架,用連接件進行固定。確定好布局圖后，將各氣動元件及其它零件裝配好,最后再根據實際運行情況調整部分機構的裝配。

結構設計中用到的材料包括四根4080型材、六根3030型材、六塊鋁合金加工物料、若干螺栓、一條自動軸承鋼精致滑軌、一塊軸用固定塊等。

3 氣動回路設計

玻璃貼標機上下料機械手的氣動回路如圖2 所示。玻璃面板由上下料機械手送料至玻璃貼標機,由氣缸推送到貼標位置。當到達指定位置時，觸發相應傳感器。傳感器發出反饋信號或者指令至主控制器,主控制器發出輸出信號至電磁閥,用于控制氣動回路工作。上下料機械手末端采用真空吸盤抓取玻璃面板。貼上標簽之后,由上下料機械手運送至后續加工位置。根據標簽對玻璃面板傳送路徑進行合理規劃并編碼。加工完成后進行質量檢測,不合格的玻璃面板進入后續工位進行加工處理,合格的玻璃面板傳送至指定位置[9]。

整個氣動回路的動力來源于空氣壓縮機。氣體經過氣動三聯件進行過濾處理,除去水、灰塵、油漬。然后通過調節連接在翻轉氣缸、升降氣缸上的調壓閥,使進口壓力滿足氣缸伸縮工作要求。三位五通換向電磁閥1、2、4、5控制氣缸的伸縮,當處于中位時,氣缸處于靜止狀態。另外,當真空吸盤接觸到合格玻璃時,真空發生器可以將空氣壓縮機提供的正氣壓轉換為所需要的負壓力值,然后通過主控制器控制兩位兩通換向電磁閥6換向,最終將合格的玻璃面板碼放在碼垛上,達到分揀的目的[10]。

氣缸是氣動回路中的重要執行元件,筆者采用直線運動型氣缸。根據工件的尺寸和質量,采用SMC系列CDJ2KB16X75-B型氣缸,缸徑為16 mm,最大行程為75 mm,工作壓力為0.04～0.98 MPa。

上下料機械手所選用的空氣壓縮機型號為OUTSTANG 750W-30L,氣動回路中過濾減壓閥型號為 AFC2000,三位五通直流24 V電磁換向閥型號為亞德客4V110-06,兩位兩通電磁換向閥型號為德力西4V210-08。空氣過濾器、減壓閥、三位五通電磁閥、兩位兩通電磁閥都安裝在電氣柜后部,方便氣動回路的連接。

吸盤臂上安裝兩個吸盤,吸盤直徑R滿足:

(1)

式中:G為玻璃重力,N;t為安全因數,當玻璃水平吸附時,t≥4,當玻璃豎直吸附時,t≥8;n為吸盤數量;p為吸盤真空度,MPa。

對式(1)變形，可得吸盤真空度p滿足：

(2)

在滿足式(2)的前提下，吸盤臂上的兩個吸盤真空度應該取最大真空度的40%～60%,這樣保證既能夠使吸盤吸附,又可以隨時控制吸盤松開。

4 控制系統設計

選用三菱PLCFx3N-48MR型可編程序控制器,具有24點輸入、24點輸出,并可擴展到128點。這一可編程序控制器自帶兩路輸入電位器，具有8 000步存儲容量,可以連接多種擴展模塊。這一可編程序控制器屬于晶體管輸出型可編程序控制器，能同時輸出兩點100 kHz脈沖。配備有七條特殊定位指令,包括零返回、絕對或相對地址表達、特殊脈沖輸出等。可編程序控制器可安裝FX1N-5DM顯示模塊,能監控和編輯定時器、計數器、數據寄存器，并且支持RS232、RS485、RS422網絡和數據通信功能。可編程序控制器的接線如圖3所示,設備輸入、輸出分配分別見表1、表2。

玻璃貼標機上下料機械手可編程序控制器程序流程如圖4所示。

▲圖3 可編程序控制器接線圖

表1 設備輸入分配

表2 設備輸出分配

▲圖4 可編程序控制器程序流程

部分可編程序控制器程序如圖5所示。

▲圖5 可編程序控制器程序

5 結束語

筆者開發了玻璃貼標機上下料機械手，通過可編程序控制器控制電磁閥通斷及傳感器感應,實現氣動執行元件運動,使氣動真空吸盤對物料進行抓取與放置,進而達到加工和搬運物料的目的。目前，玻璃貼標機已投入生產,運行穩定,貼標精度高于0.05 mm,良品率在99.62% 以上。