導光條自動點記與抓取裝置設計

郭全明，吳 曉，陳 超，何呂濤

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430074；2.武漢洛特福動力技術有限公司，武漢 430058）

導光條自動點記與抓取裝置設計

郭全明1，吳 曉1，陳 超1，何呂濤2

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，武漢 430074；2.武漢洛特福動力技術有限公司，武漢 430058）

在導光條自動生產線上對產品進行質檢后，需要對次品進行點記以便識別，并將合格品和次品進行分類存放。設計了一種基于PLC控制的自動點記與抓取裝置。詳細介紹了該裝置機械結構及控制系統的設計方案，制造了樣機，并已應用于實際生產。實踐表明，該裝置具有操作簡單、可靠性高等優(yōu)點，提高了工作效率，為企業(yè)降低了人力勞動成本。

PLC控制；自動點記；抓取裝置；氣動

0 引言

在當前制造行業(yè)里，來自人力生產成本不斷上升、企業(yè)生產效率需要提高等方面的壓力，使得自動化設備越來越受到企業(yè)的重視。氣缸、氣動手指等氣動執(zhí)行元件具有控制靈活性強、性能穩(wěn)定等優(yōu)點；此外，PLC對步進電機具有良好的控制能力，步進電機在開環(huán)控制系統中具有較高的控制精度、可靠性高、使用方便等優(yōu)點。所以，它們在自動化行業(yè)里具有廣泛的運用[1～3]。

汽車上的導光條在生產線上進行質檢后，要在次品上涂一點顏色鮮艷的膠液作為標記（稱為點記），并且需要將次品與合格品分開存放。以前采用人工點記和分類，勞動強度大，工作效率低，本文設計了一種基于PLC控制的自動點記與抓取裝置。該裝置結構簡單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，與其他生產線上的設備在運行時協調性良好，完全滿足實際的生產需求。

1 整體方案設計

1.1 總體要求

從功能上講，要求該裝置根據導光條的質檢結果對不合格產品進行自動點記、抓取，并將次品與合格品分類放置。在性能上要求點記、抓取和分類準確可靠，輸送過程平穩(wěn)，與現有生產線的其他設備能協調工作；另外，還要求該裝置機械結構設計合理，操作方便，防護可靠。

1.2 總體方案概述

本文所設計的裝置全稱是B515光導條自動點記與抓取裝置，此裝置主要包括有機架、輸送機構、點記抓取機構和控制系統，總共四部分，如圖1所示。

圖1 自動點記與抓取裝置總體方案圖

機架用來固定輸送機構和電氣柜等。當需要被抓取的產品從前一道檢測工序完成之后，并由前一工序的輸送機構將裝夾有導光條產品的檢測裝置輸送到本臺裝置正下方的指定位置。當檢測到有產品送至該位置后，點記抓取機構向下運動到指定位置抓取產品，并根據檢測結果對次品進行點記處理，然后將次品或合格品通過輸送機構放置到指定位置，最后返回原點。如此，完成一個工作周期。

2 機械結構設計

2.1 機架和輸送機構設計

機架和輸送機構的結構如圖2所示。機架主要包括機架腿、支架下橫向連接板、支架上橫向連接板、支架斜支撐、支架縱向連接板等。考慮到支架縱向連接板的剛性問題，故增加支架斜支撐以進行改善。

輸送部分主要包括直線導軌、直線導軌滑塊、縱向滑動板、步進電機、同步帶和同步帶輪等。支架縱向連接板上固定有兩根相互平行的直線導軌，縱向滑動板固定在直線導軌滑塊上。同步帶上的一小段區(qū)域固定在縱向滑動板上，當步進電機帶動同步帶轉動時，縱向滑動板在直線導軌上實現縱向移動。同步帶傳動是利用帶的齒與帶輪上的齒相嚙合傳遞運動和動力，帶與帶輪間為嚙合傳動，沒有相對滑動，具有不打滑、傳動平穩(wěn)、傳動功率較大等優(yōu)點[4]。

圖2 機架和輸送機構示意圖

2.2 點記抓取機構設計

點記抓取機構的結構如圖3所示，包括氣缸安裝板、縱向滑塊端面板、上下雙軸氣缸、點膠針筒、產品、點膠針筒固定板、氣動手指等?？v向滑塊端面板與縱向滑動板固定在一起，整個點記抓取機構則可以實現縱向移動。通過調整上下雙軸氣缸在氣缸安裝板的位置，來保證氣動手指能夠順利夾取到產品。當前一工序的輸送機構將裝夾有產品的檢測裝置輸送到指定的位置后，檢測裝置檢測到有產品送至該位置，在兩個氣動手指處于張開狀態(tài)下，上下雙軸氣缸活塞桿伸出，因此兩個氣動手指到達指定位置抓取產品，并根據前一工序的檢測結果對次品進行點記處理，然后將次品或合格品通過輸送機構縱向輸送到指定位置。

圖3 點記抓取機構示意圖

3 控制系統設計

3.1 PLC定位控制設計

根據該裝備所需要實現的功能和控制信號的數量，該系統采用三菱FX2N-48MT型PLC基本單元和FX2N-1PG定位模塊。FX2N-1PG可以輸出兩相脈沖數且脈沖頻率可變的定位脈沖信號，輸出脈沖最高頻率可達100kHz，可直接控制驅動器進行簡單的單軸定位控制[5]。圖4為FX2N-48MT、FX2N-1PG、兩相步進電機和步進驅動器的接線示意圖。由于裝置的點記抓取機構比較簡單，步進電機所承受的負載不大，故裝備采用開環(huán)的定位控制，步進電機軸端沒有安裝光電編碼器。對此，在編寫梯形圖時，將FX2N-1PG內部的緩沖存儲器BFM#12（回原點零相信號數）設置為0。在原點回歸的過程中，當DOG開關信號為ON則步進電機就會停止轉動。通過設置步進驅動器上的DIP功能開關狀態(tài)，來設置步進電機的細分數和工作電流。

3.2 氣動控制設計

為了方便點記抓取機構在整個裝置中的安裝定位，把實現其上下方向運動的氣缸選擇為雙軸氣缸。工件呈細管狀，考慮到夾取狀態(tài)的穩(wěn)定性，所以選擇平行型氣動手指。通過二位五通電磁閥控制氣動執(zhí)行元件。

上述氣缸是由缸體和活塞桿組成，缸體兩端分別有進氣口和出氣口。當壓力氣體從氣缸的一端進入缸體，就會迫使活塞向另一端運動，為了確定氣缸內活塞是否達到對應的運動位置，在氣缸壁上固定位置安裝磁性傳感器，當磁環(huán)通過傳感器時，磁性傳感器就會產生一個電脈沖[6]。故對雙軸氣缸和氣動手指上均安裝2個磁性傳感器來檢測不同位置的狀態(tài)。當執(zhí)行元件上對應的傳感器給控制器發(fā)出信號之后，才能進行下一步動作。圖5是該裝置動作流程示意圖。

圖4 PLC與步進電機接線示意圖

圖5 裝置動作流程示意圖

4 應用實例

該自動化裝置已經在某制造企業(yè)得到實際應用。經過一段時間的生產使用，證明該裝置結構簡單、操作方便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，與上一工序的設備能很好的協調工作。圖6是該裝置與上一工序設備的搭配示意圖。此外，該裝置便于根據實際生產需要進行具體調整。

圖6 裝置與上一工序設備搭配示意圖

5 結束語

該自動化裝置主要是利用了同步帶來實現動力和運動的傳遞；利用了PLC定位模塊來實現機構的定位；利用氣缸、氣動手指等氣動執(zhí)行元件實現工件的抓取。該裝置具有結構簡單、操作方便，可針對工件的具體外形、尺寸等特點進行局部結構改進，非常容易推廣使用。

[1] 孫平,邢軍.PLC控制步進電機驅動系統[J].河南師范大學學報(自然科學版),2001,29(4):112-113.

[2] 譚宇碩,韓瀚,馮亞波,等.基于PLC的掛號信函分揀機械手設計[J].制造業(yè)自動化,2015,37(8):137-138.

[3] 史衛(wèi)朝.基于PLC的自動送片系統開發(fā)設計[J].制造業(yè)自動化,2015,(4):106-108.

[4] 程友聯,楊文堤.機械設計[M].武漢:華中科技大學出版社,2011.

[5] 李金城,付明忠.三菱FX系列PLC定位控制應用技術[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014.

[6] 翟志敏,楊平,魏薇.基于ZigBee無線傳感器網絡的氣缸位置檢測系統[J].儀表技術與傳感器,2012(2):66-68.

Design of automatically marking and grappling device for light guide

GUO Quan-ming1, WU Xiao1, CHEN Chao1, HE Lyu-tao2

TP23

B

1009-0134(2016)12-0094-03

2016-07-29

國家自然科學基金（51275364）

郭全明（1991 -），男，湖北宜昌人，碩士研究生，研究方向為機械設計與自動化。