自動噴碼分揀機虛擬樣機設(shè)計

曾祥丹

摘 要：擬開發(fā)一款用于液晶面板生產(chǎn)車間的實現(xiàn)產(chǎn)品噴碼、校驗碼、產(chǎn)品按等級分揀的自動化裝置。由于自動噴碼分揀機的研制屬于非標(biāo)準(zhǔn)機械設(shè)計，無類似設(shè)計和經(jīng)驗可以參考，難免引起一些無法預(yù)知的問題，而利用SolidWorks軟件構(gòu)建三維模型，并且完成該裝置的虛擬樣機設(shè)計，可以為后續(xù)物理樣機的制作提供理論依據(jù)和經(jīng)驗參考。

關(guān)鍵詞：自動噴碼；物料分揀；虛擬樣機；SolidWorks

1 引言

隨著液晶面板在電視、手機、筆記本電腦、顯示器以及手持終端設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，近年來發(fā)展迅猛，已受到人們的廣泛關(guān)注。目前在液晶面板生產(chǎn)過程中，物料分揀工序還是人工操作，因該工序的工作需要大量的人力和時間，從而導(dǎo)致生產(chǎn)周期長、人力和生產(chǎn)成本高等問題。為了進(jìn)一步提升企業(yè)的智能制造水平，本文采用SolidWorks軟件設(shè)計了一款專門用于液晶面板生產(chǎn)車間的，能夠?qū)崿F(xiàn)液晶面板的自動噴碼和分揀的新型裝置。

在該裝置的研制過程中，利用SolidWorks軟件構(gòu)建零件的三維模型，并組裝成虛擬樣機，可以清晰地表達(dá)零部件的裝配關(guān)系，給人以直觀的認(rèn)識，為后續(xù)物理樣機的制作提供理論依據(jù)。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)液晶面板的生產(chǎn)工藝要求，經(jīng)過多次的理論分析、方案論證和實驗驗證，最終確立自動噴碼分揀機的總體設(shè)計方案，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該裝置主要由機架、產(chǎn)品傳輸與分揀系統(tǒng)、托盤循環(huán)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。整體結(jié)構(gòu)采用對稱式布置，兩組托盤的進(jìn)料口和成品出料口分別布置在兩側(cè)，可實現(xiàn)產(chǎn)品按A級和B級出貨，避免不同等級的產(chǎn)品混淆，節(jié)省空間和制造成本，便于人員操作、維護(hù)和維修。

1-機架；2-產(chǎn)品傳輸與分揀系統(tǒng)；3-托盤循環(huán)系統(tǒng)；4-托盤進(jìn)料口；5-成品出料口；6-不合格品取料口

2.1.1 產(chǎn)品傳輸與分揀系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由上料機器人、多組高精度工業(yè)相機、上料皮帶線、來料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、產(chǎn)品噴碼皮帶線、讀碼器、噴碼器、下料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、下料機器人、下料皮帶線和不合格品皮帶線等組件構(gòu)成，用于實現(xiàn)產(chǎn)品檢測、搬運、物料號碼識別、產(chǎn)品正反面切換、噴碼、噴碼校驗、噴碼品相檢驗和按等級分揀等功能，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求為3.5s，產(chǎn)品的來料始終是反面朝上，但是位置不固定，而且產(chǎn)品外框與托盤型腔外框的間隙僅為±0.3mm，本文設(shè)計采用四軸機器人和工業(yè)相機搭建一套物料搬運系統(tǒng)，工業(yè)相機用于拍攝來料產(chǎn)品的圖像，控制系統(tǒng)對圖像的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，轉(zhuǎn)換成為運動控制系統(tǒng)的坐標(biāo)信息，再將這些坐標(biāo)信息傳輸?shù)綑C器人的控制器中，控制機器人實現(xiàn)產(chǎn)品的自動抓取、搬運和分揀裝盤，使該裝置具有更高的生產(chǎn)柔性。

1-1#工業(yè)相機；2-上料皮帶線；3-上料機器人；4-來料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)；5-產(chǎn)品噴碼皮帶線；6-讀碼器；7-3#工業(yè)相機；8-下料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)；9-下料皮帶線；10-不合格品皮帶線；11-產(chǎn)品下料位置；12-下料機器人；13-噴碼器；14-2#工業(yè)相機

2.1.2 托盤循環(huán)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由空托盤進(jìn)料機構(gòu)、托盤阻擋機構(gòu)、空托盤進(jìn)料皮帶線、托盤歸正機構(gòu)、托盤升降機構(gòu)、單托盤移載機構(gòu)、單托盤運輸皮帶線、單托盤歸正機構(gòu)、滿托盤退料皮帶線和滿托盤退料機構(gòu)等組成，用于實現(xiàn)空托盤上料、升降、單托盤分離、單托盤運輸定位、滿托盤疊放、滿托盤下料的循環(huán)周轉(zhuǎn)功能，為下料機器人擺放產(chǎn)品供給空托盤，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-空托盤進(jìn)料機構(gòu)；2-托盤阻擋機構(gòu)；3-空托盤進(jìn)料皮帶線；4-托盤歸正機構(gòu)；5-托盤升降機構(gòu)；6-單托盤移載機構(gòu)；7-單托盤運輸皮帶線；8-單托盤歸正機構(gòu)；9-滿托盤退料皮帶線；10-滿托盤退料機構(gòu)；11-托盤等待裝盤位置；12-空托盤等待上料位置；13-滿托盤等待下料位置

2.2 工作原理

本文設(shè)計的自動噴碼分揀機的工作原理為：作業(yè)員確定當(dāng)日生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格后，在操作界面內(nèi)錄入產(chǎn)品信息，并將整摞的空托盤置于進(jìn)料口，托盤將自動進(jìn)入裝置內(nèi)，托盤循環(huán)系統(tǒng)將自動完成托盤的整摞運輸、定位、提升、分單盤、單盤定位、單盤運輸、產(chǎn)品擺盤和滿盤碼放等工作。

該裝置的產(chǎn)品抓取、搬運和分揀的運行模式分為如下兩種情況：

第一種情況：來料產(chǎn)品的物料號碼朝上，當(dāng)來料傳感器檢測到上游設(shè)備傳輸來的產(chǎn)品時，1#工業(yè)相機啟動拍攝產(chǎn)品的位置，并識別產(chǎn)品的物料號碼上傳到控制系統(tǒng)，下載條碼信息給噴碼機，同時由上料機器人抓取產(chǎn)品放在上料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上，經(jīng)過翻轉(zhuǎn)、噴碼、讀碼校驗、噴碼品相校驗等工序后，將產(chǎn)品傳輸至下料機器人下方的產(chǎn)品下料位置。此時，如果產(chǎn)品是反面朝上出貨，下料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)啟動從下料皮帶線上抓取產(chǎn)品，完成翻轉(zhuǎn)動作后，下料機器人從下料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)上抓取產(chǎn)品，然后按A級和B級分別擺放至兩側(cè)下料托盤；如果產(chǎn)品是正面朝上出貨，下料機器人直接從下料皮帶線上抓取產(chǎn)品，按A級和B級分別擺放至兩側(cè)下料托盤，最后將滿托盤碼放完成后出貨；不合格品由下料機器人直接抓取到不合格品皮帶線上。

第二種情況：來料產(chǎn)品的物料號碼朝下，當(dāng)來料傳感器檢測到上游設(shè)備傳輸來的產(chǎn)品時， 1#工業(yè)相機啟動拍攝產(chǎn)品的位置，再由上料機器人抓取產(chǎn)品放在上料翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，完成翻轉(zhuǎn)動作后將產(chǎn)品放在噴碼皮帶線上，然后2#工業(yè)相機啟動拍攝并識別產(chǎn)品的物料號碼上傳到控制系統(tǒng)，下載條碼信息給噴碼機，產(chǎn)品經(jīng)過噴碼、讀碼校驗、噴碼品相校驗等工序后，將產(chǎn)品傳輸至下料機器人下方的產(chǎn)品下料位置。后續(xù)下料機器人抓取產(chǎn)品的運行模式與第一種情況相同，此處不再贅述。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

本文設(shè)計的全自動噴碼分揀機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3 虛擬樣機的設(shè)計過程

3.1 設(shè)計方法

SolidWorks軟件的參數(shù)化設(shè)計是以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動為特征，允許設(shè)計者先進(jìn)行二維草圖設(shè)計，勾畫出零件的特征輪廓，然后輸入約束和尺寸數(shù)值來完成最終的設(shè)計，并能夠方便、快捷地創(chuàng)建幾乎任何復(fù)雜形狀的實體模型，可以滿足絕大部分的工程設(shè)計的需要；SolidWorks有統(tǒng)一的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)都相互關(guān)聯(lián)，任何一個功能模塊中對零件的修改都會自動反映到其他模塊中。

SolidWorks軟件的裝配體設(shè)計包括自底向上設(shè)計和自頂向下設(shè)計兩種方法，如果是首先設(shè)計完成所有零件模型，然后將零件作為部件添加到裝配體中，稱之為自底向上設(shè)計；如果是首先設(shè)計好裝配體模型，然后在裝配體中組建模型，最后生成零件模型，則稱之為自頂向下設(shè)計。一般在實際設(shè)計過程中，并不是只采用一種設(shè)計方法，往往是兩種方法結(jié)合使用。

3.2 建模過程

基于SolidWorks軟件的零件建模，實際上是創(chuàng)建零件的實體特征和一些用戶定義的特征。其中有些特征通過添加材料的方式創(chuàng)建，而有些特征則是通過去除材料的方式創(chuàng)建。

首先要從整體上分析自動噴碼分揀機的結(jié)構(gòu)特征，明確不同特征之間的關(guān)系，然后確定各個特征的創(chuàng)建順序， 在此基礎(chǔ)上利用SolidWorks軟件進(jìn)行建模和添加工程特征，通過二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、切除、掃描和混合等工具來構(gòu)建三維實體模型。

3.3 三維虛擬裝配

虛擬裝配是產(chǎn)品設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也是檢驗產(chǎn)品的理論設(shè)計是否合理的重要方法。

本文采用自底向上的設(shè)計方法完成自動噴碼分揀機虛擬樣機的設(shè)計，首先在SolidWorks軟件內(nèi)建立所有零件的三維模型，由于在組建裝配體時SolidWorks軟件會自動將第一個調(diào)入的零件默認(rèn)為固定不動，所以本文在進(jìn)行虛擬裝配時第一個調(diào)入機架，并以機架為裝配基準(zhǔn)，然后在此基礎(chǔ)上插入其他零部件。

SolidWorks軟件系統(tǒng)提供了同軸、平行、垂直、 重合、距離等十多種標(biāo)準(zhǔn)配合方式，是保證零件之間進(jìn)行準(zhǔn)確裝配的基本命令，由于本文設(shè)計的自動噴碼分揀機的零件數(shù)量比較多，所以在裝配前對該裝置各級部件的層次關(guān)系、約束關(guān)系以及相對運動關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，高效順利地完成了總裝配體。

3.4 干涉檢查

基于SolidWorks軟件的裝配體的靜態(tài)干涉檢查是指在特定的裝配結(jié)構(gòu)形式下，檢查裝配體的各個零部件之間的相對位置關(guān)系是否存在干涉；而動態(tài)干涉檢查是指檢查裝配體之間或者零部件之間在運動過程中是否存在干涉，確保各個零件在空間上不出現(xiàn)重疊。在裝配體模式下，選擇干涉檢查，系統(tǒng)會生成干涉分析結(jié)果，然后依據(jù)該結(jié)果，對相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.5 工程圖設(shè)計

SolidWorks軟件的所有二維工程圖都可以從三維實體模型轉(zhuǎn)換出來，轉(zhuǎn)換后的圖形非常準(zhǔn)確，設(shè)計人員可以根據(jù)需要完成零件視圖、尺寸標(biāo)注、形位公差標(biāo)注、表面粗糙度標(biāo)注等，并且二維工程圖會自動鏈接到三維實體模型，如果修改了三維實體模型的某些特征或者尺寸，二維工程圖會自動更新，便于三維實體模型和二維工程圖紙的修改和管理。

4 結(jié)論

本文基于SolidWorks軟件完成了自動噴碼分揀機虛擬樣機的設(shè)計，該三維虛擬樣機可充分表達(dá)設(shè)計意圖，為此類裝置的設(shè)計提出了一種新的思路。采用SolidWorks軟件的參數(shù)化設(shè)計方法，可以快速地完成整體結(jié)構(gòu)、干涉檢查、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及工程圖設(shè)計，極大地提高了機械設(shè)計人員的工作效率，節(jié)約制造物理試驗樣機的成本，縮短新機型的研發(fā)周期。

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