手電筒本體自動化上料裝置設計

顧瑜，王益土，俸盛峰

（浙江水利水電學院，杭州310018）

0 引 言

近年來，在國外先進技術與國內巨大包裝市場的共同作用下，我國已經成為最大的上料機需求市場，對上料機的種類、質量、技術、效率、安全等性能要求也越來越高。目前，民用手電筒的上料工序一般由人工進行，該道工序雖然簡單重復，但是生產成本與生產效率不成正比，且長期操作必對工人手指有所損傷。隨著科技的發展，自動化生產技術成為了我國工業生產中不可缺少的一部分，實現生產自動化也是大勢所趨。自動化上料裝置作為一種輔助設備，亟需被各種工業生產領域應用。因此手電筒自動化上料裝置的研發具有一定的現實意義。

1 手電筒本體自動化上料裝置的整體設計

手電筒本體自動化上料裝置主要由供料裝置、定位裝置、上料裝置等三大部分組成。三大部分緊密配合、共同作用，分別提供投料、運料、定位、方向檢測、方向調整、上料等6個工序，最終完成上料。裝置總圖如圖1所示。

供料裝置部分包含儲料斗、皮帶運輸機等2個模塊，負責將手電筒本體運送到定位裝置進行定位排列。儲料斗利用螺釘固定在供料工位中的皮帶運輸機上，通過運送帶旋轉將儲料斗里面的手電筒本體運出，最后通過下料鏟的連接作用把本體運送到定位裝置的離心機構中。

定位裝置的作用是將手電筒本體運送到上料裝置，該部分只有定位模塊，通過離心機構完成定位。離心機構安裝在定位板上，它的動力來源是電動機，通過向心力及重力同時作用使手電筒本體沿著圓柱內表面相切方向運動，并從切口處送出，通過擠壓作用排列到料槽內。

圖1 裝置總圖

上料裝置對手電筒本體進行方向檢測、調整后實現最終上料。上料裝置部分包含料槽運輸輔助模塊、檢測模塊、機械手模塊、上料模塊。料槽運輸輔助模塊負責把離心機構中送出來的手電筒本體運送到上料裝置。同時檢測模塊啟動，利用雙活塞桿氣缸夾住手電筒本體，并對本體進行方向檢測，通過機械手將方向錯誤手電筒本體進行糾正。隨后進入上料模塊，使導向氣缸通過伸縮動作將料槽中的手電筒本體拉到料兜內，通過瞬間伸出作用，與料兜銜接的無導向氣缸將手電筒本體推出料兜，最終完成上料。整機位置按設計固定好后，在工作時每一步的動作都由電動原件、氣動元件傳感器及PLC 等共同協作完成。裝置工作流程如圖2所示。

圖2 裝置工作流程

2 手電筒本體自動化上料裝置的動力系統設計

2.1 電動系統設計

電動系統是裝置的重要部分之一，電動系統是皮帶運輸機構與離心機構運動的動力來源，與PLC結合組成整個機構的控制部分，根據手電筒本體自動化上料裝置的設計方案，從工作流程及工作要求對電動系統提出了以下要求：1）按照手電筒本體自動化上料裝置的裝配工藝過程，各機構能夠按規定完成設定的動作。帶式運輸機能按需要按時將手電筒本體送到相應機構，離心機能不間斷地對手電筒進行排序。2）電動系統能夠根據信號進行啟停控制。3）電動系統在執行過程中不能過載運行，要有較強的環境適應能力，選型時重點考慮電動機的負載和價格。

整個裝置除了氣動執行元件外，其余的動力輸出都用伺服電動機來提供。運輸帶電動機通過鏈條連接帶動負載手電筒本體的運輸帶旋轉；離心機構電動機帶動負載手電筒本體的離心機構轉盤旋轉；料槽運輸帶電動機通過聯軸器連接帶動一定負載的皮帶旋轉。

2.2 氣動系統設計

氣動系統也是裝置的重要組成部分，是裝置的動作執行器，通過與PLC作用實現動作執行與復位，組成裝置的控制部分。氣動系統的設計需要滿足以下要求：1）氣動系統要求能夠簡單、快速、穩定、準確地完成執行動作；2）氣動系統要求能夠適應高溫、低溫的環境，還應具有防水、防塵的性能；3）氣動系統應具有足夠大的負載和超長的使用壽命。

根據設計方案要求，裝置執行動作要求快、準、穩，在自動化行業中氣缸就包含這些優點，所以選擇氣缸作為完成動作的執行元件[1]，如表1所示。

表1 氣缸作用表

3 手電筒本體自動化上料裝置的機械結構設計

3.1 供料裝置的結構設計

供料裝置主要由儲料斗、鋁型材、傳（從）動滾筒、運送帶、齒輪、軸承、張緊件、電動機、軸承套固定座、軸承蓋等相互配合而成。為了防止皮帶的運輸磨損，需進行特定設計，在皮帶的外表面設計一些凸起的肋。為了使物料能夠直接被取出，對料斗與皮帶進行了特殊的結構設計，根據皮帶肋的高度在料斗下部分后面設計一個擋蓋，該擋蓋高度剛好比肋高出幾毫米，以使肋能通過擋蓋，但手電筒本體不能從擋蓋處掉出來。傳動滾筒和從動滾筒為可調節機構，通過張緊件來調整皮帶的張緊力。

3.2 定位裝置的結構設計

離心機構是基于向心力、重力、慣性的基礎上設計的，機構主要由電動機、圓形載料轉盤、圓柱等3個部分組合而成。圓柱桶的直徑D=400 mm，高H=150 mm，壁厚為3 mm。

離心機構只需要使手電筒本體產生能夠沿著切口方向切出的離心力即可。在設計圓形載料轉盤的時候，為了減小離心力、降低能耗，將圓形載料轉盤的形狀設計為中間高、四周低的結構，這樣手電筒本體就會自動向離心機構的圓周靠攏，這樣的設計也是為了能夠使手電筒本體更方便從切口送出；切口內側加裝了一個弧形防卡板，不能送出的手電筒本體就會沿著弧線方向滑走，防止兩個或者多個手電筒本體在切口位置出現卡死狀況；切口外側設計了一個定向結構，該結構將離心機構與運料槽連接在一起，使送出的手電筒本體能夠順利地進入運料槽內。離心機構所有工件材料都選用鍍鋅鋼板SECC。

3.3 上料裝置的結構設計

3.3.1 料槽運輸帶結構設計

料槽運輸帶是上料裝置的橋梁，檢測裝置、機械手裝置等都要在料槽運輸的過程中完成。料槽運輸帶主要由固定安裝板、軸承套、軸承、主從傳動滾筒、運輸帶、料槽內外擋板組成，靠電動機驅動。

1）固定安裝板相當于一個骨架，其余部件按照設計的位置安裝在上面組成料槽運輸帶結構，從而要求固定安裝板需要有足夠的強度和剛度支承其它部件的重力，所以固定安裝板的材料選用45鋼。

2）軸承套有固定軸承的作用，傳動機構的作用是將動力和運動傳遞到轉向機構和行走機構[2]。把裝有軸承的軸承套安裝在傳動滾筒的兩端組合，考慮到整體受力可能比較大，軸承套與傳動滾筒的材料都選擇45鋼，4個軸承都采用62800X1-Z型號深溝球軸承。

3）主動滾筒和從動滾筒表面都有旋轉凹槽，是為了防止運輸帶在料槽中左右移動與料槽內外擋板產生摩擦。為了防止手電筒本體通過料槽時劃傷外表面，內擋板材質選用塑料。為了使手電筒本體能夠順利地從每一個配合接口通過，裝置遵循后一間隙比前一間隙略大的原則。

3.3.2 檢測裝置設計

檢測裝置的作用是為了識別手電筒本體的方向，在料槽運輸的過程中通過兩個傳感器的共同作用完成對手電筒本體是否到位和方向是否正確的檢測。當手電筒本體到達傳感器的檢測范圍，傳感器就會將光信號轉換成電信號傳送給PLC完成檢測，并發出指令做出相應動作。兩個傳感器檢測情況有3種結果：接收到1個信號時，說明只有檢測是否有料的傳感器作用，方向正確；接收到2個信號時說明2個傳感器都有作用，方向不正確；沒有信號時說明此時缺料，有可能是裝置出現了卡料等問題。

檢測裝置主要由傳感器安裝件、氣缸、料傳感器、方向傳感器組合設計而成，傳感器安裝在傳感器安裝件上，傳感器安裝件安裝在氣缸上，氣缸通過安裝板安裝在料槽運輸結構上。

3.3.3 機械手設計

氣壓傳動式機械手具有設計簡單、維護方便、壽命長等優點，所以選擇氣爪來設計機械手，且電動機傳遞動力還可進行機械手的微調實現較高精度的定位[3]。同時氣爪指保證了與手電筒本體的接觸面積，C形的內側設計保證手電筒本體在夾取過程中的平衡，也讓手電筒本體在夾取過程中由于壓力的作用上升到氣爪指的中心位置。為了減輕氣爪指的質量，氣爪指選用MC901尼龍材料。

4 手電筒本體自動化上料裝置的控制設計

PLC即可編程邏輯控制器，它的工作方式是“順序掃描、無限循環”。小型PLC適用于小規模、小型號流水線的控制系統的設計，具有成本低、靈活性高、操作量小的特點[4]。考慮到裝置的功能要求及成本等方面問題，所以選用小型PLC作為裝置的執行控制器。

PLC是手電筒本體上料裝置的心臟，在裝置中起到操控作用，有語言豐富、功能強大等特點[5]。執行機構的每個動作都要靠PLC發出指令才能完成。自動化裝置程序控制必須能進行單步指令和連續指令的切換，單步指令主要是為了方便設備調試，連續指令是為了保證生產連續性和生產效率。

5 結 語

目前我國工業生產環境中，手工勞動量在裝配過程中占比較大，手工裝配的人工費用高，而且裝配效率低，所以實現自動化裝配非常重要。自動化上料裝置的應用與發展是提升產品質量的必要途徑，相關技術也可以有力推進制造業的進步與發展[6]。數據統計表明：超過1/3的總費用、2/3的總工時都花在了物料的供給、上料、下料和搬運等過程中[7]。實現自動化上料能夠提高生產效率，提升產品質量，降低生產成本，同時還改善了管理模式，減輕了技術人員的勞動強度與精神壓力。