電腦支架自動裝配機的設計

邱自學，王璐璐，邱雪峰，周 陽

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.中國船舶重工集團公司第七0 四研究所，上海 200031）

1 引言

隨著經濟的快速發展，電腦廣泛應用于人們的工作生活中，為使電腦使用者維持舒適的工作姿勢、提高作業效率并保持健康的工作狀態，能夠調整其高度和前后俯仰視角的電腦支架便應運而生[1-2]。電腦支架在得到廣泛應用和發展的同時，對其生產過程中的自動化要求越來越高[3-4]。為使電腦支架具有良好的化學穩定性和較好的表面防腐蝕能力[5]，生產過程中，在對支架表面進行檢驗后需對支架外表面進行噴塑處理，由于支架內表面不需要噴塑處理，因此通常采用內塞、芯棒等輔助元件與支架進行裝配，從而有效防止噴塑過程中粉末噴至支架內表面。目前多數生產制造企業主要通過人工對內塞、芯棒與支架進行裝配，工人勞動強度大，自動化程度低，生產效率低。

為提高DYN 系列電腦支架的裝配效率，結合裝配工藝要求，設計了電腦支架自動裝配機及其控制系統，能實現電腦支架的自動傳輸及裝配。該裝置運行可靠，已實際使用，生產效率高，滿足企業自動化生產要求。

2 電腦支架裝配要求

圖1 電腦支架、內塞及芯棒結構形狀圖Fig.1 Shape Diagram of Computer Bracket，Plug and Mandrel

圖2 裝配效果圖Fig.2 Assembly Effect Diagram

DYN 系列電腦支架、內塞及芯棒結構形狀，如圖1 所示。裝配過程中，需將電腦支架的兩個部分分開，分別將內塞及芯棒放置于支架內部規定位置，并合上支架，從而起到防止噴塑過程中

粉末噴至支架內表面。裝配完成后的效果，如圖2 所示。

3 支架裝配機技術方案及氣壓原理

3.1 電腦支架自動裝配機組成

設計的電腦支架自動裝配機的結構組成，如圖3 所示。其主要組成包含機箱、送料機構、輸送機構及裝配組件等。

圖3 電腦支架自動裝配機結構組成圖Fig.3 Structure Diagram of Automatic Assembly Machine for Computer Bracket

機箱主要起支撐作用；送料機構以振動盤為核心，對內塞進行篩選排列，使其以規定姿態輸出；輸送機構采用雙列傳送帶將擺放有支架和芯棒的托盤輸送至裝配工位；裝配組件主要由氣缸、氣爪、吸盤等組成，實現對支架、內塞及芯棒的準確裝配，并將裝配完成后的支架送至下一工位。

3.2 輸送機構的設計

輸送機構對托盤進行輸送，在選擇電機時，應考慮整個自動輸送系統負載慣性和所需轉矩與電機輸出特性之間的匹配問題。因此需對輸送機構運行狀態進行分析，驗證所選的調速電機是否滿足要求，輸送系統運行條件參數，如表1 所示。

表1 輸送系統運行條件及參數Tab.1 Operation Conditions and Parameters of Conveying System

輸送機構的負載慣性JL：

式中：JP—滑輪的負載慣性；JM—皮帶和工件的負載慣性。

其中JP和JM分別為：

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驅動電機所需轉矩T：

式中：Ta—電機加速轉矩；TL—負載換算到電機軸上的轉矩；Sf—安全系數。其中Ta和TL分別為：

式中：J0—電機轉子慣性，可忽略不計；F—滑動部摩擦力，且F=FA+mg（sinα+μcosα），式中：FA—外力，α—傳送帶傾斜角度。有效負載轉矩TM：

根據式（1）～式（5）以及輸送系統運行條件參數，可計算出所需電機的容許慣性JL=0.115×10-4kg·m2，最大轉矩T=0.032N·m。根據東方馬達綜合目錄，選取調速電機組合產品型號為BMU320C-5，該電機額定轉矩Te=0.45N·m，大于所需的必要轉矩，滿足使用要求。

3.3 氣壓系統原理

氣壓控制系統主要由氣源、氣動三聯件、氣缸、氣爪、吸盤、電磁閥、真空發生器組件及調速閥等組成。氣壓系統原理，如圖4所示。

圖4 氣壓系統原理圖Fig.4 Principle Diagram of Pneumatic System

其工作原理如下：氣源即壓縮空氣，由空氣壓縮機提供，壓縮空氣經氣動三聯件的凈化處理后，分為4 路，一路經兩位三通電磁閥進入水平三工位氣缸，通過PLC 程序控制相應電磁閥的切換，實現兩段行程的運動；一路通過閥板1 經兩位三通電磁閥分別進入工件夾取氣爪及內塞夾取氣爪，通過PLC 控制相應電磁閥的切換，從而控制相應氣缸及氣爪的運動，保證裝配動作的順利進行；一路通過閥板2 經兩位五通電磁閥分別進入提升氣缸、內塞水平氣缸及提升氣缸，通過PLC 程序控制相應電磁閥的切換，從而控制相應氣缸的伸出與縮回，實現裝配動作；另一路經真空發生器組件1 和真空發生器組件2 進入芯棒吸盤及支架吸盤，通過PLC 程序控制真空發生器組件的通氣與斷氣，實現對芯棒及支架的吸取。根據實際工作需求，各氣缸、吸盤工作狀態，如圖5 所示。

圖5 位移-步驟圖Fig.5 Displacement-Step Diagram

4 控制系統設計

控制系統以PLC 為核心，根據傳感檢測信號對氣缸、吸盤等進行動作控制[6-8]；采用圖形操作終端進行設置、調整生產參數，并對生產過程實時監測。

4.1 PLC 選型及 I/O 口分配

根據控制需要，電腦支架自動裝配機控制系統所需的PLC輸入點數為17，輸出點數為14，其I/O 口物理地址情況分配，如表2 所示。綜合考慮產品性價比等因素，選用日本三菱公司型號為FX3U-48MT/ES-A 的PLC，該型號PLC 輸入輸出點數均為24個點，滿足使用需要。

表 2 PLC 的 I/O 口分配Tab.2 I/O Port Allocation of PLC

4.2 傳感檢測模塊

表3 各類傳感器型號及作用Tab.3 Types and Functions of Various Sensors

4.3 PLC 程序設計

采用GX-Works2 對控制系統進行編程，該編程軟件可針對不同功能要求進行模塊化編程，具體以梯形圖方式實現[9]。電腦支架自動裝配機控制系統的PLC 的控制程序流程，如圖6 所示。

圖6 PLC 控制程序流程圖Fig.6 Program Flow Chart of PLC Control

4.4 圖形操作終端設計

圖形操作終端主要用于顯示和監控設備運行狀態，并實時顯示生產完成進度[10]。采用GT Designer3 進行界面設計，主要包括初始界面、設備調試界面和自動運行界面。部分顯示界面，如圖7 所示。

4.4.1 初始界面

初始界面主要介紹設備生產及使用的相關信息，用戶可選擇進行設備調試或進入工作界面，如圖7（a）所示。

4.4.2 設備調試界面

設備調試界面用于對各氣缸、氣爪進行啟動、停止操作；對傳感器信號檢測進行手動調試。該界面由多個單元組成，按下相應單元，便可進行點動運行，如圖7（b）所示。

4.4.3 自動運行界面

自動運行界面為系統操作主界面，按下啟動按鈕，設備自動運行。設備狀態欄實時顯示直振軌道是否有內塞，裝配位是否有托盤，若為否，則相應文字由黑變紅并閃爍，如圖7（c）所示。該界面可對生產運行狀況進行實時監測，并顯示生產完成進度。

圖7 顯示界面Fig.7 Display Interface

5 安裝及調試

在完成自動裝配機機械結構裝配、輸送機構、傳感器安裝以及PLC 控制線路連接后，進行了大量的系統調試。如檢查各類傳感器的位置是否最佳，調整好調速電機的運行速度，各氣缸和吸盤的運動協調性。電腦支架自動裝配機的實物圖，如圖8 所示。在調試過程中，發現振動送料機構易出現卡料的情況，在對振動盤振軌道及直線振動送料器軌道進行優化后，卡料現象基本不出現。

圖8 電腦支架自動裝配機實物圖Fig.8 Hysical Map of Automatic Assembly Machine for Computer Bracket

6 結論

（1）針對電腦支架與內塞、芯棒之間目前依靠人工裝配的生產現狀，根據其裝配工藝要求，設計了電腦支架自動裝配裝置及其控制系統。采用三菱FX3U系列PLC 為控制系統的核心，以三菱GS 系列圖形操作終端作為人機交互窗口，實現對設備運行狀態進行實時監測和系統調試，并實時顯示生產工作進度，有效保障設備穩定運行。

（2）目前該裝置已投入生產企業實際使用，裝配效率達到650 個/h，相比傳統的人工裝配方式，生產效率提高了近23%；該裝配工位原有操作工人（4～5）人，現縮減為（1～2）人，大大降低了人工成本，有效降低工人勞動強度；控制系統能實現連續無故障運行，保障了產品裝配質量和設備運行效率；

（3）實際投入使用效果表明該裝置運行穩定、可靠，易于工人操作，具有較強的合理有效性。在提高企業自動化成產程度的同時，節約了人力資源成本，降低工人勞動強度，為企業創造了一定的經濟和社會效益，在電腦支架裝配行業起到一定的參考作用。