一種小規格螺釘自動穿墊片系統的設計與應用

余定邦 潘偉迪 袁黔東 汪 杰

（貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

電機裝配過程中，印制板組件安裝需要一種螺釘加平墊圈和絕緣墊圈的組合，實現固定和絕緣連接。但由于螺釘規格較小，裝配時先將螺釘穿入平墊圈再穿入絕緣墊圈，最后進行印制板組件安裝會耗費大量時間，造成流水作業對應節拍過長和后工序的等待浪費[1]。為提質增效，該文梳理工藝流程時將螺釘穿入墊圈工作調整到生產準備環節。而實際生產中，由于螺釘規格小，人工穿片難度大，面對大量穿片需求操作人員仍需要耗費極大精力。為此，引進螺釘自動穿墊片系統替代人工作業，提升效率，降低勞動強度，顯得尤為重要。

1 螺釘自動穿墊片系統的技術分析

1.1 設計需求

改螺釘自動穿墊片系統是為電機印制板組件安裝的生產準備環節而設計的，需要將一種M1.6的小規格螺釘同時穿入一個平墊圈和一個絕緣墊圈，具體應用場景如圖1 所示。根據現場調研，印制板組件安裝過程中，螺釘墊圈組合如果能直接取用，將有助于提升電機裝配效率。

圖1 螺釘墊片組合應用示意圖

1.2 設計思路

傳統的智能機械手或負壓吸取裝置需要結合視覺抓取來進行螺釘穿片，這必然會導致設備體積過大，不利于設備靈活放置，也不適宜布局固化的單元流水作業。因此，直接利用螺釘重力掉落的原理，實現螺釘自動穿墊片功能，有利于縮小設備體積和降低開發成本，同時也方便將設備靈活放置在工位上，供操作人員直接取用螺釘墊片組合進行快速安裝。

2 螺釘自動穿墊片系統的總體設計

2.1 系統的結構設計

螺釘自動穿墊片系統主要由平墊圈整列機、絕緣墊圈整列機、螺釘整列機、轉盤旋轉輸送模組、振動調整模組、緩存模組以及氣吹單元組成，每個部分均配置了物料狀態光電檢測傳感器，作為自動穿片過程的邏輯控制輸入單元。

絕緣墊圈整列機。作為螺釘自動穿墊圈系統的絕緣墊圈供料單元，將絕緣墊圈倒入整列機后，絕緣墊圈在滾筒內進行運動落斗，凡是未進入軌道的絕緣墊圈都會被清除到滾筒內進入下一個落斗循環，而進入軌道的絕緣墊圈會在整列機自身的振動下慢慢地滑出，直到進入轉盤旋轉輸送模組的絕緣墊圈存儲位置。

平墊圈整列機。作為螺釘自動穿墊片系統的平墊圈供料單元，其工作原理和絕緣墊圈整列機一樣。由于螺釘穿墊片的先后順序問題，因此平墊圈經過軌道進入轉盤旋轉輸送模組后，其存儲位置位于絕緣墊圈的上方，具體墊圈上料過程如圖2 所示。

圖2 絕緣/平墊圈上料示意圖

螺釘整列機。作為螺釘自動穿墊片系統的螺釘供料單元，其工作原理和平墊圈整列機一樣。螺釘經過軌道滑至轉盤旋轉輸送模組上方，經過擋料氣缸和分料氣缸的協同動作，螺釘會在氣吹單元作用下一顆一顆掉入振動調整模組，并在重力和振動的綜合作用下掉入位于其下方的平墊圈和絕緣墊圈組合，如圖3 所示。

圖3 螺釘上料示意圖

轉盤旋轉輸送模組。作為螺釘自動穿墊圈系統的輸送單元，在絕緣墊圈進入轉盤預定位置并經檢測到位后，轉動90°。待平墊圈也進入轉盤預定位置并經檢測到位后，轉動90°。待螺釘掉入同心的平墊圈和絕緣墊圈組合后，轉盤再次轉動90°。然后通過氣吹單元將螺釘墊片組合吹入緩存模組，完成一個工作循環。

振動調整模組。作為螺釘穿入平墊和絕緣墊圈組合的調整裝置，振動調整模組會在螺釘掉落過程中持續振動，輔助螺釘螺桿掉入平墊圈和絕緣墊圈。當穿片完成并經光電傳感器確認后停止工作。

緩存模組。作為螺釘墊片組合的存儲單元，緩存完成穿片過程的螺釘墊片組合，直至光電檢測緩存已滿后系統停止工作。其間，操作人員可從緩存區拿取螺釘墊圈組合，直接用于裝配作業或進行擺盤，如圖4 所示。

圖4 緩存區示意圖

氣吹單元。作為電磁閥控制的物料輸送輔助單元，用于提升墊圈和螺釘參與整列機落斗運動的效率，實現整列機的穩定供料。同時也用于輔助螺釘掉入振動調整模組以及螺釘墊片組合進入緩存區。

2.2 系統的軟件設計

螺釘自動穿墊片系統的控制采用PLC 和觸摸屏兩級控制模式。PLC 作為系統主控制器，通過光電傳感器、急停按鈕等進行信號輸入，利用程序邏輯控制整列機、調整電機、出料電機、步進電機、電磁閥的有序運行，控制流程圖如圖5 所示。觸摸屏采用威倫TK6050IP，可提供人機交互界面，實現顯示監控及系統故障報警，提供手動運行和自動運行兩種操作模式，可進行系統參數的設置與修改，并通過RS485 通信協議進行通信和數據交換[2-4]。

圖5 電氣控制流程圖

控制系統選用三菱FX3U-48MT 可編程控制器，PLC 輸入/輸出信號分配見表1。

表1 PLC 輸入/輸出信號分配

為拓展使用場景，提升設備利用率，電機裝配過程中的小規格螺釘墊片組合通常會用到螺釘、平墊圈、絕緣墊圈的組合以及螺釘加平墊圈的組合兩種情況。鑒于此，該螺釘自動穿墊片系統通過軟件編程共提供了三種模式用于選擇，分別為整列機1、2、3 同時工作，整列機2、3 同時工作以及整列機3單獨工作，具體流程如下。

模式一（整列機1、2、3 同時工作）：系統復位回到原點，啟動自動運行按鈕。轉盤旋轉至整列機1 工位，整列機1 工位啟動絕緣墊圈出料，光電檢測物料到位后，轉盤旋轉至整列機2 工位。整列機2 工位啟動平墊圈出料，光電檢測到位后，轉盤旋轉至整列機3 工位。整列機3 工位啟動螺釘出料，光電檢測螺釘到位后，吹氣單元將螺釘吹入振動調整模組。啟動調整電機，待螺釘完全掉入重疊的絕緣墊圈和平墊圈，并經光電檢測到位后，轉盤旋轉至出料工位。出料電機和吹氣單元共同作用，將螺釘墊片組合輸送至緩存區，完成單次工作循環。

模式二（整列機2、3 同時工作）：系統復位回到原點，啟動自動運行按鈕。在觸摸屏操作停用整列機1，轉盤直接旋轉至整列機2 工位。整列機2 工位啟動平墊圈出料，光電檢測到位后，轉盤旋轉至整列機3 工位。整列機3 工位啟動螺釘出料，光電檢測螺釘到位后，吹氣單元將螺釘吹入振動調整模組。啟動調整電機，待螺釘完全掉入平墊圈，并經光電檢測到位后，轉盤旋轉至出料工位。出料電機和氣吹單元共同作用將螺釘墊片組合輸送至緩存區，完成單次工作循環。

模式三（整列機3 單獨工作）：在觸摸屏操作停用整列機1 和整列機2，此時系統僅用于螺釘計數及螺釘穿片掉落測試。

3 系統的工程化應用

通過三維模型結構設計、電氣設計以及軟件設計，螺釘自動穿墊片系統完成了技術方案評審與論證。在制作原理樣機的過程中，系統克服了小規格物料質量輕，易跑位，難以供料到位；沖壓成型的絕緣墊圈內孔膠木化后存在毛刺和翻邊，導致螺釘難以掉入墊圈；整列機的振動相互之間存在干擾，導致供料不穩定甚至物料掉落等很多問題，最終實現了穿片系統的工程化。螺釘自動穿墊片系統的工程樣機如圖6 所示?？梢钥闯?，3 臺整列機圍繞輸送轉盤依次擺放，沿順時針方向從左至右分別進行平墊圈、絕緣墊圈和螺釘的供料。轉盤與整列機、緩沖區銜接的地方均安裝了光電傳感器，用于檢測物料的到位情況，而設備主控面板只有一塊操作顯示屏和急停開關，極為簡潔。經測量，設備長寬高約為580mm×460mm×320mm，結構較為緊湊，方便直接放置于生產線作業工位。經現場使用驗證，除供料穩定性及穿片穩定性需要進一步優化提升外，系統功能達到了預期的效果。

圖6 螺釘自動穿墊片系統工程樣機

4 結語

在機電一體化為制造業主要生產力的當下，分析生產環節的瓶頸工序、斷點工序，對人工作業模式進行智能化改造，能夠在解放勞動力的同時，提高生產效率，達到好、快、省的目的[5]。該文涉及的小規格螺釘自動穿墊片系統，利用機械技術理論和自動控制原理最終實現了設備工程化，是一次踐行精益、改善思想、消除現場等待浪費并提升電機制造工藝的有益實踐，對制造業智能化設備改造有一定的借鑒價值[6]。